基于信息處理的感知礦山可視化管理平臺(tái)研究

譚章祿，方毅芳

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）管理學(xué)院，北京100083）

我國煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)存在感知手段單一、缺乏高速傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)共享薄弱等問題。針對(duì)上述問題，感知礦山逐漸發(fā)展成為礦山管理的研究潮流。

1 感知礦山可視化管理平臺(tái)概述

1.1 感知礦山系統(tǒng)

感知礦山通過物聯(lián)網(wǎng)為主的感知技術(shù)，將礦山地理地質(zhì)、礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)、安全管理等的綜合信息全面數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)礦井、礦區(qū)的全面覆蓋，對(duì)礦山的人（人員定位、無線通信）、設(shè)備（綜合自動(dòng)化）、環(huán)境（安全監(jiān)控、礦壓監(jiān)控等）全面感知，動(dòng)態(tài)詳盡地描述并控制礦山安全生產(chǎn)與運(yùn)營的全過程。感知礦山包括如下特征：①實(shí)時(shí)性：對(duì)礦區(qū)人員、設(shè)備、活動(dòng)及環(huán)境的全面感知；②全面性：以下一代通信網(wǎng)絡(luò)（NCN）、無線傳感網(wǎng)為渠道，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)人－物信息的互聯(lián)互通；③聯(lián)動(dòng)性：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能分析和系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)管控；④生動(dòng)性：提供面向服務(wù)對(duì)象的、直觀地信息。

1.2 問題的提出

結(jié)合感知礦山特征與礦山管理中的諸多弊端，概括出感知礦山建設(shè)的限制因素包括：①存在感知盲點(diǎn)，缺乏覆蓋礦井的感知網(wǎng)絡(luò)，無法保證礦井安全生產(chǎn)的全面性需求；②數(shù)據(jù)傳輸缺乏及時(shí)性，系統(tǒng)仍很大程度上需要手工錄入，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析功能；③綜合自動(dòng)化各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)與信息融合，應(yīng)用層面缺乏智能性。

2 感知礦山可視化管理平臺(tái)的作用分析

2.1 可視化管理平臺(tái)的內(nèi)涵

可視化管理的發(fā)展與可視化技術(shù)息息相關(guān)，隨技術(shù)的發(fā)展可視化管理的內(nèi)涵外延不斷擴(kuò)大。感知礦山建設(shè)融合可視化管理的管理模式與技術(shù)，即建立感知礦山可視化管理平臺(tái)，主要包括科學(xué)計(jì)算可視、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化、知識(shí)可視化四個(gè)逐步深入的管理內(nèi)涵。

1）傳統(tǒng)可視化管理，其主要思想為通過視覺反應(yīng)機(jī)制使管理者準(zhǔn)確、迅速地掌握信息。通過符號(hào)、圖形圖像等直觀的表現(xiàn)方式，對(duì)井下工作現(xiàn)場的設(shè)備擺放、操作流程等工作內(nèi)容進(jìn)行規(guī)范管理，如全面看板管理、現(xiàn)場管理等；運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等，將礦井感知終端獲終的信息轉(zhuǎn)換為圖像，并在遠(yuǎn)程終端展示。

2）科學(xué)可視化管理，將感知礦山各個(gè)管理對(duì)象的屬性值抽取和表達(dá)，并轉(zhuǎn)換成圖形、圖像、音頻進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和信息交互處理，發(fā)現(xiàn)信息中管理者需要的隱含的關(guān)聯(lián)與規(guī)律。

3）智能可視化管理，面向礦山管理中非空間維度的抽象信息（如不同監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的邏輯聯(lián)系），轉(zhuǎn)化為可視形式加以觀察、分析，提高礦井不同管理系統(tǒng)間的信息聯(lián)動(dòng)性和數(shù)據(jù)利用效率。

4）卓越可視化管理，通過人工智能（AI）及知識(shí)發(fā)現(xiàn)（KDD）技術(shù)，推動(dòng)管理體制和方法的改革和創(chuàng)新，使系統(tǒng)進(jìn)化成為一個(gè)不斷自我學(xué)習(xí)、自我完善的可視化管理模式。

