基于实时数据的煤矿三维安全生产信息平台

郭 超，李丽绒

(1.山西焦煤集团有限责任公司 信息化管理部， 山西 太原 030024;2.山西焦煤集团有限责任公司 技术中心， 山西 太原 030024)

数字经济是全球未来的发展方向，正日益成为我国经济发展的主形态。数字经济与实体经济的融合发展为我国实体经济的发展指明了方向。煤炭企业作为基础类的实体经济体，近年来信息化、数字化系统建设取得了长足的进展，但煤矿现有的综采综掘自动化系统、安全监测系统、人员定位系统等信息化系统大多独立运行，信息不能共享，“信息孤岛”现象严重，且大多信息化系统为二维系统，缺少一个能有效集成现有信息化系统的、统一的三维信息化基础平台，无法满足煤矿企业对安全生产过程进行三维可视化监控的要求。

当前，已有不少学者在煤矿信息系统的集成方面展开了研究。鲍店煤矿调度生产管理系统[1]集成了不少应用系统数据，实现了对生产计划的指导。关辉等[2]研究设计了煤矿无线综合调度系统，在iPad上实现了对煤矿生产信息的综合分析查询等功能。郭斐[3]提出了基于MVC的煤矿经营调度系统。彭超[4]开发设计了基于B/S模式的煤矿生产调度系统。但上述系统无法实现对煤矿生产相关系统的三维可视化监控。唐亚平[5]基于嵌入式数据库，在移动终端上实现了煤矿安全生产调度系统，拓展了调度系统的使用范围。潘志刚等[6]提出了一种基于智能手机的煤矿GIS检测系统，实现了空间信息与实时监测数据的联动。但文献[5-6]提出的系统均为二维系统。黄伟力等[7]基于B/S架构设计思路，设计了煤矿安全生产调度系统。王建[8]提出了包含矿端、集团端两个层级的煤矿调度管理系统，实现了对数据的输入、更新和查询等功能。文献[7-8]中涉及的系统并未在实际煤矿生产中得到应用验证。陶海英[9]给出了煤矿生产调度系统的整体解决方案，实现了对煤炭产量、销售等相关数据的查询、统计和分析。赵萌[10]从提高调度管理效率的角度出发，开发了一套煤矿调度管理系统。高强[11]提出的煤矿安全生产调度系统以实现报表、值班管理等为目标。文献[9-11]中提到的系统均未涉及对煤矿生产系统的建模。

本文提出一种基于实时数据的煤矿三维安全生产信息平台，主要包括煤矿井下与地面生产系统的三维建模、基于实时生产数据的三维可视化仿真两部分：通过Sketch up软件实现对煤矿井下及地面主要生产系统的三维建模，为煤矿三维安全生产的可视化仿真奠定了基础；利用轻量级的数据交换语言Json作为统一的数据交换格式，对煤矿原有信息系统中的实时数据进行汇聚、集成，生成实时更新的Json数据文件，通过Json实时数据控制三维模型实现动态仿真。

1 基于实时数据的煤矿三维安全生产信息平台架构

基于实时数据的煤矿三维安全生产信息平台架构(图1)主要包括数据访问层、业务逻辑层、用户展示层3个层级。

在数据访问层，煤矿现有的综采综掘自动化、安全监测、人员定位、压风监测、供水施救等信息系统由不同的厂家在不同的时期建设完成，各系统大多独立运行，系统之间“数据壁垒”“信息孤岛”现象严重。对煤矿现有信息系统数据通过抽取、转换、清洗等过程，统一生成响应快、兼容性强、易于生成和解析的轻量级数据交换格式Json，用于支持本平台与煤矿现有信息系统的实时数据交互，打破现有信息系统“数据壁垒”。

在业务逻辑层，采用易于表达设计意图、操作便捷的Sketch up对煤矿地面及井下系统进行三维建模，通过数据访问层中的实时数据控制三维模型，实现对煤矿采煤工作面作业情况、风机状态等主要生产过程的三维可视化仿真。

在用户展示层，用户可通过PC端、矿调度大屏显示终端等设备的GUI界面实现与平台的实时交互，使用户在及时掌握煤矿安全生产情况的同时，增强用户真实感、体验感。

图1 基于实时数据的煤矿三维安全生产信息平台架构图

2 三维建模

煤矿地面及井下主要生产系统的三维建模主要包括三维静态建模、三维运动建模、数据可视化的建模3部分。本文采用Sketch up实现对煤矿地面及井下主要生产系统的三维建模(图2). 煤矿地面主要生产系统的三维静态建模主要包括基于Google地图的煤矿三维地形建模(图3)、供水池等的建模。煤矿井下主要生产系统的三维静态建模主要包括采煤工作面、采煤机、皮带、煤仓、巷道等的建模。地面三维运动建模主要包括风机运动建模、供水池水位变化建模等。井下三维运动建模主要包括皮带静态部分和运动部分的皮带三维运动建模等(图4). 数据三维可视化建模主要包括采煤工作面人数可视化建模、瓦斯监测建模等。

图2 煤矿地面及井下生产系统的三维模型图

图3 基于Google地图的煤矿三维地形模型图

图4 皮带三维运动模型图

3 基于实时数据的三维可视化仿真

通过统一的数据交换格式Json实时汇聚、集成煤矿现有信息系统数据，并以网页形式存储于煤矿内网(图5). 利用Json中的实时数据，通过Open Inventor提供的算法，控制煤矿地面及井下主要生产系统三维模型状态的实时变化，实现基于实时数据的三维可视化仿真。

图5 以网页形式存储于煤矿内网的Json数据文件图

以采煤工作面刮板输送机模型运动的控制过程(图6)为例，描述基于Json实时数据的三维可视化仿真过程。

图6 采煤工作面刮板输送机模型运动的控制过程图

4 仿真实验

本文提出的平台系统开发语言为C++，图形用户界面由Qt生成，利用Open Inventor实现对三维模型的运动仿真及显示。平台已在山西焦煤集团某所属煤矿成功试运行。

利用采煤工作面实时数据控制三维模型实现状态变化(图7)，采煤机、刮板输送机、转载机的开停数据可实时控制相应三维模型是否做循环往复运动，采煤工作面人数和瓦斯数值可实时显示于相应三维模型。

图7 采煤工作面状态变化图

利用煤矿地面生产系统中风机和供水池水位数据分别实现对风机和供水池水位的实时控制，风机的开停数据可实时控制风机是否转动，供水池水位值可实时控制供水池水位变化。

5 结 论

本文提出一种基于实时数据的煤矿三维安全生产信息平台，通过Sketch Up软件实现对煤矿主要生产系统的三维建模，并利用轻量级的数据交换语言Json作为统一的数据交换格式，对煤矿现有综采综掘自动化系统、安全监测系统、人员定位系统、压风监测系统、供水施救系统等系统中实时数据进行集成、汇聚，进而实现基于Json实时数据的煤矿主要生产系统三维可视化仿真。本文提出的平台已在山西焦煤集团某所属煤矿成功应用，通过三维可视化操作界面，实现对煤矿主要生产过程的三维可视化监测，为矿井安全生产、预防事故和处理突发灾害等提供重要支撑。

本文提出的平台当前仅集成了煤矿现有的部分主要生产信息平台，针对煤矿顶板监测、车辆调度等煤矿安全生产数据尚未有效集成，无法满足对煤矿整个安全生产过程进行三维实时监测的需求，这也是该课题下一步的研究方向。