煤礦三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

袁浩

（冀中能源 峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056201）

1 概 況

進(jìn)入21 世紀(jì)，現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展給礦業(yè)智能化發(fā)展帶來了機(jī)遇。“智慧礦山”是指針對礦山發(fā)展需求，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算、人工智能、地理信息系統(tǒng)、地學(xué)建模、建筑信息模型、物聯(lián)網(wǎng)等方面開展技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建一套基于PLC數(shù)據(jù)集成及三維可視化顯示的綜合系統(tǒng)。三維可視化系統(tǒng)是其中核心部分，主要包括多維異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集分析，并展示出符合煤礦實際場景的三維GIS 地圖，做到統(tǒng)一的三維仿真界面、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫、統(tǒng)一的管理平臺、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸。SCADA 系統(tǒng)為“智慧礦山”中另外一部分，可以概括為PLC 數(shù)據(jù)采集及集成聯(lián)動系統(tǒng)，其通信分為內(nèi)部通信、與I/O 通信、和外界通信。本文中提到的SCADA 將采用外界通信的OPC 協(xié)議來截獲PCS 數(shù)據(jù)來源，供三維可視化系統(tǒng)來使用相關(guān)數(shù)據(jù)。

經(jīng)各大礦井實際調(diào)研，目前煤礦三維可視化系統(tǒng)大部分為偽三維的設(shè)計，無法展示真實的礦井情況，更無法做到細(xì)節(jié)處理及總數(shù)據(jù)倉庫的建設(shè)。煤礦所使用的自動化機(jī)械設(shè)備大部分采用PLC 來對應(yīng)各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，雖可實現(xiàn)井上的管控能力，但存在廠家不統(tǒng)一，畫面不統(tǒng)一，人員分配不集中等問題。各個礦的集控室均分布在各個生產(chǎn)單位，管理達(dá)不到一致性，導(dǎo)致在事故發(fā)生時存在互相推卸責(zé)任的問題。因此，筆者對該情況進(jìn)行了深入的討論和分析，為解決這些問題做出必要的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化設(shè)計理念。

2 存在問題

目前SCADA 系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涉及到組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)傳輸鏈路，但針對性較強(qiáng)，主要針對PCS（過程控制系統(tǒng)）、電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)，而B/S 類應(yīng)用系統(tǒng)卻無法應(yīng)對，例如SMS（安全監(jiān)測系統(tǒng)），數(shù)據(jù)始終分為兩部分，因此建立總數(shù)據(jù)倉庫尤為重要。本文將利用先進(jìn)的JAVA（面向?qū)ο缶幊陶Z言）技術(shù)以及OPC（工業(yè)控制系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)接口）協(xié)議來完成數(shù)據(jù)倉庫的建設(shè)。

3 三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體框架

煤礦三維可視化系統(tǒng)主要由三維建模軟件、信息處理軟件、數(shù)據(jù)倉庫組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。三維建模軟件采用基于物理的光照(PBR)技術(shù)，使用MAYA（Autodesk 建模軟件）建模，利用Substance Painter 烘焙繪制貼圖，再通過高精度遙感影像實時加載完成井田，最終實現(xiàn)整個煤礦的三維實景還原。信息處理軟件分為兩部分，分別是PCS（過程控制系統(tǒng)）數(shù)據(jù)處理軟件、SMS 數(shù)據(jù)處理軟件，主要完成不同數(shù)據(jù)的采集及計算。數(shù)據(jù)倉庫主要通過信息處理軟件計算完成的完整數(shù)據(jù)源，進(jìn)行不同協(xié)議的數(shù)據(jù)整合，建設(shè)數(shù)據(jù)總倉庫。

圖1 煤礦三維可視化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Coal mine 3D visualization system architecture