可視化管理平臺(tái)遵循了信息從實(shí)時(shí)采集與傳遞、隱性信息顯性化、數(shù)據(jù)邏輯加工、人工智能的發(fā)展路線，在信息的實(shí)時(shí)傳輸、智能處理方面的功能不斷增強(qiáng)。

2.2 可視化管理平臺(tái)的信息作用機(jī)制

感知礦山系統(tǒng)通過泛在感知網(wǎng)絡(luò)將各礦井自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)合一體，對(duì)各系統(tǒng)、各管理層面的海量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析與處理。結(jié)合認(rèn)知科學(xué)中的加涅符號(hào)加工理論與 “瓶頸”理論，將感知礦山可視化管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析處理過程視為一個(gè)不間斷的信息加工系統(tǒng)，其作用機(jī)制見圖1。

圖1 可視化管理平臺(tái)的信息作用機(jī)制圖

如圖1所示，該信息加工系統(tǒng)基本原理如下。

1）對(duì)外部環(huán)境（礦井、礦區(qū)）的認(rèn)知反饋即為與外部環(huán)境不斷交互的信息加工過程，由感受器、效應(yīng)器、加工器、記憶與神經(jīng)傳統(tǒng)組成的。感受器（感知設(shè)備終端）接收外界信息進(jìn)行感覺登記，完成符號(hào)編碼。

2）神經(jīng)傳導(dǎo)（泛在感知網(wǎng)絡(luò)）負(fù)責(zé)信息在各反應(yīng)機(jī)器間傳輸，在信號(hào)傳輸過程中進(jìn)行衰減控制與選擇過濾的作用。

3）加工器（礦井各自動(dòng)化系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫）對(duì)信息進(jìn)行解碼、存儲(chǔ)、復(fù)制、短時(shí)記憶等初級(jí)認(rèn)知加工，并將信息處理結(jié)果集中匯總至記憶—反應(yīng)器（可視化管理平臺(tái)）。

4）記憶—反應(yīng)器對(duì)信息進(jìn)行深層的加工分析（數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)管理），挖掘不同信息及其間的的深層內(nèi)涵，同時(shí)將處理結(jié)果再次傳輸給加工器進(jìn)行再編碼。

5）各子系統(tǒng)將加工指令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸，觸發(fā)各子系統(tǒng)下的感知設(shè)備等效應(yīng)器執(zhí)行反饋結(jié)果。

感知礦山面向礦山安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理等方方面面的數(shù)據(jù)，它們構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)的信息池，信息加工系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)都以符號(hào)結(jié)構(gòu)完成輸入、輸出、轉(zhuǎn)化。

2.3 可視化管理平臺(tái)的建設(shè)關(guān)鍵

感知礦山管理需要面對(duì)來自各生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、經(jīng)營管理部門的海量數(shù)據(jù)，管理者需要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力分析、過濾數(shù)據(jù)，從信息池中尋找到有用、有效的信息。而不同層級(jí)、職能的管理者對(duì)需求有效信息的類別不同，對(duì)信息的理解角度、程度也不同。Cavanaugh（1972）通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了認(rèn)知過程中，不同信息材料性質(zhì)或符號(hào)類型的信息加工速度與記憶容量的數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同類別信息符號(hào)的加工速率與記憶容量對(duì)比（Cavanaugh）

由表1可得，對(duì)不同性質(zhì)的信息，加工速率隨記憶容量的增大而提高，由于不同信息刺激的加工時(shí)間與其表達(dá)的平均特征數(shù)量成正比，平均特征數(shù)量大的信息類型需要的加工時(shí)間更長，所需記憶容量更大?？梢远x，不同信息類型的加工理解速度為S，記憶容量為Q，信息表示的特征數(shù)量為C，信息加工的有效時(shí)間為T，對(duì)比第i種與第j種信息類型的加工結(jié)果（分別有α與β個(gè)信息特征）。

