三維全息數(shù)字化礦山管理平臺(tái)系統(tǒng)在塔山礦的應(yīng)用實(shí)踐

張 興，宋選民

（1太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)大唐塔山煤礦公司，山西 大同 037001）

三維全息數(shù)字化礦山管理平臺(tái)系統(tǒng)在塔山礦的應(yīng)用實(shí)踐

張 興1，2，宋選民1

（1太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán)大唐塔山煤礦公司，山西 大同 037001）

為了提高塔山礦的煤炭生產(chǎn)與安全技術(shù)管理水平，與科研單位合作開發(fā)研制出適應(yīng)塔山礦的三維全息數(shù)字化礦山管理平臺(tái)，并在日常技術(shù)管理上進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。該平臺(tái)將開采的地理信息、實(shí)時(shí)安全監(jiān)控信息、生產(chǎn)調(diào)度信息、設(shè)備位置及開停運(yùn)轉(zhuǎn)信息、無線通訊及人員定位信息等全部融合到一個(gè)系統(tǒng)中，用于全礦的信息共享和生產(chǎn)決策。

數(shù)字化礦山；三維；管理平臺(tái)；塔山礦

1 塔山礦信息化建設(shè)存在問題

塔山礦的信息化建設(shè)在礦井基建期間開始起步，通過幾年的發(fā)展，目前仍處在滿足礦井現(xiàn)代化建設(shè)基本硬件系統(tǒng)要求的初始階段，既缺乏引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的高度、又缺乏滿足企業(yè)現(xiàn)代化管理橫向聯(lián)系的廣度、還缺乏提升企業(yè)管理文化底蘊(yùn)的深度。不僅沒有領(lǐng)先煤炭行業(yè)的發(fā)展，甚至在集團(tuán)內(nèi)部也喪失了優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)方式的礦山生產(chǎn)，無論在礦井設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)管理上，運(yùn)行成本過高，生產(chǎn)效率過低，這對(duì)煤炭企業(yè)在能源市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)礦山的數(shù)字化，將會(huì)大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，在能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)上占據(jù)主動(dòng)[1]。

現(xiàn)代化生產(chǎn)的礦山企業(yè)對(duì)于煤礦地質(zhì)的了解和掌握是提高煤礦生產(chǎn)效率和安全保障的重要條件，煤礦地質(zhì)工作的主要任務(wù)之一是根據(jù)巖礦樣品和地質(zhì)構(gòu)造編制準(zhǔn)確的鉆孔柱狀圖、剖面圖、平面圖等一系列圖件，為編制礦山生產(chǎn)計(jì)劃、礦山生產(chǎn)管理服務(wù)。但是二維圖件不僅空間上孤立的，信息之間無法銜接，對(duì)于一些空間分析和全空間數(shù)值模擬帶來困難，而且在生產(chǎn)者也難以對(duì)新圖件形成起輔助和指導(dǎo)作用，存在較大人為誤差，二維圖件制作過程也難以綜合利用地質(zhì)勘探和測(cè)量數(shù)據(jù)。隨著煤礦安全生產(chǎn)保障體系的提升完善，煤礦更迫切需要了解地下全空間的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)異常分布情況。同時(shí)，隨著近年來煤礦信息化工作的大力開展，各煤礦構(gòu)建了功能強(qiáng)大的基礎(chǔ)地學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便地查詢、查看各類不同時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)也僅僅處于被管理、難利用的“尷尬”境地，還無法對(duì)煤礦生產(chǎn)提供有效有利地實(shí)用價(jià)值[2]。煤礦也迫切需要一種方法能有效的利用好這些數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)，指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

2 三維全息數(shù)字化系統(tǒng)

該系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)，嚴(yán)格采用目前國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的全息化三維場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)，建立集大范圍三維地形地貌、礦山企業(yè)地表生產(chǎn)設(shè)施、三維地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存模型、井巷工程真實(shí)三維場(chǎng)景、所有管線設(shè)備真實(shí)位置和形貌等全要素一體化的顯示系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各類實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的三維呈現(xiàn)和實(shí)時(shí)顯示，通過該全息數(shù)字化礦山管理系統(tǒng)平臺(tái)的建立，可將真實(shí)的礦山企業(yè)“搬”到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，做到足不出戶即能對(duì)礦山地上、地下所有信息了如指掌，而且以身臨其境的視角關(guān)注和管理各類業(yè)務(wù)信息，切實(shí)解決礦山企業(yè)面臨的管理難題和技術(shù)瓶頸。

