問題的提出
數(shù)字礦山是建立在數(shù)字化、信息化、虛擬化和集成化基礎上的，有計算機網(wǎng)絡管理的管控一體化系統(tǒng)。它綜合生產、經(jīng)營、管理、環(huán)境、資源、安全與效益等各種因素，使企業(yè)在實施綠色采礦的條件下實現(xiàn)整體協(xié)調優(yōu)化，以增強礦山企業(yè)在市場中的競爭能力和適應能力。數(shù)字礦山的是最終目標是礦山的綜合自動化。
我國的煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎產業(yè)，但與國際上發(fā)達國家相比，我國煤炭企業(yè)普遍存在兩個方面的不足；一是煤礦總體裝備技術水平，尤其是系統(tǒng)的整體有效性、信息化水平不高；二是煤礦生產事故多，造成國家財產和人民生命的嚴重損失。其根本原因是對礦井作業(yè)過程和環(huán)境狀況缺乏一套系統(tǒng)、科學的動態(tài)監(jiān)測、分析以及實時有效的控制技術。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，尤其是信息化時代的到來，為煤炭工業(yè)這一傳統(tǒng)工業(yè)的改造指定了方向。
煤礦井下各種監(jiān)測，監(jiān)控系統(tǒng)繁多，目前國內這些監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)仍處于相互獨立的狀態(tài)。各種系統(tǒng)字成體系，信息不能互通，造成通信線路重復投資、重復建設，系統(tǒng)維護量增大,整體可靠性差.許多企業(yè)僅僅通過安全生產監(jiān)控網(wǎng)絡將各種子系統(tǒng)連接起來,仍不能實現(xiàn)系統(tǒng)資源管理和信息的共享。這種網(wǎng)絡的通訊方式為分時通訊，數(shù)據(jù)分時采集，遠遠達不到工業(yè)系統(tǒng)實時性是要求。而且現(xiàn)有的礦級網(wǎng)絡大多僅支持辦公自動化，其實時性、可靠性和抗惡劣環(huán)境的能力還不能滿足煤礦安全，生產、調度系統(tǒng)的需要。此外，信息不能綜合利用，難以從系統(tǒng)工程的整體角度來對礦山進行統(tǒng)一的自動化調度管理。開發(fā)數(shù)字化礦山關鍵技術，通過與科研院校的聯(lián)合，在對煤炭生產過程、作業(yè)環(huán)境、事故預測、安全控制等關鍵環(huán)節(jié)的重點研究，解決關鍵技術的基礎上，全面運用電子信息技術，形成高效的自動化安全生產技術，構建一座真正意義上的數(shù)字化煤礦，可實現(xiàn)改造傳統(tǒng)工業(yè)，提升企業(yè)生產裝備的綜合自動化水平的目的，使其生產流程和安全性控制程序化，集成化、網(wǎng)絡化、智能化、大大提高生產、安全裝備的綜合自動化水平，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的可用性,確保生產安全和高產效。數(shù)字礦山的總體構架。圖略。
2國內外概況
2.1 國外相關學派與技術發(fā)展的概況
“數(shù)字礦山”是一個實時管理礦區(qū)全部信息資源人力資源、生產要素和生產活動、銷售活動的信息處理系統(tǒng)，完全意義上的國外相關產品還未見報道，但已有許多相關的地理信息系統(tǒng)平臺商品化軟件。在通用地理信息系統(tǒng)方面有代表性的有：每個環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）的ARC/Info。美國Mapinfo公司的MapinfoGIS，澳大利亞GENASYS公司的GENAMAP。美國INTERGRAPH公司的MGE。在地質、水文，礦山等專門地質信息系統(tǒng)方面有代表性的有加APOLLO公司的TITSN GIS，MICROLYNX地學三維模型分析軟件。德國FEFLOW公司的FEFLOW 地下水模擬軟件等。
2.2 國內相關產品與技術現(xiàn)狀
對于煤炭行業(yè)，“數(shù)字礦山”或“數(shù)字礦區(qū)”是煤炭企業(yè)實現(xiàn)“企業(yè)信息化工程”的主體工程。鑒于“數(shù)字礦山”核心技術復雜、投入大、開發(fā)周期長，而國際國內在這方面起步時間都不長，所以雖然有些煤炭企業(yè)正在或準備開展該項工作，但均不是完全意義上的“數(shù)字礦山”。山東 礦山集團公司與2001年開展了“數(shù)字 礦”的立項和建設，但目前僅僅局限在“地測空間信息平臺構建與開發(fā)”，離真正的數(shù)字礦山尚有很大距離。徐州礦務集團公司亦開展了“數(shù)字煤礦”的建設，先以張雙樓煤礦作為試點，但無論在廣度（全面的煤礦數(shù)字化）的深度（以數(shù)字化作為煤礦生產的核心技術）上都還遠遠不夠。$Page_Split$
