数字化采矿(数字矿山建设的关键技术)

　　 论文 关键词：gis　dm　功能体系　关键技术

　　论文摘要：目前，随着信息化技术的 发展 ，大量与矿山有关的信息都必须依托gis（geographic information system）技术对矿山数据进行收集、整理、处理、分析。gis作为目前发展最迅速的高新技术之一，将其应用在矿山,可以大大地推动矿山生产经营管理的 现代 化进程。因此，构建基于gis的数字矿山势在必行。本文从我国数字矿山的现状出发，探讨了数字矿山的功能体系，对建设数字矿山的关键技术进行分析，并简要介绍了北京东方泰坦科技有限公司的titan（泰坦）空间信息基础平台软件总体实施情况。

　　0 引言

　　自美国前副总统戈尔于1998年1月在“数字地球：21世纪如何认识我们的星球”的演讲中首次提出数字化地球的概念及其框架以来，数字化的概念和实践陆续出现在各个具体的产业和领域中，数字化信息技术也越来越深刻地影响着人类社会的发展。根据国家“十五”计划对 企业 信息化的要求，要利用信息化带动矿山等传统企业的发展[1]。

　　gis(geographic information system)是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的 计算 机信息系统，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科。以gis为平台，构建数字矿山dm（digital mine）是对所有与矿山有关的数据信息进行数字化，可以实现信息处理、检索、输出的自动化、可视化、与地理关系的一体化，以便矿山进行计算机辅助设计、矿产资源预测和矿山生产的动态管理等，以达到充分合理开发利用资源，谋求矿山开发的最佳社会 经济 效益和环境效益的目的。

　　1 我国矿山信息化现状分析
　　近年来，我国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不容乐观。在矿山勘察、规划、设计、生产、管理等信息化领域，与发达国家的差距越来越大。我国矿山没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发与综合利用，更没有形成信息资源充足、系统性能稳定的矿山信息基础设施。总体来说存在以下问题：

　　1.1 矿山信息化总体水平较低

　　我国是一个矿业大国，矿山行业是劳动密集型行业，信息化程度很低。除了少部分矿山企业有较先进的各种信息管理系统外，大部分矿山尚处于信息管理的初级阶段，没有很好地利用信息技术促进企业的发展，缺乏统筹规划，从而导致这个层次上的矿山企业没有较好的计算机 网络 设施，没有共享的网络信息数据，也就使这类矿山企业在以信息为主导的知识经济面前没有优势可言[2]。

　　1.2 大部分企业只注重硬件投资，忽视了软件的开发、管理与应用

　　大部分企业没有建立适合企业生产发展的矿山基础信息数据库，缺乏完善的地学煤矿空间信息系统、储量资源管理系统及三维地质模型系统等，没有形成一个完善的矿山软件体系。

　　1.3 对现代信息化认识不足

　　虽然矿山企业对信息化的认识与以往相比有了一定程度的提高，但与国家信息化建设要求的要利用信息化带动矿山等传统企业的发展尚有较大差距。在信息化项目建设上，各个矿山也相差很大，仅有那些效益好、规模大，市场观念和现代管理意识强的大中型矿山企业对信息化需求较为强烈[3]。

　　1.4 信息资源管理不够完善

　　目前，已有一部分企业虽然已经开通了企业内部通信网络，但绝大多数企业网站仅仅是网络的简单扩充上，并没有充分利用网络进行深层次的信息资源开发，缺乏共享的、网络化的信息资源，不能使企业内部及企业与客户之间的进行有效地信息沟通，直接影响企业的生存与发展。

　　2 dm的理念及功能体系研究

　　2.1 dm的涵义

　　dm是建立在数字化、信息化、虚拟化和集成化基础上的，由计算机网络管理的管、控一体化系统。它综合生产、经营、管理、环境、资源、安全与效益等各种因素，使企业在实施绿色采矿的条件下实现整体协调优化，以增强矿山企业在市场中的竞争能力和适应能力，其最终目标是实现矿山的高度信息化、自动化与高效率。

　　2.2 dm基本特点
　　dm具有以下六大特征：

　　2.2.1 应具备完善的企业数据传输网络。dm建设中的各种海量数据、模型的管理、应用与共享是通过网络来进行的，这就需要建立一个宽带、高速和双向的通讯网络平台，确保数据在矿山企业内外的高速传输，以利于矿山产品、经营等社会化信息在网上的快速传递，便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。

