三维智慧矿山系统平台的设计与实现

谢春华

（中煤科工集团沈阳研究院有限公司 辽宁省抚顺市 113122）

建设三维智慧矿山系统平台，对于优化矿山生产，减少安全事故，都能够体现出积极的作用。三维智慧矿山系统平台，需要基于相关的计算机技术、信息技术、智能设备终端等，建立起可视化的三维平台，基于智能终端设备实时采集，实现车辆定位、人员定位、视频监控、环境监测等，在三维化系统平台中实现整体化的管理、分析和控制，为矿山生成和管理通过有效的技术支持和决策辅助。所以，就需要对此展开研究，明确构建三维智慧矿山的一些基本手段。

1 三维智慧矿山系统平台的技术功能需求

三维智慧矿山系统平台，是以信息化和数字化作为前提基础，对矿山生产、职业安全、后勤保障、技术支持等方面实现主动感知、自动分析、快速处理而建立起来的三维可视化智慧管理系统平台。三维智慧矿山系统平台，在技术功能需求上，主要包含三个方面：

（1）智慧生产功能（智慧生产辅助系统），该功能就是用于支撑辅助矿山开采作业，比如对开采工作面实现三维化构建，自动分析开采设备的行径策略，然后自动编制开采命令，远程控制开采设备执行操作，实现开采作业。不仅如此，还可以对矿井下的生产环境、过程实现集成监控，基于三维化的模型，实时反映井下情况，对开采管理提供良好的保障。

（2）职业安全和健康保障功能，主要包含了矿山整体的环境、防火、防水、通风等方面的安全防护工作。可以针对矿山建筑区建立三维化的模型，如图1 所示，将建筑区内的建筑物、道路等地面构筑物在正确位置标识出来，然后从宏观整体制定相应的安防措施。

（3）后勤保障与技术支持功能，这部分主要是为矿山生产服务，比如自动化办公、生活管理、考勤系统、车辆调度、设备调度等等。后勤保障与技术支持系统，主要作用就是服务于矿山的各方面工作，确保能够实现有效的开展。

总的来说，三维智慧矿山系统平台的技术功能需求，包含了多个方面的内容，可以分为多个不同的功能系统。但是从技术层面来讲，不同功能系统在搭建上的技术原理相似，只是在细节上有所区别。三维智慧矿山系统平台的建设，也需要结合矿山的实际情况来进行，立足矿山本身的要求，建立起对对应的三维智慧矿山系统，为矿山生产与管理服务，推动矿山的发展进步。

2 三维智慧矿山系统平台设计技术要点与预期技术价值

2.1 设计技术要点

建设三维智慧矿山系统平台，这是摆在矿山企业面前的一个全新任务，推动智慧矿山的建设。在具体的设计过程中，需要对其中的一些技术要点予以明确掌握。

2.1.1 几何表达

三维智慧矿山系统平台的设计，几何表达是实现矿山三维化构建的数字镜像，在系统平台的设计过程中，对于矿层、采掘工程以及生产系统的形态和空间位置，通过三维模型作为数据载体，以几何形式对这些内容进行表达，在系统平台中反映出来，是设计三维智慧矿山系统的根本基础所在。

图1：智慧矿山三维模型

图2：智慧矿山全景展示

2.1.2 信息对应

三维智慧矿山系统平台，需要把握虚拟世界和现实世界的对应关系，也就是在三维模型的建造和，需要和现实世界的真实情况保持一一对应的关系。在设计过程中，三维模型是设计对象的容器，是对象间关系的记录和处理者，也是实现虚拟矿山整体表达的载体。这之中需要关注三维模型建造和表示，重点把控地质体、井巷工厂、地物和设备。同时，要做好系统连接，也就是将反映矿井生产现状的系统，与三维系统平台要形成对接。比如开采、供电、运输等系统，需要和监控系统对接，并且在三维系统平台中展示出来。

2.1.3 数据分析和处理

支持三维智慧矿山系统平台运转的核心，在于数据分析和处理。对于智能终端和监测设备所获取的信息数据，要基于系统平台进行处理，得到更加直观的结果，然后对应做出处理，执行管控操作。比如通过监测设备，了解采掘工作情况，对应控制调整通风系统的运转，为采掘工作空间降低粉尘或是疏散气体。

2.2 预期技术价值

对于矿山企业来讲，建立三维智慧矿山系统，能够产生多方面的不同作用，需要对其预期技术价值形成认识。

（1）通过三维智慧矿山系统的建设，提高矿山生产效率。在传统的生产模式下，生产组织工作需要花费较多时间，比如对于人力、设备的调用安排，对于作业计划的设定等等，都需要花费较多时间来进行论证，并制定方案。而有了三维智慧矿山系统，很多工作可以通过智慧系统自动完成，大大缩短了时间，起到了提升效率的作用。比如对于车辆、设备的调度安排，系统可以根据作业需求，自动实现设备分配，然后下达调度指令。