3、總體實施方案研究
3.1技術特點、關鍵技術和關鍵工藝
煤礦高效自動化安全生產技術——數(shù)字化礦山關鍵技術開發(fā)，核心是礦山高效自動化安全生產技術。關鍵技術主要包括：（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺的開發(fā)；（2）貫穿礦井生產安全過程的綜合自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)；（3）以數(shù)值模擬，實時響應及控制為核心的智能化坎井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。
關鍵的工藝是建立一套集井下各類實時數(shù)據(jù)（生產、安全）的有效采集、準確傳輸、科學分析、智能化頂測、及時控制和反饋的礦井自動化綜合安全生產技術，形成統(tǒng)一平臺，其中包含寬帶數(shù)據(jù)傳輸平臺，語音通訊平臺，寬帶視頻傳輸平臺，構建統(tǒng)一的支持各類應用的計算機網(wǎng)絡平臺，是三網(wǎng)融合。建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，建立以數(shù)據(jù)中心為基礎的企業(yè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺。逐步構建企業(yè)的數(shù)據(jù)倉庫。以統(tǒng)一系統(tǒng)支撐平臺，建立以門戶技術為核心的應用系統(tǒng)支撐平臺。使用門戶技術能夠和信息系統(tǒng)有效完整集成，具有個性化的定制能力、支持多種開發(fā)環(huán)境并在管理和維護方面簡單。通過統(tǒng)一應用平臺，建立以應用服務器技術為核心的三層網(wǎng)絡應用技術為基礎的應用開發(fā)平臺。
3.2.1實施的具體內容
（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺。首先應用三維GIS技術建立礦井綜合信息管理平臺，開發(fā)出一個實時動態(tài)的三維可視化平臺，實現(xiàn)礦井空間位置、作業(yè)環(huán)境、生產過程與行為、設備工況、安全狀況等的數(shù)字化、生產指揮、調度、管理的科學化與智能化，使信息資源實現(xiàn)最大化的利用。主要包括井下信息管理子系統(tǒng)和地面管理信息系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。具有以下特點，數(shù)據(jù)的完備性，實時信息采集與處理的快速性、正確性、有效性和安全性，管理、指揮的全方位性、預見性和突發(fā)事件處理的最佳性。
（2）礦井生產全過程的綜合自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)，對現(xiàn)有生產系統(tǒng)進行綜合自動化改造、自動化補套，將分散獨立的子系統(tǒng)進行綜合集成，提升生產工藝流程的集約化水平，優(yōu)化過程控制，建立底層控制網(wǎng)，初步實現(xiàn)主要生產系統(tǒng)的集中監(jiān)控和部分系統(tǒng)的關聯(lián)互動。
（3）數(shù)值模擬。實現(xiàn)響應及控制為核心的智能化礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。對安全監(jiān)測系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化與完善，尤其是建立一套能對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面分析、從而進行災害識別、預測，并能通過生產綜合生產自動化控制系統(tǒng)進行有效控制的安全測控系統(tǒng)。
3.2.2實施的具體內容和技術路線
（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺。首先應用三維地理信息技術建立的復合地質數(shù)據(jù)庫和礦井真三維空間地質模型建立生產管理信息系統(tǒng)、地質測量子系統(tǒng)、礦井三維空間地質建模、信息查詢及輸出模塊、采掘信息管理子系統(tǒng)、生產與礦井儲量分類統(tǒng)計報表輸出模塊、運輸及生產保障信息子系統(tǒng)。
本系統(tǒng)項目擬采取的技術路線為：
