數(shù)字礦山的框架、平臺

及其主要技術

 

 

 

 

 

 

 

 單位  地理信息中心

作者     孫陽陽   

日期  2011.12.26   

 

                                                                        

數(shù)字礦山的框架、平臺及其主要技術

摘要： 數(shù)字化礦山（Digital Mine,簡稱DM）簡稱為數(shù)字礦山，是21世紀傳統(tǒng)的采礦工業(yè)向一個嶄新方向的發(fā)展，全球的高速數(shù)字化在提醒我們需要快速的發(fā)展數(shù)字礦山，我們正在努力研究和探索，在此闡述數(shù)字礦山的基本概念及架構(gòu)，2大基礎平臺的建設，以及數(shù)字礦山需要實現(xiàn)的4個主要技術。

21世紀是信息主導的世紀， “數(shù)字化生存”已成為知識經(jīng)濟的標志,信息、定位、通訊和自動化技術的飛速發(fā)展，深刻地影響和改變著傳統(tǒng)的采礦工業(yè)。越來越多的采礦人開始思考礦山信息化改造與DM問題，以煤礦、有色礦、非金屬礦為代表的傳統(tǒng)采礦業(yè)，已經(jīng)并正在面臨21世紀信息技術的挑戰(zhàn)和洗禮，問題與機遇并存。

1數(shù)字礦山的基本概念與架構(gòu)

數(shù)字礦山是對真實礦山整體及相關現(xiàn)象的統(tǒng)一認識與數(shù)字化再現(xiàn)，即將礦山生產(chǎn)、安全、礦山地理、地質(zhì)、礦山建設等綜合信息全面數(shù)字化，其目的是為了利用信息技術及現(xiàn)代控制理論與自動化技術去動態(tài)詳盡地描述與控制礦山安全生產(chǎn)與運營的全過程．以高效、安全、綠色開采為目標，保證礦山經(jīng)濟的可持續(xù)增長，保證礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定．為此，提出了幾種不同類型的數(shù)字礦山模型．如吳立新教授提出的5層同心園模型(圖1(a))；僧德文先生提出的7層模型(圖1(b))．這些數(shù)字礦山模型有力地推動了數(shù)字礦山概念的發(fā)展普及，起到了非常積極的作用。

2數(shù)字礦山建設的3層結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合數(shù)字礦山與綜合自動化的模型結(jié)構(gòu)，從數(shù)字礦山建設的實用角度提出一種數(shù)字礦山的3層結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。圖2中最底層是信息采集與施用層，包括礦山各種子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與反饋控制，根據(jù)各個礦山的不同，這一層的具體模塊會有所增減．這一層大部分子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是自動采集的，但也不排除部分數(shù)據(jù)是手工采集或人工輸入．底層各種子系統(tǒng)均應接人統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡中，形成在統(tǒng)一網(wǎng)絡下的采集與控制。

 

中間層為信息集成層．各種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述形式、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理格式和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式，便于信息的挖掘和融合．例如，對礦山進行安全運行評價，需要監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、通風系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、礦壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)、地下水位及涌水量的數(shù)據(jù)等等，如果各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一的描述形式和存貯方式，信息挖掘與融合將是一句空話．

上層為管理決策層．礦山現(xiàn)場及相關現(xiàn)象的信息在中間層得到提升后，目的是為了利用這些信息去動態(tài)詳盡地描述與控制礦山安全生產(chǎn)與運營的全過程，保證礦山經(jīng)濟的可持續(xù)增長以及礦山自然環(huán)境的生態(tài)穩(wěn)定．管理決策層的各種軟件應用模塊就是這種目的的具體體現(xiàn)．和底層一樣，根據(jù)礦山的具體應用不同，這些模塊是可增減的．

顯然，圖2所示的數(shù)字礦山的3層結(jié)構(gòu)模型與前述的模型有許多相同之處，其特點是3層結(jié)構(gòu)模型并不是一成不變的，它可以根據(jù)礦山的規(guī)模、現(xiàn)代化水平、開采方式等進行靈活的調(diào)整，以適應各種不同類型礦山的需要．

