綠色礦山信息化服務(wù)平臺設(shè)計與研究＊

楊軍義，韓立欽，劉安偉，張 軍

（1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025;2.甘肅省測繪工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741000）

2020 年10 月，黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》，提出：“推進數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，推動數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟深度融合，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群?！币虼耍罱ㄒ粋€集數(shù)據(jù)采集、處理、通信、控制、協(xié)作、智能決策為一體的綠色礦山信息化平臺，實現(xiàn)技術(shù)管理、生產(chǎn)管理與企業(yè)管理多系統(tǒng)的集成，已成為政府、礦山企業(yè)和研究機構(gòu)實施礦山信息化建設(shè)的必由之路，也是礦山行業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化管理、綠色開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展的唯一選擇和突破口。

1 平臺建設(shè)內(nèi)容

1.1 綠色礦山信息化標準規(guī)范建設(shè)

目前全國綠色礦山信息化建設(shè)和使用面臨著行業(yè)多、部門多、人員背景來源多的難題[1]。行業(yè)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品類型不同、視角不同、口徑不同和量綱不同，因此需要建立統(tǒng)一的綠色礦山信息化建設(shè)標準規(guī)范。建設(shè)的內(nèi)容主要有數(shù)據(jù)資源類、運行維護類和應(yīng)用服務(wù)類三類標準規(guī)范（如綠色礦山數(shù)據(jù)信息資源分類編碼規(guī)范、時空信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范、數(shù)據(jù)共享與交換規(guī)范、接口規(guī)范、系統(tǒng)集成規(guī)范等）和資源目錄體系、數(shù)據(jù)持續(xù)更新機制、平臺長效運維機制、人才培養(yǎng)機制等政策機制。

1.2 礦山空間數(shù)據(jù)中心建設(shè)

針對數(shù)字礦山三維可視化管控系統(tǒng)，綠色礦山生產(chǎn)管理與決策系統(tǒng)和業(yè)務(wù)運行中的信息需求，分析平臺中所涉及各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等的存取需求[2]，如三維模型數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、勘探測量數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、設(shè)備耗能數(shù)據(jù)、鉆探爆堆數(shù)據(jù)、計量化驗數(shù)據(jù)、計劃調(diào)度數(shù)據(jù)、生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。用結(jié)構(gòu)化分析方法開展需求分析，分析各類數(shù)據(jù)中所包含的空間、屬性等信息，生成詳細的需求規(guī)格說明書和數(shù)據(jù)字典，采用統(tǒng)一建模語言（UML）工具設(shè)計各礦山業(yè)務(wù)關(guān)系的實體屬性、實體標識碼以及不同實體之間的聯(lián)系及其類型，生成數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)實體-關(guān)系（E-R）圖。在設(shè)計的概念結(jié)構(gòu)E-R 圖的指導(dǎo)下，基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和GeoDatabase空間數(shù)據(jù)模型[3]，建立標準統(tǒng)一的地理空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、礦山EPR 數(shù)據(jù)庫以及系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫等，構(gòu)建綠色礦山數(shù)據(jù)信息中心（如圖1 所示）。

圖1 綠色礦山信息平臺空間數(shù)據(jù)中心建設(shè)中心框架

1.3 綠色礦山生產(chǎn)管理與決策支持體系建設(shè)

（1）三維實景。礦山三維實景是建設(shè)綠色礦山數(shù)字化平臺的重要組成模塊，其利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、攝影測量技術(shù)和三維可視化技術(shù)[4]，同時接入各類監(jiān)測、生產(chǎn)等動態(tài)數(shù)據(jù)，直觀且實時地顯示人員、設(shè)備和環(huán)境信息，實現(xiàn)人機的動態(tài)交互，營造身臨其境的氛圍，全景展示地面的主要建筑、工作面布局，可多角度查看，放大縮小模型，實現(xiàn)工作場景的3D 漫游、設(shè)備運行的交互控制、業(yè)務(wù)流程的監(jiān)控與管理。

