基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)在智慧化礦山建設(shè)中的應(yīng)用

高金龍

（山東國建土地房地產(chǎn)評估測繪有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

數(shù)字化、信息化、無人化、智能化及綠色開采是目前礦山發(fā)展的主要方向。智慧礦山是信息產(chǎn)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的一種先導(dǎo)性技術(shù)理念，是兩化融合在礦山行業(yè)內(nèi)的具體體現(xiàn)。智慧礦山集合了采礦技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等多項技術(shù)，是建立在礦山數(shù)字化基礎(chǔ)上的能夠完成礦山企業(yè)所有信息的精準(zhǔn)適時采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成、可視化展現(xiàn)、自動化運行和智能化服務(wù)的數(shù)字化智慧體。

1 智慧礦山建設(shè)的背景概述

礦產(chǎn)資源是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，但在以往的礦山生產(chǎn)過程中，存在管理過于粗放的問題，安全事故頻發(fā)，對我國礦產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展造成了比較大的影響。除了安全生產(chǎn)問題外，我國礦產(chǎn)開采過程還存在一定的用工荒問題，部分礦產(chǎn)企業(yè)甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的招工困難情況。在這一形勢下，需要積極創(chuàng)新與完善礦山生產(chǎn)管理模式，加強(qiáng)機(jī)械化生產(chǎn)以及智能化管理力度，以滿足礦山生產(chǎn)的實際需求。2010 年，智慧礦山理念傳入我國，為礦產(chǎn)領(lǐng)域生產(chǎn)優(yōu)化提出了新的思路。智慧礦山主要指將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用進(jìn)行深度融合，構(gòu)建全面感知以及實時互聯(lián)的智能控制系統(tǒng)。應(yīng)用智慧礦山系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山生產(chǎn)全過程的有效管理，實現(xiàn)經(jīng)營安全的智能化運行，進(jìn)一步提升礦山生產(chǎn)的安全性與可靠性[2]。

2 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)是結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，對地表空間的地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS 數(shù)字測繪技術(shù)以GIS 技術(shù)為基礎(chǔ)，充分運用空間數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)，聯(lián)合數(shù)據(jù)庫構(gòu)建對應(yīng)的地理信息平臺，完成數(shù)據(jù)的管理以及使用，即GIS 系統(tǒng)能夠完成對信息數(shù)據(jù)的采集、儲存以及處理，轉(zhuǎn)化成空間地理圖，并利用空間可視化技術(shù)構(gòu)建三維視覺模式，為礦山開采提供更加可靠、合理、科學(xué)的信息。在礦山測量中，GIS 可對采集的礦山三維數(shù)據(jù)建立礦山三維數(shù)字模型，將礦區(qū)地表和地下空間環(huán)境進(jìn)行化三維可視化顯示，制作采礦、地質(zhì)與測繪等不同種類的專題信息圖；可以統(tǒng)一集中管理礦山多源、海量的地理信息數(shù)據(jù)，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次分析并挖掘潛在信息，建立更加科學(xué)高效的決策支持系統(tǒng)，用于礦山實際環(huán)境模擬與預(yù)測；基于行業(yè)應(yīng)用的專業(yè)分析功能，可為礦山生產(chǎn)過程提供科學(xué)指導(dǎo)，為礦山突發(fā)事故提供所需的應(yīng)急預(yù)案；結(jié)合GPS 定位技術(shù)和GIS 空間分析功能，開發(fā)出礦井下工作人員定位系統(tǒng)，實時了解礦工位置、井下相關(guān)工作信息，同時保證礦工安全；GIS 技術(shù)用于礦產(chǎn)資源勘探監(jiān)測與開采，為礦區(qū)多源海量數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用平臺，提高了礦產(chǎn)采出率和利用率。

3 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)在智慧化礦山建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 增加投資，提高智慧化建設(shè)力度