3數(shù)字礦山的兩大基礎平臺建設

如前所述，數(shù)字礦山的建設需要多專業(yè)、多領域的專家與技術人員的共同努力，但由于所學專業(yè)的局限性，在討論數(shù)字礦山建設時，常常會無意識地過多強調(diào)某些專業(yè)的內(nèi)容，造成顧此失彼，另一方面，同樣由于專業(yè)的限制，對跨專業(yè)的內(nèi)容在數(shù)字礦山中的具體作用與地位，往往又只能談點概念，造成數(shù)字礦山成了概念的堆砌和高不可攀的東西．圖2所示的模型表明，數(shù)字礦山是現(xiàn)代化礦山在信息化時代的實實在在的具體體現(xiàn)，可以從基礎內(nèi)容一步步進行建設，而決不是一個遙不可及的理想．在圖2所示模型中給出了數(shù)字礦山建設的商大基礎平臺，這就是統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡平臺和統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫平臺，簡稱硬平臺和軟平臺．這兩大平臺從硬件結(jié)構(gòu)和軟件配置上保證數(shù)字礦山中的各子系統(tǒng)模塊具有統(tǒng)一的傳輸模式、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述形式、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理格式和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式．這兩個平臺是跨專業(yè)的，各種不同專業(yè)的專家和技術人員均可在這兩大平臺上施展身手．從前面的討論可知，數(shù)字礦山的建設顯然應從這兩大平臺人手，規(guī)范好各專業(yè)在數(shù)字礦山建設中應遵循的傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)標準．避免各行其是、自搞一套的做法，避免在數(shù)字礦山建設中再次出現(xiàn)困擾礦山多年的“信息孤島”和“子系統(tǒng)孤島”現(xiàn)象，使數(shù)字礦山的建設從一開始就步人正軌.

4．1統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡平臺建設

統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡平臺即硬平臺原則上由三大部分組成：①連接到礦山安全生產(chǎn)各個層面或子系統(tǒng)的控制網(wǎng)；②在礦山調(diào)度指揮中心的調(diào)度網(wǎng)；③礦山Internet網(wǎng)絡，并由此接人互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)國家資源開發(fā)與空間信息共享．圖2的3層結(jié)構(gòu)模型分別運行在這3層網(wǎng)絡中．

數(shù)字礦山對控制嘲絡傳輸平臺的要求：①完全開放式網(wǎng)絡，各種子系統(tǒng)能方便地上、下網(wǎng)絡，相互構(gòu)成聯(lián)系；②各種子系統(tǒng)內(nèi)部應能形成各自的邏輯網(wǎng)，或虛擬網(wǎng)VLAN；③網(wǎng)絡具有良好的可靠性、冗余性；④有限制網(wǎng)絡流量的能力，確保重要子系統(tǒng)的實時性；⑤豐富的網(wǎng)管功能；⑥最大限度地使用網(wǎng)絡資源．控制網(wǎng)的構(gòu)成目前有如下幾種選擇：①工業(yè)總線網(wǎng)；②工業(yè)以太網(wǎng)(100 Mb或1 000 Mb)；③基于SDH的多業(yè)務平臺MSLP；④光無源網(wǎng)絡．其中前兩種在工業(yè)控制界有多年應用的經(jīng)驗和眾多廠商的軟硬件支持，相對比較成熟．而后兩種技術是從通信領域發(fā)展而來的，僅提供信息傳輸通道，在工控界的應用相對較少．在應對底層的控制和數(shù)據(jù)采集上來說，支持的硬件廠商和軟件協(xié)議也較少．

調(diào)度指揮中心的網(wǎng)絡通常采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各種數(shù)據(jù)服務器和應用服務器均在此網(wǎng)絡中．對底層系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與控制用的操作員站也在此網(wǎng)絡中．因此，需要實現(xiàn)控制網(wǎng)與調(diào)度網(wǎng)的透明傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余配置和數(shù)據(jù)的雙備份等．這些技術在目前企業(yè)綜合自動化集成平臺中均己得到很好地解決．圖3為一種統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡平臺示例．調(diào)度指揮控制中心調(diào)度網(wǎng)為普通以太網(wǎng)，控制網(wǎng)為l 000 Mb工業(yè)以太網(wǎng)，各種生產(chǎn)與安全子系統(tǒng)均接入此控制網(wǎng)平臺，但各子系統(tǒng)可以形成自己的邏輯網(wǎng)。 網(wǎng)絡采用網(wǎng)管型交換機構(gòu)成環(huán)形冗余方式，支持服務質(zhì)量（QOS）、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、端口鏡像、冗余與SNMP等特性．由于采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，因此，能保證控制所需的實時性．一般的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

調(diào)度指揮控制中心以太網(wǎng)由交換機、服務器、網(wǎng)關、操作站等組成，均采用冗余設計，服務器操作系統(tǒng)采用windows 2003 server，工作站操作系統(tǒng)采用window xP，歷史數(shù)據(jù)庫采用SQL server 2000，給整個系統(tǒng)提供開放的安全數(shù)據(jù)接口．

企業(yè)Internet網(wǎng)絡是大多數(shù)礦山已有的礦山局域網(wǎng)，并已實現(xiàn)了與國際互聯(lián)網(wǎng)的連接，不再贅述，統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡平臺的建設解決傳統(tǒng)方式下各子系統(tǒng)單獨傳輸，信息相對獨立，系統(tǒng)相對獨立的缺點，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)信息化，確保礦山安全、高效地生產(chǎn)，為數(shù)字礦山的建設打下了良好的基礎．