在管理者個(gè)人既定的認(rèn)知水平下，不同信息的表達(dá)特征數(shù)量比R（c）與有效加工時(shí)間比R（t）之間，若R（c）＞R（t），即等比時(shí)間內(nèi)第i種信息比第j種信息可以表達(dá)多的信息特征，這樣利用第i種可視化管理的表達(dá)與加工方式就是有助于人們更迅速、更有效地理解信息。以數(shù)字／隨機(jī)圖形的信息類型為例，由表得有效加工時(shí)間比R（t）為0.98，而隨機(jī)圖形除了表達(dá)數(shù)字信息的“數(shù)值大小”信息特征外，還可以表達(dá)對(duì)趨勢(shì)、對(duì)比判斷、完成度等信息特征，數(shù)據(jù)挖掘與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的融合還可以表示更多維度的信息表征，R（c）遠(yuǎn)大于R（t），圖形可以比數(shù)字更有效地實(shí)現(xiàn)管理者的需求。

由此，感知礦山可視化管理平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵在于充分發(fā)掘數(shù)據(jù)特征，迅速準(zhǔn)確地完成效用分析，且信息加工結(jié)果、人機(jī)交互過程需要“智能”地體現(xiàn)人的管理需求偏好。通過人工智能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，尋找感知礦山中各個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和隱形內(nèi)涵，借助圖形渲染、組態(tài)等技術(shù)完成可視化展示，提高了感知礦山信息的易解程度、準(zhǔn)確性。

3 感知礦山可視化管理信息平臺(tái)的建設(shè)

3.1 感知礦山可視化管理平臺(tái)的框架構(gòu)建

礦山的感知管理需要面對(duì)開拓、掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、排水、洗煤、供電、通風(fēng)、安全、通信、計(jì)劃經(jīng)營、銷售、人員管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)，涉及設(shè)備、人員、環(huán)境、電力、巷道等一萬多個(gè)管理對(duì)象，每天產(chǎn)生。根據(jù)前文闡述的信息加工機(jī)制原理和可視化管理內(nèi)涵，構(gòu)建了如圖2所示的感知礦山可視化管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)從信息源采集數(shù)據(jù)到信息終端接受系統(tǒng)反饋包括四個(gè)緊密聯(lián)系的處理層。

3.1.1 感受器與效應(yīng)器——數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)將感知終端的現(xiàn)場實(shí)況信息進(jìn)行記錄，具體包括智能儀表、視頻攝像、水位計(jì)、錄音設(shè)備、運(yùn)輸定位、物料二位碼、煤倉料位計(jì)、遠(yuǎn)程產(chǎn)量控制、采掘控制、變電、人員定位、通風(fēng)、瓦斯和風(fēng)速等相關(guān)的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及相關(guān)的傳感器、執(zhí)行器、讀卡器、紅外感應(yīng)器、激光掃描器和探測(cè)器等。

3.1.2 神經(jīng)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)——泛在感知網(wǎng)絡(luò)

泛在感知網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸功能，主要由千兆工業(yè)以太網(wǎng)、交換機(jī)、路由器、IP電話、網(wǎng)關(guān)、接口、信號(hào)發(fā)射器和天線等組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和短時(shí)儲(chǔ)存。

數(shù)據(jù)采集層與泛在感知網(wǎng)絡(luò)層中，系統(tǒng)中間件、系統(tǒng)接口結(jié)束、通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)、編碼和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等是支持該兩層信息處理功能運(yùn)作的輔助技術(shù)。

3.1.3 加工器——數(shù)據(jù)中心與各子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心將網(wǎng)絡(luò)傳輸來的信息統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)并編輯為一定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，再提供給數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的功能子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)立方體、數(shù)據(jù)匯集和整合、數(shù)據(jù)挖掘、可視化抽象和可視化映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、整合、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)可視化抽象和映射轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的快速、安全的整合和信息的可視化，為客戶提供所需求信息和知識(shí)。各子系統(tǒng)包括生產(chǎn)管理、安全調(diào)度、經(jīng)營決策、成本控制、人事管理等礦山各個(gè)管理層面的內(nèi)容。