1.無人化綜采工作面系統(tǒng)人員優(yōu)化。以目前在部分煤炭企業(yè)已經(jīng)實施成熟的智能化綜采工作面系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以適應(yīng)張家峁礦業(yè)公司地質(zhì)條件及煤層賦存條件為前提，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)建設(shè)張家峁礦業(yè)公司無人化綜采開采系統(tǒng)；該系統(tǒng)實施后優(yōu)化勞動用工情況如下：推行智能化綜采工作面后，在正規(guī)作業(yè)循環(huán)與日產(chǎn)量達(dá)到同等水平的前提下，與傳統(tǒng)綜采工作面對比，單日節(jié)省勞動用工16 個，提高了生產(chǎn)效率。

2.人機(jī)協(xié)同掘錨一體系統(tǒng)。以快速掘進(jìn)掘錨一體化建設(shè)為平臺，結(jié)合信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)及自動噴漿機(jī)器、自動抽排水系統(tǒng)、混凝土底板施工系統(tǒng)等成熟輔助技術(shù)，建設(shè)張家峁礦業(yè)公司人機(jī)協(xié)同快速掘進(jìn)掘錨一體系統(tǒng)；該系統(tǒng)實施后優(yōu)化勞動用工情況如下：應(yīng)用掘錨一體機(jī)系統(tǒng)后，使得生產(chǎn)過程中割煤與支護(hù)同時進(jìn)行，即在掘錨機(jī)前伸掏槽割煤的同時，支護(hù)工打頂、幫錨桿和掛幫網(wǎng)平行作業(yè)，掘錨機(jī)進(jìn)刀完畢時頂、幫支護(hù)也已完成，與傳統(tǒng)的綜掘掘進(jìn)系統(tǒng)相比，保證掘錨機(jī)能夠連續(xù)向前推進(jìn)，增加了有效生產(chǎn)時長，提高了生產(chǎn)效率，同時，借助無線傳輸和遠(yuǎn)程操控技術(shù)，實現(xiàn)了無線遙控操作掘錨機(jī)作業(yè)，將主要操作人員從高風(fēng)險高危害的崗位上解放出來，大大降低了勞動強(qiáng)度，優(yōu)化了用工效率[3]。

3.智能皮帶運輸控制系統(tǒng)。以現(xiàn)有皮帶運輸系統(tǒng)的堆煤保護(hù)、防撕裂、防自然、防跑偏為基礎(chǔ)，在綜采順槽皮帶機(jī)頭、掘進(jìn)皮帶增設(shè)擠壓式破碎機(jī)及除鐵器，再結(jié)合皮帶傳感器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、巡檢機(jī)器人形成智能化皮帶運輸系統(tǒng)；該系統(tǒng)實施后勞動用工優(yōu)化情況如下：依托在線監(jiān)測系統(tǒng)，智能化皮帶運輸系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了原煤運輸皮帶地面遠(yuǎn)程集中控制，在實現(xiàn)減人、少人操作的基礎(chǔ)上，探索“機(jī)器人換人”的新技術(shù)，真正將工人從危險崗位中替換下來，通過無線信號配合數(shù)據(jù)、圖像采集，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)、高質(zhì)量、長時間往復(fù)巡檢。一旦發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)器人將及時報警，并利用里程和圖像準(zhǔn)確定位故障位置。經(jīng)對比，實行智能化皮帶運輸系統(tǒng)后，減少勞動用工達(dá)30%，開機(jī)率提高了6.5%。

4.智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。鑒于張家峁礦業(yè)公司四層煤層運行，兩層煤層開采的現(xiàn)狀，應(yīng)加快完善無人智能變電硐室建設(shè)、各工作點的自動抽排水系統(tǒng)建設(shè)、掏槽機(jī)器人建設(shè)、砌密閉及防火墻建設(shè)，加大井下清掃車、抑塵車、吸污車投入，減少傳統(tǒng)輔助人工工作量，從而減少輔助用工人員，減員率達(dá)到42.45%。

5.“一通三防”智能管控系統(tǒng)。在現(xiàn)有風(fēng)水聯(lián)動、在線瓦斯監(jiān)測、粉塵在線傳感、束管監(jiān)測、光纖測溫等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善智能化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，確?！耙煌ㄈ馈北O(jiān)測監(jiān)控智能化、無人化，從而減少“一通三防”傳統(tǒng)從業(yè)人員人數(shù)。