（2）資源評價。根據(jù)三維地質(zhì)實體模型的創(chuàng)建，應(yīng)用地質(zhì)技術(shù)的方法，從地質(zhì)礦藏本身的形成、分布規(guī)律與工業(yè)技術(shù)的要求出發(fā)，對勘查礦產(chǎn)資源的任意地區(qū)、任意掘進工作面展開有關(guān)的剖析，生成詳細的礦產(chǎn)資源剖視圖，結(jié)合礦床勘查類型、礦產(chǎn)資源儲量和分類標準，計算統(tǒng)計已消耗礦產(chǎn)的數(shù)量、品質(zhì)類型、分布區(qū)位等，掌握礦山資源開采率和利用率，為礦山資源進一步合理開發(fā)利用與高效生產(chǎn)作業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（3）業(yè)務(wù)管理?；谕暾y(tǒng)一的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對項目的全生命周期（包括時間進度、成本、資源、風(fēng)險和質(zhì)量等）實現(xiàn)統(tǒng)一的聯(lián)動管理，為項目需求調(diào)研、規(guī)劃設(shè)計、任務(wù)分解部署、審批跟蹤、實施調(diào)度及驗收歸檔提供完整成熟的解決方案。

（4）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控模塊全面采用高清、智能、物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G 技術(shù)，選擇三維場景中的相機快速打開監(jiān)控視頻畫面，在礦山各通道關(guān)鍵節(jié)點安裝視頻監(jiān)控人流統(tǒng)計系統(tǒng)，對出入礦山的人員進行記錄、統(tǒng)計與分析，實現(xiàn)對礦山全景數(shù)據(jù)的管理及呈現(xiàn)。

（5）生產(chǎn)調(diào)度。利用射頻識別（RFID）技術(shù)[5]與計算機軟件技術(shù)、無線電技術(shù)相結(jié)合，對礦區(qū)運輸車輛進行自動識別、定位和調(diào)度，并對運輸能力進行自動統(tǒng)計。當生產(chǎn)運輸車輛經(jīng)過特定的數(shù)據(jù)采集點時，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備自動識別車輛信息，并將信息傳輸監(jiān)控主機，經(jīng)過軟件統(tǒng)計計算后，顯示并存儲該車輛的運輸量。通過車載對講機的GPS 模塊對礦區(qū)運輸車輛的運行軌跡及位置進行定位管理，并通過語音對講系統(tǒng)對運輸車輛進行生產(chǎn)調(diào)度。

（6）物流運輸。智能調(diào)度和管理生產(chǎn)過程中的物流輸送任務(wù)，可快速、高效地建立符合實際需要的物流調(diào)度管理系統(tǒng)，可對輸送線、子母車、高速臺車等其他物流運輸設(shè)備等發(fā)送指令，實現(xiàn)高效的物料配送和倉儲管理，完成對進入作業(yè)區(qū)域的物料全生命周期的監(jiān)管。

（7）人員監(jiān)管。根據(jù)傳感設(shè)備實時采集到的礦區(qū)人員信息，通過人臉識別、體溫監(jiān)測、酗酒檢測等人工智能傳感器設(shè)備自主完成健康與安全狀態(tài)的核查，將作業(yè)人員安全核查結(jié)果信息及時報送管理人員，協(xié)助管理人員依據(jù)管理制度及時做出處理。

（8）安全監(jiān)管。礦山安全生產(chǎn)是第一要務(wù)，因此要分析與監(jiān)測礦山作業(yè)環(huán)境中的危險源，主要有不穩(wěn)定巖體、山體滑坡、有毒氣體、透水、火災(zāi)等，通過智能傳感監(jiān)測設(shè)備，實時在線與遠程監(jiān)控礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的各個角落，實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)與災(zāi)害防治的科學(xué)化、信息化和智能化。

（9）生態(tài)監(jiān)測。根據(jù)定期采集礦山地表航測、邊坡監(jiān)測、排廢數(shù)據(jù)等動態(tài)生成礦山真三維模型，實現(xiàn)全過程動態(tài)監(jiān)管。根據(jù)礦山真三維模型，獲取礦山地表參數(shù)數(shù)據(jù)，將礦山地表參數(shù)數(shù)據(jù)與標準指標進行比對，根據(jù)比對結(jié)果對礦山治理恢復(fù)效果進行評價，達到綠色礦區(qū)治理恢復(fù)持續(xù)、長效監(jiān)管的目的。

2 平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)尺度同化技術(shù)

