智慧矿山关键技术研究初探

徐国萍

（山西焦煤西山煤电集团公司，山西太原030053）

·试验研究·

智慧矿山关键技术研究初探

徐国萍

（山西焦煤西山煤电集团公司，山西太原030053）

通过分析智慧矿山建设中存在的问题，对西山煤电集团官地矿智慧矿山建设提出“搭平台、搞集成、建标准”三步走战略，初步完成智慧矿山建设任务，建议适时提出国家或行业的建设规范标准，达到智慧矿山建设的格式统一和标准化。

智慧矿山；数字化；GIS技术；虚拟仿真

1 当前智慧矿山建设存在问题

我国智慧矿山建设在煤炭黄金十年期间，逐步进入了良性发展轨道，一些国内研究机构和煤炭企业完成了煤矿专用GIS软件平台，信息化工作取得了阶段性成果，但智慧矿山归纳起来，主要存在以下几个方面问题：1）理论研究落后，资金和人才投入有限，信息化基础低，数据处理和管理模式较为落后。2）智慧矿山海量数据处理的核心技术没有全面突破。3）专业划分太细，没有统一的信息化数据处理平台，信息孤岛严重。4）现有软件系统只能进行简单的事务处理，无法对重大危险源进行高精度的分析、预警、决策。5）目前煤矿管理模式不能充分发挥信息技术快速、准确、实时的优点。6）没有建立多专业、多学科集成的重大危险源检测、识别和预警模型。7）各检测、监测系统及数据管理平台相对独立，信息不能共享。8）传感网建设和技术攻关滞后，数据获取设备的实时在线功能弱。

上述问题的存在使得大量智慧化建设成果（硬件、软件产品）在煤矿安全生产过程中得到较好应用。

2 智慧矿山建设构想

智慧矿山是以矿山采掘系统的完整过程和具体需求为基础，以地理空间为参考系，依托煤矿综合自动化技术、在线数据检测技术、计算机技术、3S技术、网络技术和采矿专用技术，建立起系列化的数据采集、传输、分析、输出和决策支持模型以及软硬件系统，能够实现采矿过程的信息化和智慧化管理。

西山煤电集团在官地矿进行了第一步搭平台，第二步启动搞集成，将已有的子系统（人员定位、变电硐室无人值守等）和准备研发的子系统（通风网络解算、井下运输机车安全调度信息系统、井下高清电子探头系统等）全部集成到本平台，最终实现办公电脑、移动终端（ipad、手机）的在线实景展示和分析。第三步就是以此平台建设为模板（蓝本），制定集团的《智能矿山技术规范和应用展示标准》。

2.1 核心技术

该平台是引入目前较为先进的空间GIS技术和虚拟仿真技术，将矿山地表设施、地形地貌、井巷工程、矿体围岩等客观空间构造，在平台系统中真实再现，同时将各类实时监控数据、生产数据、设备信息、人员信息、管理信息等植入系统，实现三维矿山全息化展示、生产工艺流程三维可视化管理、地测数据管理、生产调度信息管理、安全监管监控等业务功能。

2.2 主要功能

1）矿山三维地理信息管理（基于真实坐标系，构建高精度三维地形地貌）。

三维数字化矿山管理平台能够将企业所处地理位置及其周边地形地貌清晰的展现，对于叠加在三维地形地貌上的各类地理信息要素和环境要素，包括星空、地球、地球大气层、水域等，可以将地理要素与虚拟现实相结合进行综合展现，融合道路、河流、植被、居民地等矢量线划信息，可为后期规划、设计、维护提供基础地理数据。系统支持实时地理信息查询、标绘等功能，用户可以在三维场景下进行道路、建筑物、区域等信息的标绘。

2）三维地质构造拟合计算与地测数据管理（依据钻孔、物探数据等进行地质计算，显示真实空间坐标的三维构造）。

通过对企业现有勘探、钻孔、水文地质等地学数据进行整理植入，生成三维地形、构造、煤层空间拓扑专题数据库，结合地质学算法拟合生成真实三维矿体围岩、地质构造模型；可在地表上任意地点、任意方式（直线、折线、多边形、矩形）剖切查看地下的岩层和煤层构造等，以分层分块抽取方式展现煤层、岩层等地质层次，并能够可视化地查询陷落柱、积水区、断层等地质构造位置及空间分布。