（2）提高矿山生产的安全水平。针对矿山生产来讲，保证安全是一项非常重要的工作，只有保证安全，才能让矿山生产得到长久维系。通过三维智慧矿山系统的建立，可以对安全实现细化管理，提升安全风险识别能力，可以尽早发现安全隐患，及时予以处置，从而最大程度减少安全问题出现。

（3）通过智慧矿山系统的建设，减少矿山企业的生产成本。在传统模式中，矿山生产不仅需要投入大量设备，还需要投入大量人力，成本较高。基于三维智慧矿山系统的建立，就可以让很多工作环节实现自动化和无人化，这样一来可以节省不少人力成本。

3 三维智慧矿山系统设计与实现

3.1 系统架构设计

在系统架构设计这个方面，主要涉及到系统结构、功能设计和主要技术，下面逐一进行阐述：

3.1.1 系统结构

对于三维智慧矿山系统，整体的系统结构，可以分为三层，分别为应用层、服务层和传感器层。应用层，就是智慧系统与用户的交互界面系统，基于该交互界面，可以向人员输出信息，也可以通过人员操作实现信息输入和指令输出。当然，除了人员之外，应用层还会连接设备生产管理、监控系统等，从而为自动化控制的实现打下基础。服务层，主要是实现系统服务的中间层，主要涉及到信息的传输、分析、处理、储存等，包含了三维数据服务器、网络发布服务器、数据库、数据访问层等。而传感器层，主要就是用于采集信息的各类传感设备，如人员定位卡、风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器等等各类数据采集仪器。

3.1.2 功能设计

功能设计，就是确定智慧矿山系统平台的主要功能，这也是设计的重点所在。

（1）井上与井下的三维全景浏览（如图2），具体功能要包含全景展示、缩放、拉近拉远、360 度旋转、仰视俯视、自由漫游、距离测量、面积测量等具体功能。通过这些功能，可以在三维化场景中，对矿山情况全面掌握。

（2）人员管理，包含人员定位、轨迹回放、身体状态监控、井下人员统计等等。

（3）设备管理，对开采设备、基站、各类传感器、皮带运输机、风机等设备的运转状态、位置等实现管理。

（4）区域查询，可以对区域内的基站进行查询、人员聚集情况查询，超员报警等等。

（5）安全管理，包括发出紧急撤离通知、人员超员报警、人员超时报警、环境状态异常报警、设备异常报警等方面的具体功能。

（6）环境量统计分析。涉及到设备状态量、环境量、模拟量等查询和分析，还可以对历史环境量进行统计分析，并且通过图表展示。此外，还涉及到一些其他的具体功能。

3.1.3 主要技术

要实现上述功能，需要一些具体技术的支持。

（1）三维显示技术。要实现井上环境和井下环境的三维化构建，那么自然就需要三维显示技术的支持，这可以运用先进的虚拟仿真技术，通过高分辨率航拍数字影像，获得矿区的地理地形，然后基于虚拟仿真技术，依托数字影像和相关数据，展开井上环境的三维构建。而对于井下环境，也需要依托信息采样、GIS 定位、视频监控等技术，构建起相应的井下三维模型，将井下环境通过三维模型展示出来，还可以基于视频监控，展示实时环境。

（2）动态定位技术。在矿山生产中，人员和设备，都具有流动性，并不会在一个地方固定不同，而是会根据具体的生产工作安排，在不同的区域流动。出于生产管理和安全管理的需求，就需要对人员和设备实现定位。这就需要使用到动态定位技术，基于真实的地理坐标，在三维环境中，真实显示人员或设备所处的位置。

（3）传感器的集成。在三维智慧矿山系统中，传感器是获取信息的重要设备，传感器采集数据，通过基站回传系统，储存到数据库之中。鉴于使用到的传感器设备数量众多，这需要关注到传感器的集成，将不同传感器以及相关的技术整合起来，提高其一体化的属性。

3.2 开发实现

三维智慧矿山系统的建设，在做好系统架构设计的基础上，还需要做好相应的开发实现工作。可以采用B/S 的系统结构，采用SQL Server 数据库。基于B/S 的系统结构，将矿山信息系统和三维场景结合起来，在计算机上真实再现，形成三维立体的矿山模型。

基于Windows7 或Windows10 作为运行环境。开发平台可以选择World Wind，这是美国宇航局推出的一款开源的三维展示平台，该平台具有非常优秀的架构，三维展示功能强大，具有很多便利的设计功能，具有上百种实用的设计插件，为三维设计的实现提供了方便。开发语言可以选择ASP.net。.net 作为Microsoft XML Web services 平台，其允许应用程序基于Internet 实现通信和数据共享，还可以将服务集成起来。硬件方面，服务器选择Intel Xeon 系列，内存选择16G 或以上，硬盘1TB 以上。监控端CPU 选择Intel Core系列，内存8G，独立显卡，显存2G。

4 结束语

建设三维智慧矿山系统，这是矿山发展的全新趋势。在当前环境下，有关人士需要对三维智慧矿山建设的必要性和积极作用形成有效认识，然后合理设计三维智慧矿山的系统结构，明确相关的技术，并且做好开发实现，让三维智慧矿山系统能够在矿山中得到真正运用。