煤礦三維可視化安全生產(chǎn)集成管理平臺的設(shè)計(jì)

申海生

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長子 046600）

引言

煤的生產(chǎn)過程有以下幾個重要特點(diǎn)：大部分重要工作場所在地下，地面人員只能通過非常有限的通信手段或親自下井去了解實(shí)際生產(chǎn)狀況，由于工作場地面積大，即使下井也只能了解局部信息；整個礦井生產(chǎn)活動是隨時空動態(tài)變化的，生產(chǎn)場地不斷被建設(shè)和廢棄，甚至采區(qū)外部環(huán)境也在不斷變化，導(dǎo)致生產(chǎn)過程變數(shù)很多，給生產(chǎn)帶來影響且管理困難；生產(chǎn)活動多，包括地質(zhì)、水文、勘探、測量、設(shè)計(jì)、掘進(jìn)、回采、運(yùn)輸、提升、洗選、通風(fēng)、支護(hù)、監(jiān)控等，這些活動都是煤礦生產(chǎn)必不可少的部分，具有緊密的內(nèi)在聯(lián)系且需要互相配合。如何簡單快速了解和掌握各項(xiàng)活動的實(shí)時情況，以便為生產(chǎn)決策提供信息支持，確實(shí)是一個難題。瓦斯、水患、火災(zāi)、粉塵、礦壓等危險因素時刻威脅礦井安全生產(chǎn)和礦工的寶貴生命。因此，根據(jù)三維可視化技術(shù)特點(diǎn)，開展礦井三維可視化安全生產(chǎn)集成管理平臺技術(shù)研究是非常有必要的。

1 煤礦三維可視化安全生產(chǎn)集成管理平臺的設(shè)計(jì)思路

當(dāng)前國內(nèi)礦山三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為三類。第一類為三維地測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用地質(zhì)體、巷道的建模算法、剖切算法，特點(diǎn)是三維地測技術(shù)比較實(shí)用，而三維圖形技術(shù)則相對較弱。該系統(tǒng)運(yùn)行速度慢，不能支持大場景，三維可視化效果較差，實(shí)時數(shù)據(jù)接入點(diǎn)不能太多，設(shè)備動畫基本沒有。第二類為采煤設(shè)備三維監(jiān)控自動化集成與展示系統(tǒng)。該類系統(tǒng)由于不能構(gòu)建煤層、巖層、斷層等地質(zhì)體，沒有地質(zhì)研究所需相關(guān)功能或功能很弱。系統(tǒng)在地測、安全領(lǐng)域做得較膚淺，不能適應(yīng)工作面、設(shè)備搬遷，系統(tǒng)缺乏實(shí)用性，未解決大場景問題并對電腦要求比較高，客戶無法大面積安裝。第三類是采用3Dmax二次開發(fā)系統(tǒng)。該類系統(tǒng)采用腳本語言二次開發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)行速度最慢，對電腦要求非常高，不支持大場景。購買3Dmax 的成本很高，不能大面積安裝且沒有解決巷道交叉點(diǎn)建模算法，不能進(jìn)入巷道內(nèi)部漫游，操作復(fù)雜。

以李村煤礦為例，從該礦從實(shí)用角度出發(fā)，以先進(jìn)的三維可視化、地質(zhì)建模、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套面向礦井安全高效生產(chǎn)的三維可視化動態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用有助于礦區(qū)規(guī)劃、資源管理、安全生產(chǎn)及輔助決策等，同時也是感知礦山系統(tǒng)建設(shè)的主要部分，為煤礦安全生產(chǎn)管理提供參考示范。

2 三維可視化安全生產(chǎn)集成管理平臺系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

礦井生產(chǎn)安全管理三維動態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容復(fù)雜，通過對李村煤礦生產(chǎn)安全管理的需求分析，制定了礦井生產(chǎn)安全管理三維動態(tài)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案：

1）建立統(tǒng)一空間坐標(biāo)系統(tǒng)的礦井生產(chǎn)與安全管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，通過多源數(shù)據(jù)采集，建立煤礦井田空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。

2）利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，提取礦井生產(chǎn)與安全管理有關(guān)的三維目標(biāo)要素，實(shí)現(xiàn)三維礦井目標(biāo)的綜合建模。

3）建立流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的信息處理流程。

4）通過開發(fā)三維可視化技術(shù)，提高井田開發(fā)與井下生產(chǎn)動態(tài)管理的可視化水平。

5）實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)與安全信息及場景的三維可視化以及全礦區(qū)生產(chǎn)安全全過程的動態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)層、模型層和功能層3 個主要層次，具體內(nèi)容如下頁圖1 所示。

在功能層主要包括有生產(chǎn)狀況、生產(chǎn)監(jiān)控、安全預(yù)警、三維觀察、儲量計(jì)算和生產(chǎn)線路等。在模型層主要包括有煤（地）層建模、設(shè)備建模、地質(zhì)構(gòu)造建模、巷道建模等。在數(shù)據(jù)層主要包括有地測數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控數(shù)據(jù)庫等。

3 三維可視化安全生產(chǎn)集成管理平臺系統(tǒng)的開發(fā)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)三個主要層次

以李村煤礦為研究對象，通過獲取并以其標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，提取礦井生產(chǎn)與安全管理三維目標(biāo)要素，實(shí)現(xiàn)三維礦井目標(biāo)的綜合建模。建立流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的信息處理流程，遵循軟件工程思想，利用VC++等軟件開發(fā)工具、三維可視化技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等開展工作。

