礦產(chǎn)開采與勘探協(xié)同工作平臺的實現(xiàn)研究

張大志

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院, 河北涿州 072750)

0 前言

地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)開采工作密切相關(guān)，一方面礦產(chǎn)開采需要地質(zhì)勘探的工作成果，另一方面礦產(chǎn)開采過程中揭露的地質(zhì)現(xiàn)象也是地質(zhì)勘探工作的重要數(shù)據(jù)源?，F(xiàn)實工作中，地質(zhì)勘探與礦產(chǎn)開采又分屬于不同單位的工作領(lǐng)域，雙方工作溝通協(xié)調(diào)的密集程度，直接影響到勘探報告的質(zhì)量和礦產(chǎn)開采的工作成果[1]。怎樣將地質(zhì)勘探的成果和礦方開采揭露的地質(zhì)現(xiàn)象數(shù)據(jù)實時結(jié)合起來，使勘探人員快速得到礦產(chǎn)開采過程中揭露的地質(zhì)構(gòu)造和采空區(qū)位置等地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，使處理解釋人員更全面的研究相關(guān)地質(zhì)資料數(shù)據(jù)，從而得出更科學的解釋成果數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)效率，成為當今采勘領(lǐng)域新的熱點。

1 當前礦產(chǎn)開采和勘探的工作情況

礦產(chǎn)資源的地質(zhì)勘探采用測繪、鉆探、地球物理勘探、地球化學探礦、鉆探、坑探、采樣測試、地質(zhì)遙感等方法，在進行地質(zhì)勘探后，對勘探數(shù)據(jù)進行科學合理的處理和解釋，形成地質(zhì)剖面圖、平面圖、勘探報告等相關(guān)成果[2-4]，最終指導礦產(chǎn)開采工作。礦產(chǎn)開采和地質(zhì)勘探工作之間缺乏相應的協(xié)調(diào)共享機制，主要存在以下兩方面的問題。

1.1 勘探和礦產(chǎn)開采過程中的數(shù)據(jù)管理缺乏關(guān)聯(lián)性和完整性

以往的地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)開采工作相對比較獨立，勘探結(jié)果一次性提交，在提交勘探報告前，地質(zhì)勘探方需要安排技術(shù)人員查看舊工區(qū)資料結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)造進行研究，這些舊工區(qū)資料數(shù)據(jù)一般不集中保存，加之有時候電腦更新、人員變化等因素，往往耗費相當大的工時，也不能獲得準確、全面的歷史數(shù)據(jù)，影響勘探報告的完成速度和報告質(zhì)量。

1.2 勘探人員不能及時獲得礦產(chǎn)開采過程中揭露的地質(zhì)信息

隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的進步，地質(zhì)勘探要求的頻率和準確率越來越高，很多時候勘探人員需要及時的了解礦產(chǎn)開采過程中實際揭露的地質(zhì)信息，這些資料信息往往通過郵件或網(wǎng)絡(luò)聊天工具進行傳遞，存在發(fā)送不及時、發(fā)錯、發(fā)送失敗等情況，直接影響勘探報告質(zhì)量和礦產(chǎn)開采方案，甚至造成礦產(chǎn)開采過程中遇到地質(zhì)構(gòu)造與設(shè)計不符，工作面和巷道傾角無法及時調(diào)整的嚴重后果[5]。

2 采勘協(xié)同工作平臺實現(xiàn)研究

針對前面描述的當前礦產(chǎn)開采和勘探工作中存在的問題，要改變信息溝通不及時、不全面的狀況，就需要將礦產(chǎn)開采過程中實際揭露的地質(zhì)資料及時與勘探方共享，地質(zhì)勘探技術(shù)專家在此前提下，快速分析出更完善、更接近實際情況的勘探報告成果，反饋給礦產(chǎn)開采方做工作指導，這種地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)開采的迭代協(xié)同工作方式，能極大提高勘探報告的準確性，最大限度地避免因勘探報告不準確而導致巷道報廢的巨大經(jīng)濟損失，從而有效提高礦區(qū)生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟效益。