從礦區(qū)層面的地測空間數(shù)據(jù)入手，按空間數(shù)據(jù)的幾和特征和業(yè)務門類進行分類組合，并按國際和行業(yè)標準，建立統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)。根據(jù)業(yè)務門類或指定主題，按照“不重不漏，留有余地”的原則，規(guī)劃、構建礦區(qū)層面的數(shù)據(jù)倉庫，每一個主題可對應于一個子倉庫，如地質、采礦、運輸及保障等，每一個子倉庫可與一個或幾個分布在各礦的操作數(shù)據(jù)庫相連。
不論某空間要素分布在何處，也不論其原始記錄數(shù)字 化與否，皆應通過信息平臺的構建，使每一個地測空間要素都對應一個體現(xiàn)上述綜合特征的標識碼，該標識碼及其對應的空間要素的所有信息可以分布式地存放在已有的操作型數(shù)據(jù)庫中。憑借數(shù)據(jù)倉庫特有的“向下探察技術”，首先要能夠根據(jù)標識碼從散布在數(shù)據(jù)倉庫里的海量數(shù)據(jù)中“找到”所需數(shù)據(jù)，然后通過適當?shù)臄?shù)據(jù)轉化機制“打開”該數(shù)據(jù)，使之能為特定的研究目標所用。根據(jù)三維GIS理論和方法，運用空間分析、虛擬現(xiàn)實、WebGIS等技術，構建真三維空間實體模型，動態(tài)模擬地質變化、采掘過程、運輸過程。建立多維地測繪圖系統(tǒng)。建立數(shù)據(jù)倉庫及處理結果的網(wǎng)上數(shù)據(jù)接口、界面，使用戶不僅通過網(wǎng)絡實現(xiàn)二維或三維的顯示和輸出，而且可以借助多維地測繪圖系統(tǒng)實現(xiàn)快速成圖。
（2）井下主要設備、生產過程等系統(tǒng)的自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)。當前國內絕大多數(shù)廠礦企業(yè)自動化系統(tǒng)都是多個子系統(tǒng)組成，各廠家的產品自成系統(tǒng)，分立運行、彼此無聯(lián)系，整個系統(tǒng)形成多個自動化監(jiān)控孤島。為了實現(xiàn)自動化系統(tǒng)，國內目前許多許多地方采用組態(tài)軟件（如fix，iniouch、組態(tài)王）和網(wǎng)絡等IT技術來進行系統(tǒng)集成。因各子系統(tǒng)廠家不同，通信協(xié)議不標準，因此實施起來較困難，設計、安裝、調試周期長，維護困難，使用設備和布線多，效果差。
為實現(xiàn)礦井綜合自動化監(jiān)測監(jiān)控傳統(tǒng)集成，建議采用以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。FCS是信息化在工業(yè)自動化領域的體現(xiàn)，是工業(yè)自動化發(fā)展的方向，是系統(tǒng)集成的重要手段。礦井生產自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要包括：綜采工作監(jiān)控系統(tǒng)、膠帶機監(jiān)控系統(tǒng)、機電設備自動化系統(tǒng)等。首先是應用現(xiàn)場總線建立底層設備之間的通信網(wǎng)絡，是計算機數(shù)字通信技術在自動化領域的應用，為底層設備信息及生產過程信息集成提供了通信技術平臺。實現(xiàn)監(jiān)控信息縱向集成的透明通信。把DCS集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構,變成了新型全分布式結構,把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身使可實現(xiàn)基本控制功能。工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術與現(xiàn)場總線技術相結合的產物，以光纖為傳輸通道，主要敷設在大巷和主要聯(lián)絡巷道。根據(jù)煤礦的實際情況，采用有線、無線等多種方式建立各種監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)接入綜合業(yè)務網(wǎng)。控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)接口技術，基于實時歷史數(shù)據(jù)庫管控一體化平臺技術，現(xiàn)場總線技術，工業(yè)以太網(wǎng)技術，閉環(huán)檢測控制技術。