4 三維可視化安全生產(chǎn)集成管理平臺系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)環(huán)境的快速三維建模和礦井安全生產(chǎn)綜合信息的快捷查詢，系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能模塊：礦井安全生產(chǎn)總體狀態(tài)查詢功能；礦井巖（煤）層三維可視化功能；礦井回采工作面三維可視化功能；礦井掘進(jìn)工程三維可視化功能；井巷建模功能；巷道斷面信息功能；對各種設(shè)備圖形自動生成，對設(shè)備任意綁定監(jiān)測點(diǎn)，劃分設(shè)備子系統(tǒng)。同時具有以下特殊功能。

4.1 礦井自動生成巷道功能

礦井的巷道導(dǎo)向線數(shù)據(jù)也可以直接從已有的地測信息系統(tǒng)中讀取，無需在三維可視化系統(tǒng)再次錄入巷道導(dǎo)向線數(shù)據(jù)。結(jié)合已有的巷道區(qū)段信息，系統(tǒng)就能夠通過數(shù)據(jù)自動生成巷道三維模型。

4.2 實(shí)時安全監(jiān)測與自動化三維可視化功能

1）該三維可視化系統(tǒng)可以與煤礦綜合自動化系統(tǒng)等實(shí)行監(jiān)測數(shù)據(jù)共享。一個客戶端可以同時連接多個自動控制服務(wù)器，支持服務(wù)器集群。三維可視化系統(tǒng)通常非常消耗計(jì)算機(jī)資源，而對于綜合自動化這樣的大型自動化項(xiàng)目，擁有上萬個數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)，如果三維可視化系統(tǒng)不采用OPC 高效率的工控數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)，要做到實(shí)時安全監(jiān)測自動化與三維可視化是根本不可能的。

2）可以用浮動在屏幕上的數(shù)字標(biāo)簽顯示實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。浮動標(biāo)簽始終顯示在最上層，不會被其他場景對象遮蓋，無論場景怎樣旋轉(zhuǎn)、移動，無論設(shè)備運(yùn)動到什么位置，浮動標(biāo)簽始終固定在該設(shè)備的空間位置上，始終正面朝上并面向操作者以便觀察。標(biāo)簽的顯示內(nèi)容可以定制，還可以打開或關(guān)閉浮動標(biāo)簽的顯示。

3）可以在三維場景中以動畫的方式顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，例如罐籠的上下移動、原煤運(yùn)輸流動、采煤機(jī)行走等，可通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)控制這些動畫的運(yùn)行樣式。

4）當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會及時報警，并對報警設(shè)備進(jìn)行跟蹤定位。

5）為了控制數(shù)據(jù)量及更清晰地展示生產(chǎn)監(jiān)測狀況，三維系統(tǒng)采用分子系統(tǒng)顯示的模式。

4.3 儲量計(jì)算功能

本系統(tǒng)所采用的儲量計(jì)算方法是積分計(jì)算的。計(jì)算中考慮了劃定區(qū)域中每個網(wǎng)格體的厚度和傾角，較目前礦山所采用的計(jì)算方法更精確。支持同時計(jì)算多個區(qū)域，支持指定任意數(shù)量的儲量扣除區(qū)域（無煤區(qū)、保留區(qū)等）。計(jì)算后系統(tǒng)會自動將計(jì)算區(qū)域與扣除區(qū)域按不同顏色區(qū)分。

4.4 工作面視圖制作功能

“工作面視圖制作”模塊的特點(diǎn)是由形成的回采上巷、下巷、開切眼和停采線快速生成回采工作面的三維圖形，作圖簡單快捷。在使用之前必須制作好工作面回采巷道的視圖，即上巷（或回風(fēng)巷）、下巷（或運(yùn)輸巷）和開切眼圖形。此外，還必須有停采線，因?yàn)樗_定了工作面走向的長度，停采線可以是線型線段。制圖時只需用鼠標(biāo)分別點(diǎn)擊上巷（或回風(fēng)巷）、下巷（或運(yùn)輸巷）和開切眼、停采線以及三維煤層體視圖，即可自動生成三維回采工作面視圖，同時計(jì)算出回采工作面的主要參數(shù)，例如回采工作面長度、平均采高、工作面走向長度、在工作面階段的煤層傾角和可采儲量等。

4.5 視頻監(jiān)控功能

將監(jiān)控攝像頭模型布置在場景中，當(dāng)用戶右鍵選擇一個攝像頭時，可以顯示該攝像頭的實(shí)時視頻。

4.6 安全操作規(guī)程培訓(xùn)功能

可以模擬礦井的生產(chǎn)過程，在模擬狀態(tài)下培訓(xùn)員工安全意識，結(jié)合語音解說，達(dá)到讓員工熟練掌握安全操作規(guī)范的目的。

5 結(jié)語

礦井安全生產(chǎn)管理三維可視化動態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)，以李村煤礦為試驗(yàn)區(qū)，從礦井高效安全生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā)，將全礦井的生產(chǎn)環(huán)境情況以三維動態(tài)模型的方式表現(xiàn)出來，為礦井生產(chǎn)的指揮決策和實(shí)時分析提供支持。該系統(tǒng)雖然是一個圖形系統(tǒng)，但立足于為生產(chǎn)管理提供服務(wù)，主要目的是綜合各生產(chǎn)活動的信息，輔助管理決策，而不是僅僅用于地測繪圖和建模型。煤（巖）層、地質(zhì)構(gòu)造、巷道、工作面、采空區(qū)、生產(chǎn)設(shè)備等三維模型均可以根據(jù)錄入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動成圖，無須手繪，極大地簡化了系統(tǒng)的操作，便于學(xué)習(xí)、應(yīng)用和推廣。