為了實現(xiàn)礦產(chǎn)開采、地質(zhì)勘探迭代協(xié)同工作方式，可以使用現(xiàn)代化的計算機軟硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，融入“大數(shù)據(jù)”和“服務共享SaaS(Software as a Service)”的理念，構(gòu)建“礦產(chǎn)開采與地質(zhì)勘探協(xié)同工作平臺系統(tǒng)”，簡稱為“采勘協(xié)同工作平臺”。這樣不僅能夠有效地指導礦產(chǎn)開采工作，也能為國家資源管理部門和地質(zhì)教學科研機構(gòu)提供更快、更準確的地質(zhì)資料。

“采勘協(xié)同工作平臺”可為多家礦產(chǎn)開采和地質(zhì)勘探單位共同協(xié)同使用，系統(tǒng)應確保單位用戶數(shù)據(jù)安全訪問的情況下，做到流程清晰、數(shù)據(jù)準確、易于使用。

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

用戶登錄“采勘協(xié)同工作平臺”，平臺將根據(jù)用戶所屬機構(gòu)單位和角色屬性自動為用戶分配使用權(quán)限和工作界面，系統(tǒng)對用戶每個操作都進行有效的控制，用戶在自己的工作界面操作時，在平臺上就實現(xiàn)了整個采勘過程的協(xié)同工作。如圖1所示，平臺總體功能分為以下七個功能中心。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1)數(shù)據(jù)管理中心：實現(xiàn)礦產(chǎn)開采和地質(zhì)勘探的全面數(shù)據(jù)管理，不僅包括地質(zhì)勘探形成的資料數(shù)據(jù)，還包括礦產(chǎn)開采過程中揭露的地質(zhì)圖文信息和音視頻信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集、上傳、數(shù)據(jù)描述、校驗審核、歸檔和查詢等操作。用戶在系統(tǒng)中的角色決定該用戶對項目數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。

2)勘探項目設(shè)計中心：管理勘探項目設(shè)計階段工作，根據(jù)勘探項目的基本情況、地理信息、開采情況、歷史勘探信息，對項目的資源、條件和工作目標進行綜合分析，形成可行的項目設(shè)計方案，經(jīng)評審后指導勘探工作。

3)智能模型分析中心：利用數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)模型技術(shù)，實現(xiàn)人工智能自動處理，快速形成更準確的預處理、預解釋中間成果，勘探技術(shù)人員根據(jù)這些中間成果進行參數(shù)調(diào)整、比對實驗等工作，最終形成處理和解釋成果[6-8]。

4)資料處理解釋中心：根據(jù)項目設(shè)計方案，通過對勘探數(shù)據(jù)的實驗、處理、比對和解釋，并經(jīng)過反復論證和評審后，最終確定項目勘探報告。該中心實現(xiàn)整個處理解釋的相關(guān)工作界面和工作流程。

5)數(shù)據(jù)接口中心：平臺實現(xiàn)統(tǒng)一對外接口服務，在IP地址校驗、數(shù)據(jù)權(quán)限校驗、鏈路加密、VPN(Virtual Private Network)加密隧道等安全措施基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)接口對接，進行數(shù)據(jù)輸入和輸出。

6)統(tǒng)計分析中心：對項目信息、資料數(shù)據(jù)信息、機構(gòu)信息進行綜合統(tǒng)計和查詢，為領(lǐng)導決策提供有力數(shù)據(jù)支撐。

7)公共管理中心：實現(xiàn)平臺用戶、角色、機構(gòu)和參數(shù)的管理，為用戶角色分配權(quán)限，以及實現(xiàn)系統(tǒng)日志查詢和消息提醒等功能。