2.1 三維地理信息顯示與查詢

在本平臺(tái)系統(tǒng)中，能夠?qū)⑵髽I(yè)所處地理位置及其周邊地形、地貌清晰的展現(xiàn)出來，運(yùn)用不同類型的地理信息數(shù)據(jù)建立真實(shí)的三維地景，在三維場(chǎng)景中能夠可視化顯示廠（礦）區(qū)周邊縣、鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）、村行政區(qū)等相關(guān)信息，點(diǎn)擊查詢時(shí)被選中區(qū)域加亮或著色，同時(shí)閃爍顯示行政區(qū)域政府所在地，并突出顯示行政區(qū)域名稱及有關(guān)信息。礦壓三維模擬，井下巷布置，見圖1-圖2。

系統(tǒng)支持對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)剖切及對(duì)各巖層進(jìn)行定位查詢，將平時(shí)看不到的地下巖層、巷道、設(shè)備進(jìn)行直觀展示，便于日常業(yè)務(wù)中相關(guān)信息的查詢調(diào)閱以及搶維修時(shí)快速了解和掌握。

系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)地理信息查詢、標(biāo)繪等功能，用戶可以在三維場(chǎng)景下進(jìn)行道路、建筑物、區(qū)域等信息的標(biāo)繪，并可在二維界面下選中查看或標(biāo)繪信息，保證二、三維數(shù)據(jù)的無縫融合及實(shí)時(shí)共享。

2.2 空間量測(cè)及地測(cè)數(shù)據(jù)植入與管理

系統(tǒng)以空間地理信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)支持在三維場(chǎng)景中進(jìn)行針對(duì)地表起伏狀況的空間量測(cè)：如傾角、坡度、起伏變化等；支持地表直線距離、垂直距離、地表面積、投影面積測(cè)量，高度、坡度、北向夾角測(cè)量等，測(cè)量精度不低于原始數(shù)據(jù)的精度，且測(cè)量結(jié)果的顯示響應(yīng)時(shí)間≤10 ms。

系統(tǒng)提供針對(duì)地測(cè)科室地質(zhì)數(shù)據(jù)（礦界、地層、磷礦層、等高線、勘探線、鉆孔、斷層、陷落柱、積水區(qū)、保護(hù)煤柱和水文地質(zhì)等）管理的專業(yè)存儲(chǔ)機(jī)制，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。碳系煤層三維模擬，勘探線與鉆孔位置，見圖3、圖4。

通過建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，保證陷落柱、斷層、積水區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造的數(shù)據(jù)模型準(zhǔn)確，以及同其他外系統(tǒng)集成后的數(shù)據(jù)同步更新。

3 三維數(shù)字礦山系統(tǒng)的生產(chǎn)管理

1）在三維數(shù)字礦山系統(tǒng)，可提供綜采面、皮帶運(yùn)輸、裝車外運(yùn)等專用模塊，點(diǎn)擊相應(yīng)模塊即可在系統(tǒng)顯示生產(chǎn)運(yùn)行各環(huán)節(jié)的三維場(chǎng)景及實(shí)時(shí)作業(yè)狀況，包括不斷移動(dòng)的采煤機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤,采煤機(jī)周圍支護(hù)、前后運(yùn)輸機(jī)、煤壁，各種綜采設(shè)備與設(shè)施的工作參數(shù)等信息，皮帶運(yùn)行開停信息，實(shí)時(shí)裝車外運(yùn)信息。礦井管理決策者可通過對(duì)這些可視化信息的了解和掌握，快速地了解生產(chǎn)過程并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度管理。

2）現(xiàn)有各監(jiān)控信息系統(tǒng)的集成與融合。基于使用系統(tǒng)具有的開放通訊接口及通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)生產(chǎn)、安全等相關(guān)各系統(tǒng)進(jìn)行集成與融合，以便在煤礦生產(chǎn)的三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)查詢各個(gè)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)和具體工況信息。

該三維數(shù)字化礦山管理平臺(tái)系統(tǒng)集成有綜采監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員車輛定位系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦井壓風(fēng)系統(tǒng)、皮帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、瓦斯抽放系統(tǒng)、裝車外運(yùn)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等相關(guān)第三方子系統(tǒng)。

3）井下交通信息管理。該系統(tǒng)能夠整合井下機(jī)車運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，宏觀地屏顯礦井無軌膠輪車的當(dāng)前位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（?；騽?dòng)）。系統(tǒng)提供車輛綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成接口，能夠?qū)Ω黝愜囕v運(yùn)行狀態(tài)、位置信息、載人載貨信息、調(diào)度指令等進(jìn)行跟蹤和定位顯示，結(jié)合巷道的路由計(jì)算，對(duì)井下所有安裝了定位芯片的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤和位置記錄，實(shí)現(xiàn)人員與車輛定位的雙重監(jiān)測(cè)；同時(shí)結(jié)合井下無線通訊系統(tǒng)，可以有效地提高礦井車輛人員調(diào)度指揮的實(shí)時(shí)性和有效性。