由于礦山存在的“五性四多”（海量性、復(fù)雜性、異質(zhì)性、動態(tài)性和不確定性，多源、多時相、多精度和多尺度）特點[6]以及數(shù)據(jù)格式、標準與存儲方式各異的問題，進行礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)與儲量模型多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)的尺度同化及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，實現(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)的標準化處理，建立完整的礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)檢索目錄體系，集中管理、分發(fā)與共享數(shù)據(jù)集。

2.2 海量三維數(shù)據(jù)建模與高效運行技術(shù)

針對礦山海量三維實景場景傳輸、加載與展示時出現(xiàn)占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬資源、傳輸效率低等問題，可采用兩種技術(shù)方法改善，一是采用多層次動態(tài)金字塔加載技術(shù)（LOD），基于二次誤差測度（QEM）算法[7]，對海量三維實景數(shù)據(jù)進行多級別重采樣處理，根據(jù)不同的可視化級別動態(tài)顯示相應(yīng)層次的LOD模型；二是采用流式傳輸技術(shù)逐條傳輸三維實景數(shù)據(jù)，具體操作是首先將礦山三維實景數(shù)據(jù)劃分為若干數(shù)據(jù)格網(wǎng)，類似電子地圖的瓦片數(shù)據(jù)，在傳輸?shù)V山三維實景數(shù)據(jù)時，實現(xiàn)建筑物模型、紋理的漸進壓縮和漸進傳輸，即只動態(tài)加載展示視野范圍內(nèi)的礦山三維模型（如圖2 所示）。

圖2 海量三維數(shù)據(jù)建模和高效運行技術(shù)

2.3 多種傳感設(shè)備監(jiān)測礦山生產(chǎn)與生態(tài)信息的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

礦山實時感知數(shù)據(jù)主要包括人員位置數(shù)據(jù)、生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和計量數(shù)據(jù)等，根據(jù)建設(shè)要求需要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在線監(jiān)測各個傳感器硬件設(shè)備，實時匯集存儲并展示這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦山原有人員定位、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測與預(yù)報預(yù)警、視頻數(shù)據(jù)實時查看、設(shè)備運行實時監(jiān)測等，為礦區(qū)安全生產(chǎn)與生態(tài)治理提供支撐。

2.4 三維地質(zhì)建模技術(shù)

三維地質(zhì)建模一般通過專業(yè)軟件完成，如3DMine、Micromine、EVS 等。三維地質(zhì)體建模的基本流程是：建立地形、數(shù)據(jù)入庫、導(dǎo)入剖面、建立模型及分析模型等?；诘雀呔€等地形勘探數(shù)據(jù)建立三維地形模型；基于鉆孔數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)建立地質(zhì)體模型，并賦予對應(yīng)的地質(zhì)屬性；基于面狀要素可建立體狀要素，建立包含相應(yīng)屬性的地質(zhì)體單元，用于統(tǒng)計分析礦產(chǎn)儲量與品位信息。

2.5 礦產(chǎn)資源預(yù)測和評價模型

為了滿足礦物資源的預(yù)評價和定量評價的需要，在礦產(chǎn)資源的預(yù)評價中采取相應(yīng)的定量理論和數(shù)學(xué)建模，包括頻率傳遞分析、比例分析、趨勢分析、空間尺度分析、地統(tǒng)計學(xué)、差集理論、人工智能與專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)、分式理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，給礦產(chǎn)資源的預(yù)評估提供了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。

2.6 礦山生態(tài)環(huán)境評價模型

礦山生態(tài)環(huán)境評價模型主要基于礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用模式、生態(tài)環(huán)境問題的種類、分布特征和風(fēng)險程度來評價區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的差異。在遵循“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)際相異”原則的基礎(chǔ)上，通過接入沉降監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、排污監(jiān)測等傳感數(shù)據(jù)，科學(xué)評價礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患、生態(tài)環(huán)境破壞、礦山環(huán)境污染三大環(huán)境問題情況，分析不同類型礦區(qū)污染物排放特性及對周圍的環(huán)境影響。參照結(jié)構(gòu)指標、功能指標和協(xié)調(diào)指標構(gòu)建生態(tài)環(huán)境綜合評價模型，基于層次分析法（AHP）[8]和模糊數(shù)學(xué)方法評估評價真實礦山生態(tài)環(huán)境狀況。