2.2 系統(tǒng)角色設(shè)計

“采勘協(xié)同工作平臺”涉及的機構(gòu)有礦產(chǎn)開采和地質(zhì)勘探兩個類型，在角色設(shè)計方面，可以劃分決策管理、技術(shù)管理和普通技術(shù)人員等角色，各單位可以根據(jù)自身的實際情況，靈活地劃分角色和權(quán)限(表1)。

表1 系統(tǒng)角色劃分

2.3 采勘協(xié)同工作主要內(nèi)容

采勘協(xié)同工作平臺的目的是為處理解釋工作提供完整的、準確的、及時的資料數(shù)據(jù)，主要工作內(nèi)容步驟如下(圖2)。

圖2 采勘協(xié)同工作主要流程示意

1)礦產(chǎn)開采和采礦數(shù)據(jù)提交：礦產(chǎn)開采技術(shù)員收集現(xiàn)場開采中對勘探報告的驗證結(jié)果資料和新發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)問題資料，將這些資料上傳到平臺保存，并將這些資料提交成為預審核現(xiàn)場資料。

2)地質(zhì)勘探和勘探數(shù)據(jù)提交：勘探技術(shù)員進行地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)的采集和匯總，并將勘探資料數(shù)據(jù)提交審核。

3)資料數(shù)據(jù)審核：技術(shù)管理人員接收到最新的勘探和采礦資料數(shù)據(jù)，將資料數(shù)據(jù)審核發(fā)布。

4)資料處理解釋：勘探技術(shù)人員根據(jù)資料數(shù)據(jù)進行處理解釋和實驗比對，形成地形剖面圖及其解釋說明等資料[9]。

5)指導礦產(chǎn)開采和勘探工作：采勘雙方根據(jù)最新的資料處理解釋成果，優(yōu)化開采和勘探工作。

2.4 數(shù)據(jù)庫主要實體關(guān)系

地質(zhì)勘探項目的主體是礦產(chǎn)開采機構(gòu)，承建方是地質(zhì)勘探機構(gòu)，從屬于這些機構(gòu)的項目參與人員依其在項目中的角色，對不同類型的項目數(shù)據(jù)有相應的查詢和修改權(quán)限，數(shù)據(jù)的修改具有審批機制；勘探數(shù)據(jù)包括圖片、視頻、音頻、數(shù)據(jù)文件等資料，也有文本、數(shù)字等類型，各類型數(shù)據(jù)通過ID關(guān)聯(lián)形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；地質(zhì)勘探資料作為元數(shù)據(jù)，為模型構(gòu)建和大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系ER圖

ER圖說明了主要實體的關(guān)聯(lián)關(guān)系：

1)機構(gòu)表保存機構(gòu)信息，分為開采型機構(gòu)和勘探型機構(gòu)。

2)用戶表保存用戶信息和登錄信息，一個用戶從屬于一個機構(gòu)，一個機構(gòu)有多個用戶。

3)項目信息表記錄與項目關(guān)聯(lián)的開采和勘探機構(gòu) ID，與機構(gòu)表形成多對多的關(guān)系。

4)項目資料表記錄采礦數(shù)據(jù)和勘探數(shù)據(jù)，一個項目中包含多條項目資料信息。

5)項目資料表記錄數(shù)據(jù)的提交人和審核人信息，與用戶表形成多對多的關(guān)系。

2.5 系統(tǒng)安全設(shè)計

本系統(tǒng)平臺可以架設(shè)在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，系統(tǒng)用戶可以使用硬件KEY或軟件證書建立與平臺之間SSL或IPSEC安全隧道，實現(xiàn)用戶遠程登錄到本系統(tǒng)，進行各類業(yè)務操作。同時用戶在系統(tǒng)中的訪問操作權(quán)限粒度可以細化到某個菜單、某個頁面甚至某個按鈕，確保各類數(shù)據(jù)的安全訪問。