3.1.4 記憶－反應(yīng)——可視化管理平臺(tái)

可視化管理平臺(tái)層將下層各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與可視化展現(xiàn)，借助數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)隱形管理內(nèi)涵顯性化的轉(zhuǎn)化，并通過各子系統(tǒng)集成平臺(tái)將發(fā)出的管理指令在各子系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)管理。

由于不同應(yīng)用層面的系統(tǒng)面對(duì)不同的管理對(duì)象與管理環(huán)境，系統(tǒng)之間運(yùn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，因此在可視化管理平臺(tái)中，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、信息標(biāo)準(zhǔn)的制定、子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與可視化平臺(tái)之間的接口技術(shù)，這些都是提升可視化管理平臺(tái)數(shù)據(jù)共享、聯(lián)動(dòng)的重要內(nèi)容?？梢暬芾砥脚_(tái)在子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖元管理要素本體之間建立映射模型，為此問題提供了有效解決途徑。

圖2 感知礦山可視化管理平臺(tái)系統(tǒng)總體框架

3.2 VOFAR信息處理模型

感知礦山可視化管理平臺(tái)的建設(shè)關(guān)鍵為如何對(duì)礦山管理中的海量信息進(jìn)行篩選，提取復(fù)核管理需求、具備可視化價(jià)值（表達(dá)更多信息特征）的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘從中尋找所需的管理內(nèi)涵并實(shí)現(xiàn)可視化表達(dá)。結(jié)合面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘RDV模型（周寧）和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等，可以構(gòu)建適于礦山管理特點(diǎn)的可視化管理平臺(tái)的VOFAR數(shù)據(jù)模型，該模型共分為五個(gè)要素。

3.2.1 管理對(duì)象（Objects）

礦山管理覆蓋人財(cái)物、產(chǎn)供銷等各個(gè)方面活動(dòng)，從應(yīng)用性、管理需求度的維度分析管理對(duì)象信息特征的復(fù)雜程度，確定可視化管理的對(duì)象集合Oi｛O1，O2，O3……On｝。

3.2.2 管理屬性（Attributes）

每個(gè)管理對(duì)象擁有許多屬性，主要屬性決定管理對(duì)象的主要性質(zhì)。通過主成分分析、聚類分析和專家診斷，篩選出反應(yīng)對(duì)象性質(zhì)的重要屬性，比如井下電力設(shè)備引起故障和安全問題的主要屬性有電流、電壓、負(fù)荷、噪音、振動(dòng)等，并由此確定管理屬性特征向量Aα（Aα1，Aα2，Aα3……Aαn），其中α＝1，2，……n。同一個(gè)管理對(duì)象在不同應(yīng)用范疇的中具有不同的主屬性，這種管理屬性的多元性是數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。

3.2.3 原始數(shù)據(jù)（Raw materials）

根據(jù)確定的管理屬性，從各子系統(tǒng)和感知終端采集數(shù)據(jù)初始值Rα（Rα1，Rα2，Rα3……Rαn）。依據(jù)數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)接口協(xié)議與數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系、變化、主要特征等數(shù)據(jù)特征關(guān)系完成原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、整合、語義轉(zhuǎn)換，建立管理屬性與數(shù)據(jù)特征之間的關(guān)聯(lián)集合，整理后的原始數(shù)據(jù)可以向各模塊功能提供所需的管理對(duì)象特征的數(shù)據(jù)集合｛Aα，Dα｝｛（Aα1，Dα1），（Aα2，Dα2），（Aα3，Dα3）……（Aαn，Dαn）｝。

3.2.4 可視化管理功能（Functions）

根據(jù)管理屬性與數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)集合，考慮管理對(duì)象在常態(tài)、異常、緊急狀況下的數(shù)據(jù)特征，和體現(xiàn)管理對(duì)象運(yùn)行狀況的關(guān)鍵指標(biāo)變化傾向，歸納數(shù)據(jù)的變化規(guī)律并從中發(fā)掘隱藏的管理功能，如運(yùn)行狀態(tài)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)等。