3.2 提升系統(tǒng)模塊

礦區(qū)已有的提升控制信號系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化，但對提升機(jī)的提升效率缺乏有效分析。通過對提升機(jī)油壓、電流、速度、加速度、位置、提升量、能耗、軸溫、油品等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，建立提升機(jī)運行數(shù)據(jù)模型，通過大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)提升機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集診斷，極大地提高了提升機(jī)的提升效率與維護(hù)水平。提升系統(tǒng)模塊主要從提升井提升量、提升速度分析、班組報表、提升日報表、鄂破運行時間、皮帶運行時間等多個分析維度分析。根據(jù)各井提升工況，統(tǒng)計各提升井的提升量等數(shù)據(jù)，迅速掌握主井提升詳情，形成可查詢、可輸出的報表。提升系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)（電流、速度、位置、油壓、溫度、加速度等）按1s 的頻率存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫采用MSSQL 分布式存儲，以分區(qū)表的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

3.3 明確智能礦山技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

智能礦山技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對智慧礦山及智能化開采發(fā)展具有指引作用，所以國家需要盡快進(jìn)行智能化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，其主要內(nèi)容包括技術(shù)綱要、管理準(zhǔn)則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，保證相應(yīng)工作流程的規(guī)范化、科學(xué)化、數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，為智慧礦山的建設(shè)和發(fā)展提供重要指導(dǎo)。另外，需要加大智能化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及政策的宣傳力度，為智慧礦山建設(shè)及礦山智能化開采的發(fā)展創(chuàng)設(shè)良好的氛圍。

3.4 在礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)中的應(yīng)用

礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)的研發(fā)是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用發(fā)展的主要方向之一。目前，以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)平臺的礦產(chǎn)資源一體化發(fā)展主要停留在數(shù)據(jù)庫和簡單的空間疊加分析方面，缺乏更進(jìn)一步的綜合處理能力。礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)是將礦產(chǎn)資源勘查、投資風(fēng)險、礦山環(huán)境保護(hù)及治理等納入一體，通過綜合評價給出相應(yīng)的優(yōu)選方案，以供決策者參考。礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)的研發(fā)為礦山建設(shè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，為投資者、管理者的決策提供重要的參考依據(jù)，也是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用更深入、直觀的體現(xiàn)，有效推進(jìn)智慧化礦山的建設(shè)[4]。

3.5 其他生產(chǎn)、安全系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

1.生產(chǎn)管理系統(tǒng)。通過前端數(shù)據(jù)采集將生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)以日報、月報等形式向相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行展示，實現(xiàn)生產(chǎn)情況有效統(tǒng)計和監(jiān)督，給管理決策提供直接的數(shù)據(jù)。集成生產(chǎn)系統(tǒng)中指定礦山填報的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括采礦信息、選礦信息、品位信息等，形成綜合看板及各種日報、月報等（采礦月報界面見圖7）。

2.項目管理系統(tǒng)。實現(xiàn)項目進(jìn)度與成本對比分析，通過評估項目進(jìn)度、費用的綜合執(zhí)行效果，量化地反映項目的進(jìn)展情況。集成項目管理系統(tǒng)中可顯示指定礦山的項目招標(biāo)、進(jìn)度、管理、付款等信息，按月統(tǒng)計投資結(jié)算比例并形成項目清單。

3.安全管理系統(tǒng)。通過統(tǒng)計隱患整改率、安全檢查頻次、證照情況、安全績效考核等內(nèi)容，實時展示礦山安全現(xiàn)狀。集成礦山雙體系安全管理系統(tǒng)，統(tǒng)計安全生產(chǎn)天數(shù)、隱患數(shù)、整改數(shù)、安全投入、證照管理（企業(yè)證照、施工隊證照、員工證照等）、員工職業(yè)檔案管理等功能，形成綜合看板。

3.6 提高人員素質(zhì)，加大信息人才培養(yǎng)