 

4．2數(shù)據(jù)倉庫平臺

硬平臺建設保證了異構(gòu)系統(tǒng)硬件和傳輸協(xié)議上的相互連接，但圖2所示各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同樣是異構(gòu)的，采用數(shù)據(jù)倉庫技術來實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述與處理是數(shù)字礦山基礎建設的另一個重要內(nèi)容，即軟平臺建設．

由于數(shù)字礦山子系統(tǒng)眾多，將來的發(fā)展需要對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行綜合分析和數(shù)據(jù)挖掘，因此，從一開始就利用數(shù)據(jù)倉庫具有海量數(shù)據(jù)存儲的能力，利用OLAP聯(lián)機分析處理和數(shù)據(jù)挖掘技術進行強大的多維數(shù)據(jù)分析，為實現(xiàn)決策支持功能提供條件．

后臺數(shù)據(jù)存取，選用數(shù)據(jù)SQL server，OLAP聯(lián)機分析處理技術，雙機共用磁盤陣列，結(jié)合了群集技術和磁盤陣列技術，使得數(shù)據(jù)庫具有高可靠性、可用性、安全性、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)完整性．Microsoft將0LAP功能集成到Microsoft SQL server 7．0中，提供可擴充的基于C0M的OLAP接口．它通過一系列服務程序支持數(shù)據(jù)倉庫應用．

數(shù)據(jù)傳輸服務DTS(Data Transformation Services)提供數(shù)據(jù)輸入／輸出和自動調(diào)度功能，在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以完成數(shù)據(jù)的驗證、清洗和轉(zhuǎn)換等操作。

礦山數(shù)據(jù)倉庫技術 針對礦山信息的“五性四多” （復雜性、海量性、異質(zhì)性、不確定性和動態(tài)性，多源、多精度、多時相和多尺度）特點，為統(tǒng)一管理和共享數(shù)據(jù)，必須研究一種新型的數(shù)據(jù)倉庫技術，包括礦山數(shù)據(jù)分類組織、分類編碼、元數(shù)據(jù)標準、高效檢索、快速更新與分布式管理，其中，研究提出一種適合多源異質(zhì)礦山數(shù)據(jù)集成與共享、且獨立于應用軟件與數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的軟件，我們正在使用的是skyline。

4數(shù)字礦山的主要技術

4.1生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)測監(jiān)控技術

生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)管理中的重要手段之一，在煤炭生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用。在地面，它是行政通信系統(tǒng)不可缺少的重要補充部分，因為煤礦生產(chǎn)規(guī)程中規(guī)定，在地面如絞車房、中央變電站等重點部位要安裝行政、生產(chǎn)兩套通信設備，保證在一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一個系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)的需要。在井下，生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)則是主要的通信手段，井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息主要通過該系統(tǒng)來傳遞。生產(chǎn)調(diào)度與過程控制建立在綜合通訊系統(tǒng)平臺上，以實現(xiàn)對人員設備跟蹤定位、設備運行狀態(tài)控制以及視頻監(jiān)視系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)對采礦生產(chǎn)調(diào)度與過程控制，只有建立了功能完善的生產(chǎn)調(diào)度與過程控制系統(tǒng)才可能實現(xiàn)危險作業(yè)場所遙控采礦和無人采礦。

4.2礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)及環(huán)境監(jiān)測技術

礦山井下生產(chǎn)過程中，主要的危害有巖體破壞、有毒有害氣體、火災等。因此，必須建立起有效的綜合安 全監(jiān)控與預警系統(tǒng)礦山綜合安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)采用傳感器采集各種數(shù)據(jù)，安全檢測系統(tǒng)采用時分制分布式結(jié)構(gòu)，主要由地面監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)庫服務器、網(wǎng)絡終端、圖形工作站、通信接口、避雷器、系列監(jiān)控分站、各種傳感器和控制執(zhí)行器等部分組成。具有良好的開放性和可伸縮性，采用模塊化設計，組態(tài)靈活。監(jiān)控中心運行在標準的Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡環(huán)境，操作系統(tǒng)平臺為中文Win2000，可方便實現(xiàn)網(wǎng)上信息共享和網(wǎng)絡互聯(lián)。支持Internet/Intranet模式的Web系統(tǒng)綜合監(jiān)控信息瀏覽。系統(tǒng)顯示畫面采用文本、圖形兼容方式，顯示信息直觀、生動，具有實時多屏顯示功能，實時數(shù)據(jù)存儲和各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲能力。數(shù)據(jù)存儲時間長、查詢和報表功能豐富，格式可由用戶編排。有系列化，多用途監(jiān)控分站，功能豐富，具有甲烷斷電儀及甲烷風電閉鎖裝置的全部功能。有完善的數(shù)據(jù)停電保存能力，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)和設置數(shù)據(jù)信息不丟失。配有智能口，可采用RS485通訊方式的各種傳感器及設備。系統(tǒng)具有自檢功能，可對分站、電源、傳感器、電纜等設備進行診斷，能報警和記錄并自動切斷故障支路。有完善的多級口令保護功能。系統(tǒng)設備具有完善的故障閉鎖功能，當與閉鎖有關的設備未投入正常運行或故障時能切斷與之有關設備的電源并閉鎖。