　　2.2.2 具备完整的矿业信息数据库及矿业应用模型，数字矿山的核心就是数据仓库。时空数据仓库、矿业应用模型等核心系统能够管理着矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息，管理着矿山工程、设计、生产、决策服务等重要环节，如：矿山开采沉陷设计、储量计算、瓦斯聚集程度模型等。

　　2.2.3 真三维地学模拟(3dgm)、各类数据挖掘工具等包装系统；3dgm和数据挖掘对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型，进行数据与模型的过滤和重组。

　　2.2.4 以测量(包括数字摄影测量、gps、大地测量及井下常规测量)、地球物理探测、遥感技术为综合手段来建立精确、全面的矿山综合信息数据采集与更新系统。

　　2.2.5 以采矿cad(mcad)、虚拟现实(vr)、仿真(cs)、 科学 计算(sc)、可视化(vs)、办公自动化等多技术高度集成[7]。采矿cad、虚拟现实、仿真、科学计算、可视化等系统，不仅能够对矿山井上的各种作业条件进行3d模拟，而且可以对井下的地质、地层分布情况进行准确的模拟与虚拟分析，还可以对即将下井作业的矿工进行虚拟的井下条件培训，提高他们的安全意识和工作效率。

　　2.2.6 建立完善的矿山gis系统。mgis作为现代矿山信息化办公与决策的公共平台，作为各类矿山软件集成和各类模型融合的公共载体，在矿山业务的全过程中起着决定性作用。面向21世纪dm的mgis系统应该是一个能为采矿业提供矿山信息组织管理、采矿模拟、空间分析与可视决策支持的真三维gis系统[4]。

　　.3 dm功能体系
　　2.3.1 矿井测量信息系统

　　矿区层面的矿井测量信息系统主要包括各矿测量报表和各种图纸的生成与更新，以及矿测资料的网络化管理。报表主要是指掘进巷道尺度报表；各种图纸包括采掘工程平面图、井上下对照图以及井下控制网展点图等。

　　2.3.2 矿井水文地质信息系统

　　主要包括：基础水文地质信息管理子系统、矿井涌水量计算和水害防治子系统、水化学信息管理子系统、矿区水资源评价与管理子系统等。

　　2.3.3 煤矿储量及资源回收信息系统

主要包括：煤层三维空间可视化模型建立、矿井储量基础库、矿井动态储量信息子系统、矿井储量分类统计报表的输出、矿井储量库数据管理与查询、矿井储量资源回收管理子系统等。

　　2.3.4 矿井生产自动化监测与控制系统

　　主要包括：综采工作面监控系统、胶带机监控系统、机电设备自动化系统。可根据煤矿的实际情况，采用有线、无线等多种方式建立各种监测、监控系统和通信系统，接入综合业务网。采集的井上/井下生产数据及地面各控制系统的实时数据拟采用 工业 以太网前沿传输技术，传递到相应的中央服务器或根据地域划分的应用服务器，能够实现地域调度和集团总体管理。

　　2.3.5 矿井宽带多功能移动通信系统的开发与应用

　　工作频率可根据需要，在4mhz带宽的范围内任意设定，多个信道自动扫描、自动分配，并在手机和基站上自动显示；与地面公用有线电话网和无线移动电话网联网；手机和基台的发射功率连续可调，满足各种不同矿井的不同需求，为今后的人员跟踪、机车跟踪、图像传输和井下寻呼系统提供技术平台和传输通道。

　　3 dm建设关键技术

　　3.1 dm建设总体技术体系

　　dm的实现与应用涉及gis、虚拟现实、网络、多媒体、数据库和海量数据存储等多种高新技术，集成应用是其实现的关键。因此，dm建设将是一个复杂的系统工程，需要一大批科技工作者和技术人员不断努力才能实现。依据dm的数据流程下图1列出了从数据获取、数据传输、数据存储、数据处理和数据共享等层面的dm总体技术框架。

　　3.2 以gis为平台的dm建设关键技术

　　基于dm建设的目标和主要内容，对现代先进技术进行集成创新，应完成以下关键技术的攻关，为不同的矿山企业做出符合国情、符合企业实际的基于gis的dm建设技术方案。

　　3.2.1 矿山空间数据库管理与数据挖掘技术

　　针对矿山数据信息的复杂性、海量性、不确定性和动态多源、多精度、多时相和多尺度性的特点，为统一管理和共享数据，必须研究一种新型的空间数据库管理技术，其中包括矿山数据的分类组织、分类编码、元数据标准、高效检索、快速更新与分布式管理。而为了从矿山海量的空间数据库中快速提取专题信息，发掘隐含 规律 ，认识未知现象和进行时空发展预测等，必须研究一种高效、智能、符合矿山思维的数据挖掘技术。矿山数据挖掘技术是指从海量的矿山数据中提取专题信息、发掘隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测的过程。这些规律和知识对矿山的安全、生产、经营与管理能发挥预测和指导作用，可以方便未经专门培训的用户和各业务部门工作人员共享和使用海量矿山信息。

