基于二三維與全景一體化的數字礦山綜合管理平臺研究與應用*

疏禮春

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，1000133.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

基于二三維與全景一體化的數字礦山綜合管理平臺研究與應用*

疏禮春1,2,3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，1000133.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對當前數字礦山綜合管理平臺多采用三維建模方式實現礦山場景及監(jiān)測監(jiān)控數字化現狀，提出了基于二三維與全景一體化的數字礦山三維綜合管理平臺，介紹了該平臺的架構、功能以及關鍵技術，最后闡述了該平臺在王坡煤礦的實際應用情況。實際應用表明，該平臺實現了礦山企業(yè)減人增效和提升安全的效果。

數字礦山 二三維與全景一體化 綜合管理平臺 數據融合

近年來，二三維GIS在數字礦山系統建設中有著廣泛的需求和應用前景。數字化礦山的核心任務是建立統一的礦山時空框架，整合各類礦山數據資源，建立數字化的礦山空間數據倉庫和集成化的礦山實景三維空間模型，關聯礦山各類軟件系統與數據流程，為礦山設計、生產作業(yè)、安全管理、應急救援等提供基礎平臺和決策支持。

利用二三維地理信息系統和全景系統作為支撐工具，構建二三維與全景一體化的數字礦山綜合管理平臺，將礦山地形地貌、地表設施、井巷工程、礦山地質等空間構造在平臺中真實再現，同時將礦山監(jiān)測監(jiān)控、生產自動化、風險預控、生產調度管理、地測管理等系統的實時和動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控數據、生產數據、設備信息、人員信息、管理信息等植入平臺，從而構建成能真實反映煤礦復雜生產環(huán)境和狀態(tài)的實景三維數字礦山，實現動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、信息跟蹤、多系統互聯互動和數據融合分析等功能，為礦井的日常監(jiān)測監(jiān)控以及調度管理提供信息支撐，各專業(yè)部門能夠通過綜合管理系統獲取本部門所有與安全生產有關的信息，在突發(fā)事件下為決策者提供全面的應急決策信息支持，最大程度地降低發(fā)生事故的概率和減少事故造成的損失。

1 數字礦山綜合管理平臺架構設計

數字礦山綜合管理平臺架構包含數據資源層、數據中心層以及平臺功能層3層，其架構圖如圖1所示。

1.1 數據資源層

該層為平臺提供數據源的4類系統，包括監(jiān)測監(jiān)控類系統、生產自動化類系統、安全生產管理類系統、地測類系統。通過制定的煤礦監(jiān)測監(jiān)控異構系統集成規(guī)范，利用TXT或XML文件作為數據接口，平臺能夠實時動態(tài)采集各類監(jiān)測監(jiān)控系統數據；通過OPC接口方式，平臺能夠實時動態(tài)采集生產自動化類系統數據。通過ODBC接口方式，平臺實時采集安全生產管理類、地測類系統數據。

圖1 基于二三維與全景一體化的數字礦山綜合管理平臺架構圖

1.2 數據中心層

該層主要包括實時數據庫、關系數據庫以及空間數據庫，開發(fā)針對各類系統的數據采集及解析軟件，通過OPC方式采集的數據存入實時數據庫，TXT或XML文本文件數據存入關系數據庫，井上和井下空間三維建模及全景影像數據存入空間數據庫，數據中心層可對煤礦上級單位提供多種形式的數據接口。

1.3 平臺功能層

該層以二三維地理信息系統和全景系統為支撐工具，開發(fā)了礦區(qū)地理信息三維可視化、安全生產監(jiān)測預警、多系統聯動、數據融合分析等功能模塊。整個平臺可供調度室集中監(jiān)測監(jiān)控和生產調度管理使用，同時可通過權限管理給各個專業(yè)部門提供所關注的信息，還可以與其他生產設計和經營管理類系統互聯互通。

2 數字礦山綜合管理平臺數據中心

數字礦山綜合管理平臺的數據中心建設包括信息采集與處理系統、存儲生產自動化類系統的實時數據庫、存儲監(jiān)測監(jiān)控類和管理類系統的關系數據庫以及存儲模型文件的空間數據組成。