3.2 三維建模軟件

煤礦三維模型是利用空間信息理論建立一個反映煤礦結(jié)構(gòu)特征和空間分布規(guī)律的數(shù)據(jù)模型。煤礦三維模型的準(zhǔn)確構(gòu)建是煤礦智能化和無人化研究的關(guān)鍵。目前煤礦三維模型所完成的場景有礦井工業(yè)廣場、井下巷道、煤流路線、風(fēng)流路線、電流路線、采掘設(shè)備、運輸設(shè)備、電力設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等實景還原。功能性點擊事件主要包含動態(tài)實時顯示當(dāng)前在線設(shè)備數(shù)據(jù)、查看全礦井實時工業(yè)監(jiān)控視頻、人員定位歷史軌跡回放、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)顯示、查看工作面、掘進(jìn)區(qū)域狀態(tài)、全礦井區(qū)域自動巡檢、地質(zhì)測量數(shù)據(jù)顯示等，綜合上述場景及功能點完成三維可視化系統(tǒng)三維界面展示。

煤礦三維模型的建立過程是通過激光掃描設(shè)備掃描工業(yè)廣場的室內(nèi)場景的激光點云，利用無人機(jī)拍攝全礦井鳥瞰總覽圖，拍攝井下本安型攝像頭及現(xiàn)場勘探，獲得實際場景設(shè)備及巷道總覽，完成井田及外圍地表高精度遙感影像實施加載，最終通過二三維數(shù)據(jù)一體化，地質(zhì)模型全自動建模，完成高效同步更新。

為了達(dá)到實際展示效果，采用了光照技術(shù)，又稱PBR 技術(shù)，基于物理原理和微平面理論建模的著色/光照模型，以及使用從實際應(yīng)用場景中測量的表面參數(shù)，來準(zhǔn)確表示礦井中的材質(zhì)渲染理念，其中渲染方程作為渲染領(lǐng)域中的重要理論，主要描述光能在場景中的流動，是渲染中不可感知方面的最抽象的正式表示。渲染方程可以表示為：

根據(jù)該技術(shù)做出的實際效果如圖2 所示，光影效果疊加顯示。

圖2 內(nèi)部場景設(shè)計圖Fig.2 Internal scene design

根據(jù)煤礦AUTOCad 圖紙情況，通過屬性獲取對象名稱，對象再獲取實體名稱，實體綁定場景節(jié)點，用顏色區(qū)分出各場景，主要場景包括工作面、采空區(qū)、積水區(qū)、實際地理圖層等，進(jìn)行區(qū)分后各場景綁定井田地理信息，完成場景全覆蓋還原真實場景顯示。

在實際勘探過程中，在細(xì)節(jié)問題上也做出了相應(yīng)處理，例如井下工作人員的模型處理。所有的井下工作人員均配有呼吸器、口罩、礦燈、人員定位卡等，所以為達(dá)到逼真及實際還原的理念，從設(shè)計的原本路線出發(fā)，對人物模型進(jìn)行細(xì)致化設(shè)計處理，如圖3 所示。

圖3 人物模型設(shè)計Fig.3 Character model design

3.3 信息處理軟件的設(shè)計

信息處理軟件主要采集終端分為兩部分，即PCS 數(shù)據(jù)和SMS 數(shù)據(jù)。在當(dāng)今煤礦發(fā)展過程中，越來越趨向于機(jī)器代替人工，PLC 成為了主流的工業(yè)控制手段，PLC 數(shù)據(jù)源具有穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，地面控制機(jī)器是使用PLC 的關(guān)鍵因素，文中所提到的PCS，即process control systems，也就是工業(yè)中經(jīng)常用到的過程控制系統(tǒng)，其中就包含基于PLC 的整合SCADA，即監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時為了保障安全，除了PCS 數(shù)據(jù)來源外，還存在著安全監(jiān)測、人員定位等非控系統(tǒng)，保證井下安全生產(chǎn)環(huán)境及確定人員所在位置，該類系統(tǒng)統(tǒng)稱為SMS，即Safety Management System，也就是安全監(jiān)測系統(tǒng)。

為了打通整個礦井的數(shù)據(jù)接入，PCS、SMS 是必不可少的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源，因此需要將不同的協(xié)議綜合處理，通過不同的技術(shù)手段來進(jìn)行采集和計算融合，如圖4 所示。