開發(fā)數(shù)據(jù)接口，將各個已有控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)送入一個統(tǒng)一的實時歷史數(shù)據(jù)庫管控一體化平臺，從此可實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，構建數(shù)據(jù)倉庫；采用自動控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場各生產參數(shù)，對現(xiàn)場設備和參數(shù)進行監(jiān)控；通過相應的通信接口如OPC SERVER將各生產對象的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)作為整個生產控制信息集成的基礎。采集的井下生產數(shù)據(jù)及地面各控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)擬采用工業(yè)以太網(wǎng)前沿傳輸技術，傳遞到相應的中央服務器或根據(jù)地域劃分的應用服務器，實現(xiàn)地域調度和集團總體管理。
主要包括①綜采工作面臨監(jiān)控主要實現(xiàn)支架自動電液控制、頂板壓力監(jiān)測和工作面內所有生產設備的集中控制，達到改善作業(yè)條件和減人少人的目的。同時采用現(xiàn)場總線技術將系統(tǒng)內的信息送至地面控制中心，為生產調度指揮系統(tǒng)提供可靠的基礎信息。②膠帶機運輸和提升監(jiān)控系統(tǒng)：本系統(tǒng)通過采用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)對主井膠帶機、各盤區(qū)膠帶機、煤倉給煤機和煤倉庫煤位的集中監(jiān)控，并結合工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)和信號通信系統(tǒng)，實現(xiàn)原煤膠帶機運輸系統(tǒng)的集中控制，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性，減少崗位司機，提高生產效率。同時將系統(tǒng)內的信息送至地面監(jiān)控中心，為生產控制和調度指揮系統(tǒng)提供可靠的基礎信息。③機電設備自動化系統(tǒng)：通風機房監(jiān)控系統(tǒng)、壓風機自動化系統(tǒng)、井下供排水控制系統(tǒng)、井下供電監(jiān)控系統(tǒng)。④洗煤廠原煤加工綜合自動化系統(tǒng)：采用先進的計算機控制技術、管理技術，通訊網(wǎng)絡技術和信息技術，進行系統(tǒng)集成，構成洗煤廠綜合自動化信息系統(tǒng)（CIMS），將洗煤廠各獨立的控制系統(tǒng)集中進行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)與洗煤廠計算機管理信息系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)集成化和管理一體化，以提高煤炭產品加工質量和生產效率，減員提效，降低生產成本，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力。
礦井寬帶多功能移動通信系統(tǒng)的開發(fā)與應用：工作頻率可根據(jù)需要，在4MHZ寬帶的范圍內任意設定。多個信道自動掃描、自動分配，并在手機和基站上自動顯示：與地面公用有線電話網(wǎng)和無線移動電話聯(lián)網(wǎng)；手機和基臺的發(fā)射功率連續(xù)可調，滿足各種不同礦井的不同需求，使系統(tǒng)的應用范圍更廣?？蔀榻窈蟮娜藛T跟蹤，圖象傳輸和井下尋呼系統(tǒng)提供技術平臺和傳輸通道。設計帶通濾波器設計，采用微機辦公室MWOFFICE方法得出較為理想的LC濾波器指標達到設計要求。雙向中繼放大器的自激。主要改善方法是變換射頻信號的接地方法，經(jīng)過多次調試才獲得成功。本安手機電池的研制，研制大容量手機電池（1500mAh），采用新型CCR器件，需經(jīng)上海防爆檢驗站的檢驗，取得了防爆檢驗合格證。針對現(xiàn)有問題進行相應的技術發(fā)展，如采用自診斷技術以提高生產效率，降低維護人員的勞動強度；采用井下寬帶放大器以承載多種業(yè)務；進行電磁兼容和電纜、外殼改造等綜合設計以提高產品的可靠性；采用成熟電路和新型元件以提高產品的集成度和穩(wěn)定性。
（3）礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。①礦井監(jiān)測系統(tǒng)準確、及時的報警技術：根據(jù)災害的不同種類，確定監(jiān)測系統(tǒng)傳感器優(yōu)化設置參數(shù)，包括傳感器的類型、數(shù)量、布置間距、位置、報警限設置等，并根據(jù)不同種類傳感器的特性和災害發(fā)生的規(guī)律，開發(fā)辨別災害誤報、錯報的技術、提高礦井災害預警及時性和可靠性。以提高監(jiān)測系統(tǒng)相關安全信息的及時傳輸能力，縮短災害動態(tài)模擬技術的基礎上，結合GIS技術，在通風系統(tǒng)風流狀態(tài)參數(shù)變化的影響；