數(shù)據(jù)庫方面，PostgreSQL可以實現(xiàn)本地機房同步備份和異地機房異步備份，確保數(shù)據(jù)安全。

所有中間件和業(yè)務應用服務，都采用集群部署，實現(xiàn)高可用，確保系統(tǒng)7×24小時正常運行。

3 采勘協(xié)同工作平臺實現(xiàn)技術(shù)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

考慮到系統(tǒng)的復雜性和擴展性需要，采勘協(xié)同工作平臺系統(tǒng)采用基于Spring Cloud的微服務架構(gòu)，各微服務獨立部署，也可以部署到Docker容器中，微服務的啟停不會相互干擾，實現(xiàn)熱升級；系統(tǒng)具有可擴展性，針對業(yè)務微服務的處理能力以及業(yè)務交易的積壓情況，可增加或刪減某個微服務應用節(jié)點，做到硬件資源按需分配。這樣可以充分利用已有硬件資源，提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。從技術(shù)架構(gòu)看，平臺劃分為以下5層服務：

1)數(shù)據(jù)存儲層：平臺數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，其他的如地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)文件、圖片、流媒體音視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存放在分布式文件服務中。

2)微服務層：該層是在Spring Cloud架構(gòu)基礎(chǔ)上，將采勘協(xié)同工作封裝成小而自治的服務，平臺根據(jù)業(yè)務的邊界來確定服務的邊界，每個服務只專注自己邊界之內(nèi)的功能；平臺審批工作統(tǒng)一采用支持BPMN(Business Process Model and Notation)2.0規(guī)范的Flowable工作流引擎，并將其封裝成微服務，統(tǒng)一受Spring Cloud架構(gòu)管理。

3)網(wǎng)關(guān)控制層：內(nèi)部通過OAuth(Open Authorization)2.0頒發(fā)Token令牌實現(xiàn)授權(quán)，為不同角色分配訪問權(quán)限；外側(cè)通過Spring Cloud Gateway實現(xiàn)應用服務的門戶訪問控制，通過Alibaba Nacos中間件實現(xiàn)微服務的注冊、發(fā)現(xiàn)、配置、健康檢查等工作。

4)前端展現(xiàn)層：用戶交互界面采用Vue前端技術(shù)架構(gòu)開發(fā)，可以為采礦人員和勘探人員提供媒體資料采集手機App，便于進行多媒體資料的采集，平臺頁面風格統(tǒng)一，方便各類用戶業(yè)務操作。

5)接入分發(fā)層：系統(tǒng)通過Nginx實現(xiàn)均衡負載和SSL安全連接訪問，也可以為不同機構(gòu)單位派發(fā)物理密鑰KEY，通過VPN隧道和加密技術(shù)登錄訪問系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)軟件選型

考慮到擴展性和SaaS云平臺的建設(shè)需求，平臺中間件選型要遵循安全性和開放性的原則，盡量選用廣泛使用的開源協(xié)議軟件，操作系統(tǒng)選用Linux，開發(fā)語言選用Java，采用Spring Boot對微服務進行封裝，用Java Spring Cloud分布式架構(gòu)實現(xiàn)微服務治理；關(guān)系型數(shù)據(jù)庫建議使用開源的PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，它不僅有較強的穩(wěn)定性、支持高并發(fā)讀寫、好的擴展能力，還具有豐富的數(shù)據(jù)類型，如Json、數(shù)組、bitmap等數(shù)據(jù)類型，便于平臺建設(shè)和后期維護。

以下是中間件選型推薦，都采用開源免費授權(quán)協(xié)議，都支持集群部署方式(表2)。

表2 中間件選型

3.3 人工智能在勘探項目的應用

本系統(tǒng)平臺是基于“SaaS”服務共享理念進行構(gòu)思,將積累多個單位多個項目的海量資料數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機器學習，建立和優(yōu)化大數(shù)據(jù)模型，并將模型應用于項目數(shù)據(jù)中，進行地球物理數(shù)據(jù)的分析與解釋，大幅度提升數(shù)據(jù)分析解釋的客觀性和可靠性[10-12]，技術(shù)人員在此基礎(chǔ)上進行人工處理、比對和解釋，在最少的時間內(nèi)得到最佳的處理成果。