4）全息化礦井應(yīng)急預(yù)案處置與管理。針對(duì)煤礦開采生產(chǎn)中涉及的數(shù)量巨大的應(yīng)急預(yù)案，該系統(tǒng)可以制作生成預(yù)案處理事件的樹狀結(jié)構(gòu)圖，按照事故發(fā)生后的處置過程來提示每一個(gè)關(guān)鍵步驟的執(zhí)行者和參與者。事件處理結(jié)構(gòu)圖中，每一個(gè)事件框，關(guān)聯(lián)了主要的參與人員角色及電話號(hào)碼，也能通過事件的引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)來查詢建議的處置內(nèi)容和預(yù)案要求，給應(yīng)急處置人員提供可選擇的決策參考。

該系統(tǒng)通過對(duì)預(yù)案處理結(jié)構(gòu)的分析，提供相應(yīng)的預(yù)案制作模板，方便煤礦用戶根據(jù)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)案制作模板制定各種應(yīng)急預(yù)案，并進(jìn)行分類保存，實(shí)現(xiàn)預(yù)案的分類結(jié)構(gòu)管理和模板細(xì)化管理；系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)預(yù)案的版本更新管理和快速的更新維護(hù)，方便迅速地調(diào)用相關(guān)預(yù)案，提高應(yīng)急預(yù)案的實(shí)際利用效率。借助全息化數(shù)字礦山管理平臺(tái)系統(tǒng)，授予權(quán)限的相關(guān)部門人員可以迅速將分類好的預(yù)案，按照企業(yè)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行評(píng)審、發(fā)布，并可將評(píng)審意見進(jìn)行過程化精細(xì)管理。

4 結(jié)論

1）全息化數(shù)字化礦山管理平臺(tái)是一種全新的礦山信息化管理技術(shù)手段，該平臺(tái)依托世界領(lǐng)先的3D-GIS技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，通過構(gòu)建一體化的三維可視化平臺(tái)，將礦山地形地貌、地表設(shè)施、井巷工程、礦體圍巖等客觀空間構(gòu)造，在平臺(tái)系統(tǒng)中真實(shí)再現(xiàn)，同時(shí)將各類實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、人員信息、管理信息等植入系統(tǒng)，從而構(gòu)建成能真實(shí)反映企業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)的三維數(shù)字化礦山；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)不同層級(jí)、不同部門的業(yè)務(wù)需求，定制相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能，為企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理提供可視化的信息支持。

2）通過三維全息數(shù)字化礦井的建立，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建數(shù)字化礦山，以信息化、自動(dòng)化和智能化帶動(dòng)礦區(qū)的創(chuàng)新發(fā)展，開創(chuàng)安全、高效、高產(chǎn)、綠色和可持續(xù)的煤炭企業(yè)發(fā)展新模式，是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。三維全息數(shù)字化礦山管理系統(tǒng)是一個(gè)高效、便捷的一體化平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)通過地上、地下漫游，全方位、立體化、多角度的展示數(shù)字礦山；能夠?qū)Φ貙印⑾锏?、鉆孔等的任意剖切查看，以及管理地質(zhì)地測(cè)數(shù)據(jù)；能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度信息管理、安全監(jiān)管監(jiān)控等；能夠用于企業(yè)形象展示、可視化生產(chǎn)調(diào)度管理、預(yù)警預(yù)測(cè)、輔助決策分析等業(yè)務(wù)；能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和管理水平，可以實(shí)現(xiàn)煤礦的科學(xué)化、現(xiàn)代化管理，保障煤礦安全高效生產(chǎn)，提高煤炭行業(yè)的科技發(fā)展水平。

[1]車仁浦.神華新街礦區(qū)三維數(shù)字化管理平臺(tái)的建設(shè)研究[J].中國(guó)煤炭,2012（7）：148-149

[2]薛志剛.煤礦信息化建設(shè)的研究與思考[J].山東煤炭科技,2013（3）：276-277.

Practice of 3D Hologram Digital Mine Management Platform in Tashan Mine

ZHANG Xing1,2,SONG Xuanmin2
(1.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Datang Tashan Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China)

To improve the level of coal production and safety management in Tashan mine,3D hologram digital mine management platform for Tashan Mine was developed through the cooperation with a research institute.The platform has been put into routine technological management.The system integrates mining geographic information,real-time safety monitoring information,production scheduling information, device position and operational information,and wireless communication and personnel position information,which is helpful for information sharing and production decision in the mine.

digital mine;three-dimension;management platform;Tashan Mine

TD67

A

1672-5050（2015）01-0070-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.023

（編輯：薄小玲）

2014-10-30

張興（1982-），男，山西大同人，在讀工程碩士研究生，工程師，從事礦山機(jī)電技術(shù)與管理工作。