可視化礦山與機(jī)電技術(shù)在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用研究

摘要：探討了可視化礦山的建設(shè)內(nèi)容，包括可視化礦山的系統(tǒng)架構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)智慧礦山可視化框架技術(shù)做了深入分析，并基于實(shí)例介紹了可視化礦山的實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：可視化;大數(shù)據(jù);智慧礦山

0 ? ?引言

煤炭和石油在我國的消費(fèi)比例約為6：4，因此，煤炭的開采技術(shù)保障了我國的煤炭使用安全。本研究從可視化礦山的建設(shè)出發(fā)，通過建立數(shù)字化、信息化的多元系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，分析了可視化礦山建設(shè)的系統(tǒng)框架，并探討了機(jī)電運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的管理與信息化、智能化的關(guān)系。

1 ? ?可視化礦山的實(shí)現(xiàn)

1.1 ? ?可視化礦山概述

可視化礦山是指利用計(jì)算機(jī)，在同一時(shí)空框架下將礦山地質(zhì)條件、礦山工程分布在三維空間中進(jìn)行展現(xiàn)，以三維坐標(biāo)的方式將坐標(biāo)信息及其相互關(guān)系組成信息框架的系統(tǒng)。它能對(duì)礦山的真實(shí)地質(zhì)情況、相關(guān)地貌做出信息化的表達(dá)，為礦山工作人員地質(zhì)勘查提供數(shù)據(jù)支持。

礦山可視化技術(shù)要用到數(shù)學(xué)三維建模，一般采用航空拍攝測(cè)量的方法制作三維景觀模型，如圖1所示。

1.2 ? ?可視化礦山系統(tǒng)架構(gòu)

從技術(shù)上來說，可視化礦山技術(shù)是在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建整合的。建設(shè)可視化礦山需要用到互聯(lián)網(wǎng)、信息化、智能化等大數(shù)據(jù)技術(shù)，要為煤礦開采、信息化管理等提供系統(tǒng)性的大數(shù)據(jù)服務(wù)，建立可視化、信息化的仿真模擬管理系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代煤礦開采需求。

1.2.1 ? ?一個(gè)核心

借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)支持，在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立起模擬仿真的礦山三維立體模型。對(duì)三維立體模型的建立要與實(shí)際開采環(huán)境盡可能相同，實(shí)現(xiàn)從模型可視化到沉浸式可視化的轉(zhuǎn)變。

1.2.2 ? ?四個(gè)方向

可視化礦山的建設(shè)方向主要包括數(shù)據(jù)可視化、模型可視化、場(chǎng)景可視化、沉浸式可視化。首先要實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)可視化;進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，實(shí)現(xiàn)模型可視化;在其基礎(chǔ)之上，擴(kuò)大模型的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的可視化;最后實(shí)現(xiàn)沉浸式可視化。

1.2.3 ? ?多個(gè)主要內(nèi)容

以建設(shè)方向?yàn)榛A(chǔ)，可視化礦山框架的主要內(nèi)容包括對(duì)數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行的大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用;以模型可視化為目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)模型和機(jī)械設(shè)備模型數(shù)據(jù)的分析、仿真、渲染;通過云計(jì)算模擬而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景可視化;以沉浸可視化為基礎(chǔ)的主動(dòng)漫游、被動(dòng)漫游。

1.2.4 ? ?四大數(shù)據(jù)庫

建立從礦井設(shè)計(jì)到煤炭開采各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的分類、存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)整合。

1.2.5 ? ?一個(gè)平臺(tái)

建立平臺(tái)是要打破礦山信息孤島，統(tǒng)一整合各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析、統(tǒng)一監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的共同管理。

2 ? ?智慧礦山可視化框架技術(shù)

2.1 ? ?三維立體礦井仿真模型

對(duì)三維立體礦井仿真模型的建設(shè)是可視化礦山的建設(shè)基礎(chǔ)。要對(duì)礦山地質(zhì)地層進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘查，建立可視化煤礦開采時(shí)序過程。通過三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)開采過程的可視化、礦場(chǎng)管理的科學(xué)化。