3）设备三维可视化场景管理（管线、设备等完全基于测点位置生成，坐标可调，场景可调）。

建立真实的场地、设施、建筑等三维模型，能够在三维可视化对象上绑定现场采集的设备运行状态、日常流转信息等丰富的属性数据，支持面向设施设备等实体模型进行点击查询。平台提供场景编辑、维护功能，可由用户根据需要调整设备位置、添加新的装置、改变巷道和工作面位置等，可以对照井下生产进度来调整场景保持两者对应一致。平台系统具有工艺流程制作、查询展示等功能，能够真实再现井下生产运输、通风等工艺流程，以动态可视化的形式展示出来。

4）应急预案与应急资源管理。

系统提供专门的数字化预案制作工具，基于真实的场景、真实的周边情况和真实的数据，通过设定灾情，策划救援及抢修的行动方案，将文本预案制作成可视化预案，进行展示、存储。系统根据不同科室、部门的不同角色，归纳、分拣预案内容，体现预案的处置流程。在事故发生时，用户可以根据不同的身份、角色，登陆引导界面，系统的预案提示功能将自动识别使用者，显示该使用者应该如何操作、调配相关资源等信息。

5）安全综合监测预警（对通风、瓦斯、设备等运转状态实时监视）。

三维数字化矿山管理平台系统提供统一标准化接口，将现有系统的数据和信息从不同的专业系统、不同的应用平台中进行整合，提取各系统中隐患报警数据，结合系统提供的数据显示、定位等服务功能，在隐患报警的同时，快速定位显示报警位置、周边工作实际三维场景，并在确定报警位置后，自动触发对该隐患信息相关分析数据的综合对比，进行逐项问题排查，确定问题发生原因，进而实现隐患数据的综合监测分析，帮助管理者和工程师寻找解决方案。

3 智慧矿山建设技术研究

智慧矿山将实现一个跨地区、跨部门、跨系统、跨专业的共享信息、共享知识、共享应用的集成决策支持平台，提供技术支持和服务，核心内容如下：

3.1 智慧矿山框架体系和标准规范研究

1）系统研究井上下人、地层、机电设备、通讯、危险源检测、企业管理模式、“采、掘、机、运、通”专业技术方法等内容，提出以物联网云计算平台为核心的智慧矿山架构和详细设计。

2）智慧矿山的构成包括数据采集、数据传输、信息集成、分析优化、信息展现等方面的内容，具体可分为三层：感知层、网络层和应用层。

3）智慧矿山数据标准研究。包括：元数据标准；数据编码、传输、存储、发布和展示标准；信息资源目录体系标准。

4）智慧矿山模型研究，包括：

管理模型：根据矿山资源（人、财、物）和生产现状，监测并预测其发展，加强生产过程的宏观管理与预警，从而达到合理开发煤炭资源，实现煤炭企业的可持续发展。

生产模型：生产全过程所有生产环节的自动规划和协同，如作业规程编制、采区衔接等。

技术模型：建立生产矿井生产过程最新海量数据的分析需求与矿、集团、科研院所和社会专家的分级关联模型，实现双向的选择和过程决策。

数据模型：主要指不同部门对相同数据的自适应修正。

3.2 面向智慧矿山的物联网关键技术

研究先进的物联网和传感器技术，实现对井下重大危险源（如水、火、瓦斯、顶板、冲击地压）的检测、传输和存储。

3.3 专用地理信息系统软件平台技术

1）煤矿空间数据仓库。

煤矿空间数据仓库主要由煤矿空间数据库和煤矿空间元数据库两部分组成。前者主要是煤矿图形库、图象库、属性库（包括综合自动化和在线检测、监测系统获取的海量数据）以及专业模型库的组织、管理、综合分析和事务处理等；煤矿空间元数据库主要服务于煤矿空间数据的组织、管理和分析；同时还有专业应用GIS程序元数据库和空间服务的元数据库。