圖4 信息處理軟件總覽設(shè)計Fig.4 Overview design of information processing software

煤礦現(xiàn)階段PCS 數(shù)據(jù)主要由PLC 進(jìn)行采集，通過井下環(huán)網(wǎng)上傳至地面上位機(jī)，由上位機(jī)組態(tài)界面來實現(xiàn)監(jiān)控，即控制管理。前文所提到的組態(tài)軟件繁多，分布在各個生產(chǎn)單位，導(dǎo)致了一系列兼容性問題，因此需要對PLC 進(jìn)行整合，即SCADA 理念，建立統(tǒng)一的PCS 管理模式。眾所周知組態(tài)廠家繁多，例如組態(tài)王、winCC、力控等，而OPC 協(xié)議為主要采集控制協(xié)議，匯集各組態(tài)系統(tǒng)的點位為一體，給工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，將硬件與應(yīng)用軟件有效地分離開來，是一種典型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)接口和規(guī)程，主要解決過程控制系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換問題，可以在各個應(yīng)用之間提供透明的數(shù)據(jù)訪問。采用KEP Server 通過OPC 協(xié)議將PCS 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到對應(yīng)數(shù)據(jù)值進(jìn)行實際數(shù)據(jù)比較計算，從而獲取實際設(shè)備運行采集值。

煤礦的SMS 數(shù)據(jù)主要來源于井下環(huán)境監(jiān)測和人員定位，通過調(diào)研了解，大部分煤礦應(yīng)用廠家普遍對外傳遞TXT、JSON、XML 來接入第三方獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，所以選用JAVA 來作為資源表現(xiàn)層的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，InputStreamReader 類是從字節(jié)流到字符流的橋接器，它使用指定的字符集讀取字節(jié)并將它們解碼為字符。

根據(jù)上傳數(shù)據(jù)對接協(xié)議，編制邏輯處理業(yè)務(wù)，使用SpringBoot 架構(gòu)，搭建基礎(chǔ)平臺，采用Swing作為C/S 操作界面，通過api 接口對外傳遞獲取的TXT、Json、XML 格式文件。TXT 文本的傳輸實現(xiàn)主要流程為創(chuàng)建InputStreamReader 進(jìn)項TXT 文本轉(zhuǎn)換，使用BufferedReader 包裝InputStreamReader，創(chuàng)建StringBuffer 字符串，通過readLine 來讀取流數(shù)據(jù)，使用while 循環(huán)進(jìn)行字符串拼接來解析出數(shù)據(jù)對應(yīng)值，如圖5 所示。

圖5 TXT 處理流程Fig.5 TXT processing flow

綜上所述，兩種數(shù)據(jù)來源通過不同的傳輸形式，匯聚入庫是在信息處理軟件的研發(fā)中所要實現(xiàn)的內(nèi)容，最終實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)入同一個數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲，并供給三維可視化界面調(diào)用顯示。

3.4 數(shù)據(jù)倉庫的設(shè)計

應(yīng)用SQL Server 2014 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫完整存儲煤礦系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，如圖6 所示，信息處理軟件中分為PCS、SMS 數(shù)據(jù)來源，但是關(guān)鍵部分在于后續(xù)寫入數(shù)據(jù)庫的過程。PCS 數(shù)據(jù)由KEP Server 集成，實現(xiàn)JAVA 與PLC 之間的通信,中間需要借助KEP Server，在KEP Server 中設(shè)置地址變量，采用基于純JAVA 封裝的j-interop 的utgard 開源項目，來完成與KEP Server 通訊過程。

圖6 OPC 結(jié)構(gòu)圖Fig.6 OPC structure diagram

循環(huán)讀?。篣tgard 提供了一個AccessBase 類來循環(huán)讀取數(shù)值。

批量讀?。和ㄟ^組(Group)，增加項(Item)到組，然后對Item 使用read()。

由此完成OPC 數(shù)據(jù)讀取，使用druid 阿里開源數(shù)據(jù)連接池，將PCS、SMS 數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化后寫入SQL Server 2014，完成數(shù)據(jù)總倉庫的集成寫入。