4 “采勘協(xié)同工作平臺”應用場景

4.1 避免因數(shù)據(jù)缺失、溝通不足造成對老礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)的誤判

有些老礦區(qū)因經(jīng)歷過小煤窯亂開采而存在比較多的采空區(qū)，采空區(qū)遺留煤柱、邊角煤以及水、火、瓦斯等致災因素，對現(xiàn)代化礦產(chǎn)開采和井下人員生命安全造成極大的威脅。

利用三維地震物探的方法一般能夠采集到采空區(qū)的情況，數(shù)據(jù)資料上會有相應的反映，在處理解釋過程中，技術(shù)人員注意到某個區(qū)域斷距突然變大而消失、斷層傾角近于直立等類似采空區(qū)的情況，但會因為沒有相應平臺而只能口頭或電話告知，增加工作失誤的幾率，平臺的建立能夠有效的避免這種情況的發(fā)生。

利用“采勘協(xié)同工作平臺”，各環(huán)節(jié)人員能將采勘各環(huán)節(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在系統(tǒng)中，同時也能閱覽其他同事的項目數(shù)據(jù)，避免因信息不足造成的誤判，避開采空區(qū)設(shè)計采面，為安全礦產(chǎn)開采提供更安全的保障。

4.2 實現(xiàn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)共享，提高解釋精度

在處理解釋勘探資料過程中，揭露小斷點位置在常規(guī)地震解釋中是忽略的，實際生產(chǎn)過程中研究發(fā)現(xiàn)，因目的層較厚而上下鄰層較薄，導致在上下輔助層位上反射是中斷的，這種情況就需要根據(jù)相鄰層位反射中斷來判斷是否有斷層存在。使用“采勘協(xié)同工作平臺”在同一地區(qū)進行補充精查勘探，可以隨時查閱相鄰區(qū)域的歷史地質(zhì)勘探成果，快速確定小斷點的精確位置。

4.3 實現(xiàn)勘探資料自動預處理，提高工作效率

“采勘協(xié)同工作平臺”將不同時期、不同勘探和開采單位的資料有序地保存起來，在空閑時，系統(tǒng)根據(jù)預先設(shè)置的經(jīng)驗參數(shù)和機器學習算法進行模型訓練，優(yōu)化勘探資料處理模型。當新的資料提交后，在處理人員指令下系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行模型預處理，系統(tǒng)將快速生成出更客觀的預處理解釋結(jié)果，處理解釋人員在此基礎(chǔ)上進行校驗、修正和補充，快速產(chǎn)生處理解釋成果。

5 結(jié)論

通過多年的實踐經(jīng)驗，總結(jié)出當前地質(zhì)勘探與礦產(chǎn)開采工作的需求，創(chuàng)新性地提出了利用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在地質(zhì)勘探與礦產(chǎn)開采協(xié)同工作中的應用設(shè)想，形成了“采勘協(xié)同工作平臺”的概念，在協(xié)同工作平臺實現(xiàn)方案方面，本文對用戶角色進行了簡要的分析，梳理了地質(zhì)勘探與礦產(chǎn)開采雙方協(xié)同辦公的主要工作內(nèi)容，歸納出7個功能模塊中心，梳理了勘探項目、機構(gòu)用戶和資料數(shù)據(jù)的實體關(guān)系，提出了基于大數(shù)據(jù)、SaaS云平臺的分布式組成架構(gòu)，模擬了協(xié)同工作平臺的工作場景。該方案的實現(xiàn)和應用，將極大提高勘探效率和勘探成果的可靠性，從而為地質(zhì)勘探與礦產(chǎn)開采雙方提升經(jīng)濟效益和社會效益。