2）煤矿专用2DGIS平台。

a）针对煤矿行业的需求，特别是煤矿行业空间数据具有复杂、活跃、动态变化等特点，研究面向对象的一体化实体数字数据模型、支持多源数据集成的空间数据引擎，以及可扩展的二三维可视化引擎等技术方法。b）结合目前IT行业在云计算等网络服务技术方面的新发展、新趋势，重点研究桌面、网络服务一体化的地理信息系统基础平台方案，即基于统一GIS内核的煤矿地理信息系统桌面平台以及网络服务平台。

根据SOA的思想，采用最新的网络、WebGIS等技术，在与桌面平台相同的GIS核心模块基础上，设计并实现面向分布式网络的企业级应用，如煤矿空间信息、视频信息、属性信息的实时共享和管理，以及与专业功能应用相关的万维网服务发布等。

3.4 虚拟矿井平台（VGIS）技术

研究虚拟现实和各种实体建模技术，开发分布式虚拟矿井平台，构建井上下虚拟环境，并能够通过与其它系统的接口（如瓦斯监测系统、矿压在线检测系统、综合自动化系统等），实现煤矿井下安全生产信息、设备和工况信息的三维查询和实时展示，从而达到身临其境，无需下井亦可掌握矿井最新生产信息，实现决策管理层对全矿井生产状况的实时整体把握，为决策分析服务。

实现工程技术人员的可视化安全生产和技能培训。

3.5 智慧煤矿空间分析、决策支持与安全管理技术

基于云计算平台以及决策支持系统，尽量实现矿井的智慧生产和管理。

1）动态生产数据的实时处理。

精细三维地质模型和巷道模型的动态修改；地测、采矿、设计、机电、调度等专题数据的自动分布式处理；通风网络的智慧解算；应急预案的自动修改与分发等。

2）实现对重大危险源的识别、预测和预警。

通过专有云，构建矿井重大危险源评价指标体系库，主要依据《煤矿安全规程》、《防突细则》作业规程和有关瓦斯、防治水管理和技术规定等不同指标体系及其临界值建立相应的指标体系库，建立基于GIS空间分析的模型库和方法库，实现对水、火、瓦斯等的动态预测、预警。

3）多源空间信息融合、综合处理、实时分发服务。

管理决策层和上级主管部门可以通过煤矿分布式多源异构信息共享协作平台或云计算平台获取各种分布式生产矿井的专业信息和相应的处理资源，其操作通过WEB协作服务平台传到终端服务器，由该终端具体负责获取并装载运行当前所请求的专业信息处理资源，访问所请求的煤矿专业信息，并执行所请求的相关操作，融合多源异构数据，进行可视化表达。

4）专家会诊煤矿安全事故。

专家会诊煤矿安全事故是管理决策层、煤矿安全生产专家通过公有云，借助煤矿专业应用模型库、知识库、方法库、推理机库以及数据挖掘方法集等进行紧急磋商并尽快寻求应急措施，以降低事故的危害程度。

3.6 智慧矿山系统平台的设计与开发

智慧矿山将扩展对井上下空间对象的检测范围和监视详细程度，其集成管理平台将实现如下功能：

1）整合各种管理和实时信息，为管理和技术人员提供全面、完整、细致的生产状态视图，实现对生产业务的分析和优化。

2）不同开采技术条件的煤炭企业可以根据自己的业务目标和要解决的关键问题，对智慧矿山平台进行裁剪和调整，以适合自己的情况。

3）为煤炭行业各级主管部门、科研院所、个体专家或公众提供具有权限的服务平台，实现全社会（包括矿工家属）对矿山安全的分析与监督。

3.7 基于云计算和物联网的煤矿安全动态诊断系统

以大数据、云计算、物联网技术为支撑，各类行业、集团、矿井制定的安全生产规程为依据，结合综合自动化、在线检测（水、火、瓦斯、顶板等等）、日常生产获取的动态数据和历史数据以及动态的三维地质模型为基础，三维可视化系统为表达手段，实现动态诊断，即建立煤矿安全生产卫士管理系统。如计算机杀病毒360安全卫士一样，实现对煤矿安全动态诊断并打分，给出低分的原因（列表的形式），并根据行业规程或应急预案等给出解决方案或措施。