2.7 三維礦山場景動態(tài)可視化與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布技術(shù)

三維可視化是智慧礦山建設(shè)的空間信息基礎(chǔ)支撐平臺的組成部分，可利用3DGIS 三維可視化，基于TerraExplorer Pro、Cesium[9]等平臺建立礦區(qū)地下和地面的三維場景，實現(xiàn)三維游覽、動態(tài)標注、導(dǎo)航定位、查詢統(tǒng)計、三維空間分析以及三維業(yè)務(wù)分析應(yīng)用等功能。同時，為了在地圖以及三維模型發(fā)布過程中保證其實時性與動態(tài)性，在數(shù)據(jù)層采用SQLSever或Oracle 數(shù)據(jù)庫+ArcGIS SDE 保存模型數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，在業(yè)務(wù)層使用ArcGIS Server 與數(shù)據(jù)庫進行直連，并向外提供數(shù)據(jù)共享接口服務(wù)，以此給客戶瀏覽器端或移動終端提供數(shù)據(jù)支持，在客戶端再利用JavaScript API 接口對數(shù)據(jù)進行渲染顯示。實現(xiàn)基于三維可視化技術(shù)的三維實景地圖網(wǎng)絡(luò)終端的快速發(fā)布與動態(tài)可視化。

3 平臺架構(gòu)與設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、地理信息系統(tǒng)以及Web 技術(shù)支持，根據(jù)礦山的實際需求，開發(fā)智能的綠色礦山可視化信息平臺，為礦山數(shù)據(jù)管理、可視化、集成提供統(tǒng)一的服務(wù)，平臺總體架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 綠色礦山信息平臺架構(gòu)圖

綠色礦山信息化服務(wù)平臺采用分層架構(gòu)技術(shù)設(shè)計，在各類數(shù)據(jù)庫之上搭建數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用服務(wù)層和表現(xiàn)層（客戶層），不同層之間通過TCP/IP、Ajax、JSON 等技術(shù)進行消息通信與功能調(diào)度，分層架構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)日常運行與后期維護的快捷性、穩(wěn)定性與易擴展性。

數(shù)據(jù)層是平臺運行的血液，主要為綠色礦山信息化服務(wù)平臺提供數(shù)據(jù)存儲與管理服務(wù)，平臺業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，主要包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、耗能數(shù)據(jù)、ERP 數(shù)據(jù)和各類傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)等；平臺空間數(shù)據(jù)庫使用空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE 和GeoDateBase 數(shù)據(jù)庫存儲，主要包括地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)體數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用服務(wù)層是平臺的核心層，采用MVC 編碼架構(gòu)，負責(zé)基于數(shù)據(jù)訪問層提供的數(shù)據(jù)操作接口進行功能業(yè)務(wù)接口拼接封裝，通過服務(wù)層的業(yè)務(wù)分析與綜合決策能力，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)、專題服務(wù)、接口服務(wù)、參數(shù)解析服務(wù)等的統(tǒng)一調(diào)度管理。

表現(xiàn)層是用戶操作界面，系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，負責(zé)接收客戶端請求，并根據(jù)請求調(diào)度不同的業(yè)務(wù)邏輯進行相應(yīng)業(yè)務(wù)處理，再把處理結(jié)果以JSON 數(shù)據(jù)格式傳回給客戶端渲染顯示，實現(xiàn)用戶與平臺的交互，是實現(xiàn)礦山三維可視化、資源評價、業(yè)務(wù)管理、流程審批、智能決策、權(quán)限控制等業(yè)務(wù)模塊的窗口。

4 結(jié)論

本研究提出的綠色礦山信息化服務(wù)平臺設(shè)計方案，以服務(wù)保障礦山科學(xué)生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展為目標，結(jié)合礦山部門實際需求，綜合運用4G/5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、3DGIS 等前沿技術(shù)，建設(shè)立體化全息感知網(wǎng)絡(luò)、一體化通信網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同聯(lián)動的業(yè)務(wù)體系、安全可靠的運行保障體系、完整統(tǒng)一的標準規(guī)范體系，實現(xiàn)礦山企業(yè)資源和工作流的有機整合，實現(xiàn)礦山信息化管理工作的跨越式發(fā)展。