2.1 實時動態(tài)數據采集與處理

信息采集與處理軟件主要包含基于文件、OPC、ODBC三種方式的數據采集與處理軟件。采用文件交換方式采集礦山安全監(jiān)控、人員定位、產量監(jiān)控、頂板壓力等監(jiān)測監(jiān)控系統數據；采用OPC方式采集綜采監(jiān)控、帶式輸送機監(jiān)控、主副井提升監(jiān)控、供電監(jiān)控、洗煤廠監(jiān)控等生產自動化系統數據；采用ODBC方式采集風險預控、生產調度、地測等管理系統數據，監(jiān)測監(jiān)控、生產管理、地測系統數據解析后進入數據中心關系數據庫，生產自動化系統數據解析后進入數據中心實時數據庫，三維模型數據直接存入空間數據庫。整個信息采集與處理過程包括數據讀取、傳輸、接收、存儲、緩存、安全等環(huán)節(jié)。

(1)數據讀取。信息采集與處理軟件實時監(jiān)視煤礦各個系統按照數據集成規(guī)范提供的接口數據，并對數據進行格式校驗和錯誤檢查，而后交由數據上傳模塊進行發(fā)送。

(2)數據傳輸。采用高效的網絡異步通信技術對實時采集的數據進行傳輸，傳輸模塊重點考慮時間同步性和斷點續(xù)傳。當數據讀取模塊發(fā)現有數據來源，立即把這些數據通過網絡發(fā)送至數據接收模塊。

(3)數據接收。數據接收是采集數據的關鍵環(huán)節(jié)，在數據接收模塊需要重點考慮數據的并發(fā)處理能力和高效性，采用多線程的并發(fā)數據處理模式。數據接收模塊收到數據后按照數據集成規(guī)范進行解析，然后采用批量方式集中寫入到數據中心各對應的數據庫中。

(4)數據存儲。數據存儲采用能大規(guī)模響應的網絡數據庫，從各個系統采集過來的數據會安照一定的規(guī)則存儲到數據庫中，重要數據會存儲5年以上，為了節(jié)省存儲空間，采集軟件會把一些過期或無用的數據定期進行自動清理以加快系統的運行速度。

(5)數據緩存。數據傳輸時具有數據緩存能力，能夠保證不會因通訊故障等原因而導致數據的中斷或丟失。

(6)數據安全。數據在傳輸過程中采用加密機制，防止數據被篡改對系統存在潛在威脅或攻擊。

2.2 靜態(tài)數據采集與處理

靜態(tài)數據主要包括井上井下全景影像數據、圖紙文檔數據以及三維模型數據等。全景影像數據采集包括地面影像數據采集和井下影像數據采集，地面采用背包式全景采集相機進行采集，根據礦山工業(yè)廣場平面圖事先規(guī)劃采集點，采集點主要布置在礦區(qū)的道路上，采用GPS坐標進行采集點的定位工作。由于井下無GPS信號，巷道全景影像數據采集采用坐標基點的方式，然后在自主研發(fā)的三輪車上安裝里程計，采用定點的方式進行采集。工作面、掘進頭及硐室等采用三腳架全景相機的方式采集。采集完的全景影像數據，采用自主研發(fā)的數據生產軟件進行全景影像與地面坐標點的匹配數據生產工作。圖紙文檔及三維模型數據采用FTP方式直接上傳到對應的數據庫存儲即可。

3 數字礦山綜合管理平臺功能設計

數字礦山綜合管理平臺通過融合礦區(qū)的地理信息、井上井下場景、地質體及動態(tài)監(jiān)測數據等多維度信息，進行統一的動態(tài)監(jiān)測，實時動態(tài)感知礦山安全生產態(tài)勢，主要功能模塊如下：

3.1 礦區(qū)地理信息三維可視化模塊

該模塊通過加載礦區(qū)高精度地形數據，將礦區(qū)地形地貌、礦區(qū)所處地理位置及其周邊地形地貌清晰再現，融合交通道路、河流、植被、村莊等，可為礦區(qū)后期的整體規(guī)劃、設計和維護提供基礎地理數據。在礦區(qū)地形圖上顯示礦界以及井下采掘圖在地面的逆投影，從地面就可以看出井下巷道的布置、采空區(qū)、工作面等位置，為礦區(qū)的規(guī)劃設計提供決策參考。通過井上井下對照，可以查詢出井下任意巷道位置對應地表的垂直位置坐標，為井下救援打孔時定點定位提供支持。

3.2 井上井下場景三維可視化模塊

該模塊基于礦區(qū)現有的地面工業(yè)廣場圖紙，整合現場采集的數字化信息，構建實景三維礦區(qū)場景，工業(yè)廣場以及井上井下設施等均按照實體建模，井上井下重要位置用三維實景的形式呈現。該模塊提供場景編輯和維護功能，用戶可以根據需要調整設備位置、添加新設備、更新掘進巷道和回采工作面位置等，對照井下生產進度來調整場景保持對應一致。