1.提高員工對智慧化礦山的認(rèn)識。針對問卷調(diào)查顯示，人員對智慧化礦山認(rèn)識不夠的現(xiàn)狀。提高宣傳力度，對全礦所有人員進(jìn)行普及教育或培訓(xùn)，使工作人員認(rèn)識到智慧礦山是大勢所趨，并且技術(shù)也已發(fā)展到一定程度，通過智慧化礦山的建設(shè)，可以降低一線工作人員的勞動強(qiáng)度，每個工種減少人員參與，同時減少安全事故的發(fā)生。

2.加大信息化人才培養(yǎng)力度。針對信息化人才缺乏的現(xiàn)狀，公司應(yīng)該分引進(jìn)人才和自我培養(yǎng)兩步走。引進(jìn)畢業(yè)學(xué)生和培訓(xùn)現(xiàn)有人員，在具體實施過程中和西安科技大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合，對智慧化礦山人才進(jìn)行雙師培訓(xùn)，從而增加公司智慧化礦山人才。

3.7 加大技術(shù)研究力度

首先需要注重先進(jìn)技術(shù)的融合，實現(xiàn)礦山智能化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)的有效融合，建立技術(shù)應(yīng)用示范工程；其次要加大關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，制定技術(shù)研發(fā)方案，組織研發(fā)活動，加大創(chuàng)新力度[5]。

4 空間測繪信息技術(shù)在礦山產(chǎn)業(yè)中的意義

傳統(tǒng)的測繪工作主要依靠人工實測，需要大量工作人員攜帶大量儀器，在氣候惡劣和地形復(fù)雜的環(huán)境中無法順利實施精準(zhǔn)測量，同時，測繪人員的生命安全無法保證。正是基于這樣的現(xiàn)狀，隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，新型智能數(shù)字化測繪技術(shù)的出現(xiàn)，有利于解決這些問題，甚至超出預(yù)期。傾斜攝影測量可以在地形環(huán)境非常惡劣與復(fù)雜的情況下，應(yīng)用低空飛行的方式對地表進(jìn)行非接觸性測量，多角度獲取航空影像，測量周期短、精度高。三維激光掃描技術(shù)利用高速激光掃描進(jìn)行測量，能獲取地下采空區(qū)和巷道點云數(shù)據(jù)，具有效率高、穿透性強(qiáng)、實時性強(qiáng)、不受外界環(huán)境影響的優(yōu)勢。兩種測量方式都是自動化的，且精度滿足要求，節(jié)省了大量的人力和時間成本，提高了測繪人員的工作效率。在礦山測繪應(yīng)用方面，兩種方式獲得的兩種數(shù)據(jù)都能構(gòu)建三維模型，真實地反映礦山的開采情況，幫助相關(guān)人員直觀判斷地形災(zāi)害范圍以及安全隱患區(qū)域，為后期生產(chǎn)提供可行性意見，減少安全事故；都能夠完成實時監(jiān)測的任務(wù)，把開采現(xiàn)場的影像和數(shù)據(jù)及時傳輸給相關(guān)監(jiān)督機(jī)構(gòu)，為礦山資源監(jiān)管和日常執(zhí)法提供依據(jù)，能夠有效保護(hù)相應(yīng)資源，避免了混亂開采問題的發(fā)生。地理信息系統(tǒng)（GIS）具有強(qiáng)大圖形信息處理能力，擁有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的結(jié)合、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、獨特的空間分析功能。

5 結(jié)語

綜上所述，將三維可視、數(shù)據(jù)處理、空間信息和測繪繪圖有機(jī)結(jié)合成為現(xiàn)代化綜合測量技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用更是提高了測繪工作的精度和效率?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展給礦產(chǎn)資源開采以及測繪事業(yè)帶來了全新的作業(yè)方式，有利于實現(xiàn)礦山數(shù)字化管理、礦產(chǎn)資源智能化開采、礦山環(huán)境高效治理、礦山災(zāi)害應(yīng)急救援，不斷助推礦山安全生產(chǎn)，提高工作效率。在未來的發(fā)展中，數(shù)字礦山還會將物聯(lián)網(wǎng)、云計算等多種技術(shù)融入采礦工程中，實現(xiàn)對礦山的智能化感知控制和個性化智能服務(wù)，從而推進(jìn)智慧礦山的高效建設(shè)，有效提高我國工業(yè)化水平，推進(jìn)礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[6]。