3.2.5 管理功能與可視化表達(dá)方式的映射關(guān)系（Visulization）

從時(shí)間維度、空間維度、邏輯維度、圖元類別進(jìn)行劃分，建立數(shù)據(jù)可視化表達(dá)方式與數(shù)據(jù)特征的映射模型Vα（Vα1，Vα2，Vα3……Vαn），通過映射模型可以將任一數(shù)據(jù)特征Dα映射為某種可視化表達(dá)圖元或方式，從而通過Oi→Aα→Dα→Vα實(shí)現(xiàn)了可視化管理對(duì)象屬性與可視化管理表達(dá)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

信息提?。ǜ兄V山設(shè)備終端——可視化管理平臺(tái)）：基于面向管理對(duì)象的思想對(duì)礦山管理對(duì)象進(jìn)行選擇與分析，圍繞管理需求篩選、確認(rèn)管理要素需要被可視化的管理屬性，并采集屬性相關(guān)的原始數(shù)據(jù)。同時(shí)，借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)析取其中的有用信息，根據(jù)所需的管理功能，采用可視化技術(shù)建立數(shù)據(jù)圖元與管理需求的映射管理，最終將可視化圖片圖像、視頻等可視化表達(dá)方式向管理者展現(xiàn)。

信息反饋（可視化管理平臺(tái)——感知礦山設(shè)備終端）：管理者利用可視化管理平臺(tái)獲取感知礦山管理各層面信息進(jìn)行管理決策，可視化平臺(tái)通過數(shù)據(jù)與管理需求的映射管理將管理需求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)指令，進(jìn)而對(duì)管理屬性的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而最終將管理需求作用于管理對(duì)象。同時(shí)，再次經(jīng)由信息提取過程將工作結(jié)果反饋至可視化管理平臺(tái)的管理人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)管理過程與結(jié)果的管控。

4 建設(shè)感知礦山可視化管理平臺(tái)的意義

1）感知礦山可視化管理平臺(tái)從礦山實(shí)際管理要求出發(fā)，對(duì)井上、井下重要環(huán)節(jié)及數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視監(jiān)控、預(yù)防預(yù)警、反饋管理信息和技術(shù)信息，并進(jìn)行可視化展現(xiàn)，提升礦井管理的現(xiàn)場管控能力。

2）感知礦山可視化管理平臺(tái)擁有覆蓋全面礦區(qū)的泛在感知網(wǎng)絡(luò)，精確感知生產(chǎn)安全、經(jīng)營管理各節(jié)點(diǎn)方面信息，實(shí)現(xiàn)人員和生產(chǎn)過程的全面驚喜管理，提高安全生產(chǎn)和資源利用率。

3）感知礦山可視化平臺(tái)集成了礦井生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化各系統(tǒng)各功能的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的人財(cái)物、產(chǎn)供銷等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享與分析，利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息的聯(lián)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與設(shè)備之間的操作聯(lián)控、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程維護(hù)，提高系統(tǒng)智能化管理水平。

4）感知礦山可視化平臺(tái)面向煤炭企業(yè)不同管理層級(jí)的需求，通過數(shù)據(jù)挖掘建立數(shù)據(jù)與管理功能的映射管理與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)關(guān)系模型，定位相應(yīng)管理層次、管理職位后對(duì)其所關(guān)心的管理信息、關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)分析和主動(dòng)“推送”，提高可視化管理模式下對(duì)管理者偏好的表現(xiàn)和執(zhí)行程度。

5 結(jié)論

本文從信息處理角度闡述了感知礦山可視化管理平臺(tái)的作用機(jī)制，并探索了可視化管理平臺(tái)的構(gòu)建方法與信息加工模型?？梢暬芾砥脚_(tái)有助于解決現(xiàn)今礦山管理日益突出的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)管控薄弱與管理者認(rèn)知滯后的問題，實(shí)現(xiàn)感知礦山實(shí)時(shí)性、全面性、智能性、認(rèn)知性的需求。

［1］張申，趙小虎.論感知礦山物聯(lián)網(wǎng)與礦山綜合自動(dòng)化［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（1）：83－91.

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