3.3 礦山地質體三維可視化模塊

該模塊通過對礦山現有勘探、鉆孔、采掘工程、水文地質等地學數據進行整合分析，生成三維地形、地學構造、煤層空間拓撲專題數據，結合地質學算法擬合生成實景三維礦體和地質構造模型；用戶可在地表上任意地點剖切查看地下的巖層和煤層構造等，以分層抽取方式展現煤層和巖層等地質層次，并能夠可視化展示陷落柱、積水區(qū)、斷層、地質瓦斯含量等地質構造位置及空間分布，并可查詢井下任意位置周邊存在的陷落柱和積水區(qū)等地質構造，對在該區(qū)域進行掘進和回采作業(yè)的班組進行預警提示。

3.4 安全生產動態(tài)監(jiān)測預警模塊

該模塊通過對礦山標準化數據集成規(guī)范，將現有系統的數據和信息從不同的專業(yè)系統和不同的應用平臺進行整合，同步提取各系統中實時動態(tài)監(jiān)測數據以及隱患報警數據，具有監(jiān)測點數據大幅度變化預報警提示功能。結合數據顯示和定位等服務功能，在監(jiān)測點報警的同時能快速定位到報警位置以及周邊三維場景，并自動觸發(fā)對該隱患信息相關聯的信息，逐項排查，確定問題發(fā)生的原因，實現隱患數據的綜合監(jiān)測分析，幫助調度人員和管理者尋找解決方案。

3.5 生產工藝流程仿真模塊

該模塊依托礦山實際的生產工藝，采用虛擬現實技術，綜合應用三維動畫和同步語音等技術，以動態(tài)可視化的形式再現井下采煤、煤流運輸、通風、洗煤、絞車提升等工藝流程，為礦山各個專業(yè)員工的安全培訓提供可視化教材。

3.6 數據融合分析模塊

該模塊對井下環(huán)境監(jiān)測易報警位置進行自動篩選、重點監(jiān)測以及特征分析，為相關部門和工作人員采取針對措施提供決策支持。該模塊對井下傳感器校驗報警數據與真實報警數據進行自動辨識，并根據礦井采掘圖生成井下巷道網絡拓撲圖，結合井下巷道3D GIS數據、實時動態(tài)環(huán)境監(jiān)測數據以及井下作業(yè)人員位置等信息，動態(tài)規(guī)劃井下避災路線，自動圖文提示最優(yōu)避災路線及長度。

3.7 多系統聯動模塊

該模塊實現安全監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)控以及擴播系統之間的聯動，自動提示瓦斯報警、CO超限信息、人員信息以及視頻監(jiān)控畫面，報警信息自動傳送到擴播系統進行廣播，通知特定區(qū)域人員撤離，并在井下逃生指示牌中顯示避災路線。

3.8 輔助決策模塊

在統一的時間與空間框架下，以安全、生產和管理為主線對信息進行全面、有序、高效整合、挖掘和分析， 實現礦區(qū)地理信息、礦山地質體以及井上井下場景三維可視化、生產工藝流程仿真、安全生產綜合監(jiān)測預警以及數據與場景融合，滿足礦山企業(yè)通過一個平臺進行全礦生產過程的集中監(jiān)測監(jiān)控和調度管理的需要。各個專業(yè)部門通過平臺可以掌握本部門關注的監(jiān)測監(jiān)控、設備實時運行狀態(tài)以及生產管理信息，通過多個系統融合的數據以及多維度的挖掘分析進行監(jiān)測監(jiān)控、井下避災和應急演練等輔助決策。

3.9 基礎數據管理模塊

該模塊實現井下設備資料的管理，包括設備基礎信息、部署位置、廠商資料和主要技術資料等，為設備維修提供基礎。

3.10 運維管理模塊

該模塊實現井下巷道及機電設備的檢修和維護記錄以及監(jiān)控中心值班信息的管理，包括維修和改造信息管理、維修改造計劃、維修改造記錄以及統計維修改造信息等功能，可以自動生成運維報表，并可進行導出和打印。