　　3d地学建模即对测量、钻孔、物探、传感等数据集于一体进行真3d地学模拟和动态数据维护，对地层环境、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的3d可视化再现、模拟与分析。数字矿山涉及到地下及地上三维空间的动态变化问题。虚拟现实技术能够对整个地层环境及局部地质构造进行多维、多视角、多分辨率显示，对矿山能进行三维景观设计，对矿区生态环境的动态变迁能进行实时监测和时空模拟，对井下采场矿山压力显现及岩层移动能够根据一定的模型进行实时监测和动态仿真等，则整个矿山系统将成为一个布局合理、结构优化、安全、高产、高效的良性循环运作系统。

　　3.2.3 矿山3s(gis、gps、rs)、办公自动化(oa）综合集成技术

　　为实现全矿山、全过程、全周期的数字化管理、作业、指挥与调度，必须基于矿山gis对矿山信息统一管理与可视化表达，无缝集成自动化办公，并集成rs和gps技术，真正做到从数据采集、处理、融合、设备跟踪、动态定位、过程管理、调度指挥的全过程一体化。

　　3.2.4 矿山综合 网络 通讯技术

　　矿山井下智能化开采的目的是为了实现矿山生产的最优化，而在条件发生变化时维持最优产值是个连续优化过程，在此过程中必须考虑到各个相关因素。矿山井下实时、动态、海量数据的传输要求必须构建井下信息高速公路。矿山井上/井下综合通讯能够同时传输语音、图像、数据等各种信息，使语音、视频、数据三合一[6]。

　　4 应用实例
　　以gis为平台，在dm实现方面，一些信息化公司也作了大量工作。如：北京东方泰坦科技有限公司开发的titan（泰坦）空间信息基础平台软件[7]。该系统基于gis技术，建立了titan煤矿综合信息管理应用平台，提出了一个新的dm建设的解决方案。它整合了矿井监测数据，使决策者能够比较准确地了解井下的情况，实现了安全实时监控，同时实现了自动化办公和三维矿井虚拟，已在山西大阳煤矿系统中得到成功应用。

　　该系统总体框架由数据库及管理系统、煤矿应用服务平台和煤矿专业应用系统组成（如图2）。其中，专业应用系统在煤矿应用服务平台的支持下，实现矿井安全实时监控、安全生产管理、设备管理、矿图管理以及煤矿储量 计算 、突发事件处理辅助决策、三维矿井虚拟等子系统。

图2 系统总体框[12]

fig.2 the overall framework of system

　　5 结束语
　　我国矿山经历了从计划 经济 到市场经济的转变，到现在虽然有了一定程度的 发展 ，但还必须清醒地认识到现存的问题，以及与发达国家的dm建设存在的巨大差距。由于煤矿生产作业流程的动态性与复杂性，dm的建设必将是一个复杂的、长期的系统工程。应积极推广当代信息化技术在我国数字矿山建设中的应用，充分利用gis平台，加快基于gis技术的dm建设，化解矿山开采过程中的高风险、高危害因素，落实我国的资源开发政策，力保使我国资源开发进入一个可持续发展的良性循环，从而提高我国矿山在国际上的竞争力。

　　 参考 文献 ：
　　[1] 罗周全，古德生．矿山管理信息化发展战略问题研究[m]．北京： 中国 矿业出版社，1999．8(5)．

　　[2] 吴立新，殷作如，邓智毅，等．论21世纪的矿山——数字矿山[j]．煤炭学报，2000，25(4)：337～342．

　　[3] 张海波，周贤伟．矿山信息安全——我国矿山信息化的关键[d]．北京：北京科技大学，2006．

　　[4] 吴立新，齐安文，杨可明，等．矿山gis(t t-m gis2000)简介及其关键技术[j]．矿山测量，2001(1)：5～8．

　　[5] 段学军，顾朝林，甄峰，等．“数字城市”的概念、框架与应用[j]． 现代 城市研究，2001，88(3)：61～64．

　　[6] 王李管，曾庆田，贾明涛．数字矿山整体实施方案及其关键技术[d]．长沙：中南大学．

　　[7] 游珍．基于地理信息技术的“数字矿山”应用[eb/ol]/.