4 煤礦三維可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)

前面分別闡述了三維模型的建立、信息處理軟件的設(shè)計及數(shù)據(jù)總倉庫的設(shè)計，以及最終想要達(dá)到的具體實現(xiàn)，JAVA 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的同時也負(fù)責(zé)了數(shù)據(jù)的展示，接下來將闡述具體實現(xiàn)和融合。

在梧桐莊礦根據(jù)設(shè)計思路進(jìn)行了相關(guān)實現(xiàn)，在前期設(shè)計的基礎(chǔ)上使數(shù)據(jù)與三維建模進(jìn)行融合，達(dá)到部分預(yù)期效果。具體實現(xiàn)流程為使用組態(tài)WEB中間件發(fā)布組態(tài)畫面至B/S 頁面，通過http 靜態(tài)頁面的形式內(nèi)嵌入三維模型中，然后從API 接口獲取數(shù)據(jù)倉庫信息，連接至三維模型中，實現(xiàn)設(shè)備實時數(shù)據(jù)展示，在IIS 中部署的數(shù)據(jù)接口，從數(shù)據(jù)倉庫中獲取安全監(jiān)測、人員定位數(shù)據(jù)，連接至三維模型實體建模中，最終完成三維可視化系統(tǒng)的建設(shè)。

通過無人機(jī)低空航拍完成工業(yè)廣場真實建筑綠化場景的采集，核心作業(yè)場所如井下變電所、水泵房、工作面及相關(guān)設(shè)備等通過360°無死角拍攝技術(shù)完成場景采集，然后結(jié)合cad 圖紙所標(biāo)注的井田地理信息，例如巷道鉆孔逆斷層等復(fù)雜地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過UE4 及激光掃描技術(shù)完成照片級建模，如圖7所示。

圖7 井田地理信息Fig.7 Geographic information of mine field

三維可視化系統(tǒng)主要集成梧桐莊礦井下運輸系統(tǒng)、地面儲運系統(tǒng)、主提升系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)(包括中央泵房、上加壓泵房、下加壓泵房、八采泵房)、通風(fēng)壓風(fēng)系統(tǒng)(包括主扇系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、南風(fēng)井通風(fēng)壓風(fēng)系統(tǒng))、制冷系統(tǒng)及電力監(jiān)控、視頻監(jiān)控、人員定位、安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，集整個梧桐莊礦數(shù)據(jù)為一體，可直觀的觀察到每個地點、每個區(qū)域的動態(tài)數(shù)據(jù)情況，提高自動化管控效率。系統(tǒng)中具有整套地面煤炭運輸系統(tǒng)的流程走向及井下整個煤流系統(tǒng)的工藝走向路徑，并可自動瀏覽從入井到出井、從出煤到裝車的整個動態(tài)走向，更加快速直觀的了解梧桐莊礦的整個工藝流程。圖8 中所展示的的壓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，為此次系統(tǒng)建設(shè)中較為典型的一個場景。

圖8 壓風(fēng)機(jī)總數(shù)據(jù)集成Fig.8 Total data integration of compressor

5 結(jié)語

在智慧礦山的道路上，建立大數(shù)據(jù)可視化平臺是必經(jīng)之路，完善的數(shù)據(jù)集成、優(yōu)良的傳輸能力、以及真實還原的三維模型都是不可缺少的部分。本文在設(shè)計之初考慮了諸多因素，為達(dá)到實際效果，對三維模型進(jìn)行了增添編輯功能，實現(xiàn)了鼠標(biāo)選擇、移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、拉伸等效果，數(shù)據(jù)集成上也運用了較為先進(jìn)的JAVA 和OPC 的結(jié)合實現(xiàn)，達(dá)到了幫助煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)、實現(xiàn)集中管控的目的。當(dāng)然，該系統(tǒng)還在不斷改進(jìn)研發(fā)過程中，想完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)還有一段路要走。