3.11 應急管理模塊

該模塊實現應急物資管理、應急隊伍管理以及應急預案管理，支持新增、編輯、刪除、查看詳情等功能，支持文檔的上傳和下載。

3.12 圖檔管理模塊

該模塊實現礦山設計和維護階段相關的各類紙質或電子圖檔資料的管理，包括項目準備階段文件、監(jiān)理文件、施工文件、竣工驗收文件、竣工圖、地下設施竣工測量成果以及電子文件等，并提供上傳、存檔、查看和下載等功能。該模塊能夠提高圖檔管理工作的效率，確保各種工程圖紙和各階段文件的完整性管理，便于查閱和使用圖檔資料。與此同時，圖檔可與具體的三維模型掛接。

4 數字礦山綜合管理平臺關鍵技術研究

4.1 井下地質體精細化建模及快速更新技術

研究通過地測的鉆孔、采掘圖以及測量等數據構建精細化三維地質體模型；研究通過地測管理系統自動更新平臺中地質體、工作面以及掘進頭等信息；研究通過地質體剖切查看井下斷層的走向以及巷道頂底板在煤層和巖層的走向，為井下采掘工作提供地質三維可視化技術支持。

4.2 井下全景影像采集技術

研究井下低照度環(huán)境下全景影像的采集技術，研究無GPS信號情況下全景采集點與井下采掘圖點對點匹配技術，研制基于防爆三輪車(加裝里程計、全景相機和照明裝置)的井下巷道全景采集裝置，研制基于三角架、電動云臺和單相機的采掘面、硐室全景采集裝置，實現井下影像的高效采集。

4.3 井下全景與GIS集成技術

通過二維GIS軟件轉化煤礦采掘圖為二維GIS圖，通過研發(fā)全景數據生產軟件在GIS圖上繪制全景影像采集軌跡線，實現任意條巷道的全景點可平均固定到各條軌跡線上，實現全景影像與巷道固定位置的關聯。

4.4 多系統之間的聯動技術

在數據融合的基礎上，通過二三維GIS空間信息自動計算井下重要位置瓦斯傳感器周圍一定距離的人員定位分站、廣播以及攝像頭的位置，當瓦斯報警或短時間上升幅度過大時，平臺自動進行報警提示，同時關聯廣播通知區(qū)域內人員進行撤離，并自動彈出區(qū)域內視頻監(jiān)控畫面。

5 數字礦山綜合管理平臺應用效果

山西天地王坡煤業(yè)有限公司生產能力為 300萬t/a，井田面積為25 km2，地質儲量為2.96億t，屬于高瓦斯礦井。礦井安裝了安全監(jiān)控、人員定位、緊急避險、通信聯絡、壓風自救和供水施救等安全避險六大系統以及綜采監(jiān)控系統、主通風機監(jiān)控、副井提升監(jiān)控和選煤廠監(jiān)控等生產自動化監(jiān)控系統，具備平臺建設條件。2014年5月，公司啟動了數字礦山綜合管理平臺建設，2015年11月，該平臺建設完成并進行了實際應用。該平臺實現了公司井下地質體的精細化建模及三維可視化展示，建立了礦井9個標志性巖層，3個主采煤層的地質可視化，包含煤層中的斷層、陷落柱、瓦斯含量分布以及煤層等高線等，并可進行地質體剖切，為井下采掘巷道布置提供決策支持。在二三維與全景一體化集成場景中實現15個系統聯合監(jiān)測、一張圖監(jiān)控、多系統互聯互動以及數據與場景融合，達到了高效監(jiān)測、自動定位報警地點以及自動提示可能報警原因等效果。通過實時動態(tài)采集的多系統數據進行融合分析，融合井下實時監(jiān)測數據與巷道空間拓撲的避災路線實時動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布，對設備耗能情況以及人員生產績效進行了綜合分析，實現了設備能耗以及人員績效的可視化管理，為提高管理方式和方法提供了支持。

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(責任編輯 路 強)

Research and application of digital mine integrated management platform basedon integration of two or three dimension and panorama

Shu Lichun1,2,3

(1. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Chaoyang, Beijing 100013, China)

For the current situation that digital mine integrated management platform often use 3D modeling method for digitalization of mine scene and monitoring and inspecting, digital mine 3D integrated management platform based on integration of two or three dimension and panorama was proposed. The framework, functions and key technology of the platform were introduced, and the practical application condition of the platform in Wangpo Coal Mine was elaborated. The results showed that the platform realized efficiency increasing, payrolls downsizing and safety promotion.

digital mine, integration of two or three dimension and panorama, integrated management platform, data fusion

國家科技重大專項項目(2016ZX05045007)

TD-9

A

疏禮春(1981 -)，男，安徽安慶人，工程師，碩士，主要從事煤礦信息化類軟件的設計及開發(fā)研究工作。