2.2 ? ?開拓設(shè)計(jì)方案選擇

以三維仿真模型為基礎(chǔ)，為開拓設(shè)計(jì)提供可視化方案。根據(jù)礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行科學(xué)合理的開拓設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)過程中的各種指標(biāo)進(jìn)行仿真模擬，為決策者提供科學(xué)合理的開拓決策。

2.3 ? ?開采方案設(shè)計(jì)

合理的開采方案能夠提高資源回收效率和工作效率，因此，可以通過大數(shù)據(jù)運(yùn)算形成圖文并茂的數(shù)據(jù)分析圖，定量地展示生產(chǎn)速度，為精細(xì)化管理提供技術(shù)支持。

2.4 ? ?礦井風(fēng)量風(fēng)速配置

礦井風(fēng)量與礦區(qū)安全息息相關(guān)，通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、通風(fēng)節(jié)點(diǎn)來調(diào)配礦井風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)通風(fēng)的科學(xué)管理。同時(shí)，對(duì)礦區(qū)特定區(qū)域?qū)嵤┩咚贡O(jiān)測(cè)、特殊氣體監(jiān)測(cè)等，防止礦區(qū)安全事故的發(fā)生。

2.5 ? ?專家決策系統(tǒng)

在開采過程中如遇技術(shù)問題，可通過專家決策系統(tǒng)對(duì)所遇問題進(jìn)行權(quán)重劃分，在數(shù)據(jù)庫中對(duì)主要問題進(jìn)行檢索，系統(tǒng)會(huì)推薦最適合的解決方案，指導(dǎo)礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

2.6 ? ?動(dòng)態(tài)處理系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)礦壓預(yù)測(cè)、應(yīng)急事故實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，提高數(shù)據(jù)管理推送的準(zhǔn)確性，提高可視化礦山的建設(shè)水平。動(dòng)態(tài)處理系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析調(diào)整，為日常生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 ? ?實(shí)際應(yīng)用分析

筆者以梧桐莊礦數(shù)字化礦山建設(shè)為例，介紹可視化礦山的實(shí)際應(yīng)用情況。梧桐莊礦數(shù)字礦山系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)如圖2所示。

該項(xiàng)目的重點(diǎn)建設(shè)方向以及實(shí)現(xiàn)方案包括：綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、綜合集成平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化控制。綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)確保礦區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、高效性。在實(shí)際應(yīng)用中，礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)因環(huán)境問題時(shí)常受到破壞，綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)應(yīng)用千兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。而網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)各項(xiàng)設(shè)備的集中控制。

4 ? ?可視化系統(tǒng)與煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況的評(píng)估

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析搜集，能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況的評(píng)估。該系統(tǒng)分為基本操作模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模塊和預(yù)警模塊，如圖3所示。

該系統(tǒng)具有設(shè)備管理功能和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估功能。設(shè)備管理功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為決策者快速?zèng)Q策提供參考。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估是系統(tǒng)的核心，即對(duì)礦區(qū)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行情況，能夠降低設(shè)備發(fā)生故障的概率。

5 ? ?結(jié)語

可視化礦山建設(shè)對(duì)于緩解我國能源危機(jī)具有重要意義，同時(shí)為解決開礦過程中的環(huán)境污染問題提供了高效的方案。在高新技術(shù)的推動(dòng)下，煤礦開采過程管理會(huì)更加高效化、集約化，可為我國邁向煤炭強(qiáng)國提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 賀雁鵬，黃慶享，曹健.可視化礦山的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（4）：32-37.

[2] 肖雅靜，孟國營.梧桐莊礦數(shù)字化礦山工程建設(shè)與創(chuàng)新[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（7）：129-134.

[3] 王金珠.礦山機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況評(píng)估及可視化管理系統(tǒng)研究[J].山西科技，2013，28（3）：108-110.

收稿日期：2020-07-28

作者簡介：馮文博（1972—），男，陜西銅川人，工程師，從事機(jī)電管理工作。