4.3 礦山綜合通訊技術

作為生產(chǎn)管理人員、電機車司機、皮帶維護工和其它流動人員的主要通信手段，井下無線通信系統(tǒng)保證了這些人員能夠與生產(chǎn)調(diào)度室及時取得聯(lián)系。它具有安裝快捷，能在較短時間內(nèi)形成局部移動通信系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)能與礦井行政、生產(chǎn)通信系統(tǒng)實現(xiàn)組網(wǎng)，特別是當井下發(fā)生緊急情況時，可為井下提供能及時與地面聯(lián)系的工具，對搶險的組織非常有幫助。井下／井上通信系統(tǒng)作為生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)的補充在礦井生產(chǎn)安全等方面起重要作用，礦山綜合通訊同一網(wǎng)絡能夠同時傳輸語音、圖像、數(shù)據(jù)等各種信息，使語音、視頻、數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一。

井下無線通訊核心技術是采用微蜂窩和信道動態(tài)分配技術，從而大大地提高了頻率的使用率和系統(tǒng)的容量。小靈通小區(qū)基站與手機之間采用了時分雙工模式TDD，其無線信道基于時分多址TDMA結(jié)構(gòu)，語音編碼采用32kbit/s AD PCM方式，提高了話音通信質(zhì)量，增強系統(tǒng)的保密性；使用分集天線接收，加強了系統(tǒng)的抗干擾能力。PHS產(chǎn)品技術較以前的產(chǎn)品，無論是業(yè)務側(cè)、網(wǎng)絡側(cè)，還是無線側(cè)、終端，都已經(jīng)取得了突破性的進展，到目前為止PHS已經(jīng)形成了由服務提供商（SP）、網(wǎng)絡運營商、設備提供商、終端商和用戶組成的完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

4.4 資源與開采環(huán)境可視化建模與評價技術

資源及開采環(huán)境可視化建模與評價主要實現(xiàn)兩個方面的目標：一是資源評價，主要采用可視化建模方法和虛擬現(xiàn)實技術完成礦床模型的建立，用以表征礦床有用元素的空間分布情況和對資源狀況進行科學合理的評價；二是開采環(huán)境評價，通過建模技術全面掌握礦床和巖層分布、巖體質(zhì)量、構(gòu)造特征、已有井下工程的分布狀態(tài)等影響礦床開采的技術條件和關鍵工程指標。

資源及開采環(huán)境可視化模型是數(shù)字礦山建設的基礎，只有完全掌握了礦床及井下開采環(huán)境情況，才能夠為數(shù)字礦山的建設提供基礎平臺，數(shù)字礦山建設后續(xù)的通訊系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度及人員設備定位、生產(chǎn)過程安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)、生產(chǎn)過程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都需要以此為基礎平臺進行設計開發(fā)和系統(tǒng)運行。

資源及開采環(huán)境可視化建模采用TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))技術產(chǎn)生數(shù)字地形表面模型和地質(zhì)體(包括床體、巖層及斷層)實體線框模型，同時采用變塊技術建立礦床資源評價塊段模型。最終采用地質(zhì)統(tǒng)計學方法對塊段模型進行估值，得出既有結(jié)構(gòu)性又具有隨機性的復雜地質(zhì)體的空間分布及品位和開采環(huán)境綜合評價技術成果，并在此基礎上進行開采方案優(yōu)化與設計。

結(jié) 語

我省是一個采礦大省，科技含量和管理水平與世界發(fā)達采礦國家相比還存在相當大的差距，需要將建設與整個礦山企業(yè)的技術創(chuàng)新、管理改革更進一步結(jié)合。當然，數(shù)字建設涉及到企業(yè)的方方面面，首先是人的思想觀念與思維方式的轉(zhuǎn)變，然后是企業(yè)管理體制與管理模式的變革。企業(yè)決策者、管理者和廣大工程技術人員要共同參與和積極配合，大步提升，才能再創(chuàng)礦山企業(yè)輝煌。此外，我省政府的高度重視和配套投入，實現(xiàn)我國礦業(yè)生產(chǎn)的跨越式發(fā)展，使我省的礦山和礦區(qū)逐步走向可持續(xù)發(fā)展之路。

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