1）形成具有我国完全自主知识产权的数字煤矿软件系统，实现示范矿井的全面应用，安全生产的动态分析和决策支持，而且系统实用、稳定。

2）建立我国数字煤矿建设的信息化标准。

3）成果将逐步在煤炭工业得到全面推广，实现跨地区、跨部门、跨专业的共享信息、共享知识、共享应用的集成决策支持平台，彻底改变煤炭工业落后的管理和决策支持模式。

4）实现空间信息技术、物联网技术、大数据技术、煤矿专用数据处理技术的集成开发和应用。

5）成果达同行业国际领先水平。

4 智慧矿山建设目标

1）数据交换和共享标准。综合自动化、在线检测系统、安全生产管理信息系统的数据共享标准、元数据标准、信息资源目录体系标准。

2）基于物联网的数字煤矿服务平台架构和关键技术。基于“按需服务、按需计算”的思想，设计能够实现“发现、描述、生成、执行、求解”全过程的数字煤矿服务平台架构，研究资源层、知识层、服务层、用户层的技术体系和实现方法。

3）数据在线检测集成系统的设计。基于物联网和矿区动态精细三维空间对象模型，设计实时检测煤矿危险源和空间对象状态（如水、火、瓦斯、顶板、人员位置等）的集成科学诊断网络系统，为云计算提供海量的基础数据，实现对危险源的预测预警。

4）动态生产数据的实时处理技术。随着巷道的掘进、工作面的回采以及传感网数据的动态更新，实现精细二维和三维地层和巷道模型、“采、掘、机、运、通”专题模型以及瓦斯、水等危险源空间属性模型的动态修正。

5）对安全生产的综合分析、评价与预警技术。根据煤矿安全生产规程，融合传感网的多源在线检测数据以及精细地质模型，结合数值计算和模拟系统、地测系统、通风系统、排水系统、提升运输系统、供电系统、通信系统等，研究基于GIS的空间分析技术，实现设备、线路和通风网络系统的故障诊断、水和瓦斯危险区采掘报警等关键技术；基于GIS空间分析结果，实现应急预案和救援方案的自动生成。

6）基于大数据的数据挖掘技术。基于云计算、大数据数据挖掘技术，实现安全生产的动态诊断，并根据行业规程或应急预案等给出解决方案或措施。

5 经济、社会效益分析

1）将大大提高煤炭工业的安全管理水平，逐步扭转信息化水平低下，安全生产管理手段落后所造成的重大人员伤亡的不利局面，产生明显的经济和社会效益。

2）减少井下工作人员，提高劳动生产率。项目在集团公司推广应用后，每单位减少员工200人，假设每人年总花费20万元，单矿井年经济效益4 000万元。

3）减少或杜绝安全生产事故的发生，公司年经济效益大于2亿元。

4）社会效益：项目的成功实施，将使我国管理和信息技术落后的煤炭工业正式全面步入高科技的管理轨道。

［1］马清法，逯楠.中国电信“智慧矿山”信息化解决方案［J］.山东通信技术，2011，31（3）：52-55.

［2］张科利，任长忠.机遇物联网的智慧矿山的智能生产系统展望［J］.中国矿业，2012，1（S1）：76-79.

［3］王强.智慧矿山建设之解析［J］.电脑知识与技术，2013（2）：41-43.

［4］张旭平，赵甫胤，孙彦景.基于物联网的智慧矿山安全生产模型研究［J］.煤炭工程，2012（10）：123-125.

Research on the Key Technology of Intelligent Mine

Xu Guo-ping

Analyzes the problem of intelligent mine in construction，puts forward three steps strategy to intelligent mine construction of Guandi coal mine in Xishan coal electricity group，which are building platform，making integration and building standard，initially completes construction task of intelligent mine，suggests appropriately puts forward the national or industry construction standard，reaches the unified format and standardization of intelligent mine construction.

Intelligent mine；Digitization；GIS technology；Virtual simulation

TD67

B

1672-0652（2014）11-0033-04

2014-09-26

徐国萍（1965—），女，河南人，1987年毕业于山西矿业学院，高级工程师，主要从事煤炭科技工作（E-mail）xgp8889@126.com