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數(shù)字礦山的框架、平臺

及其主要技術(shù)

 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(shù)

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(jì)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(chǔ)平臺的建設(shè)，以及數(shù)字礦山需要實現(xiàn)的4個主要技術(shù)。

21世紀(jì)是信息主導(dǎo)的世紀(jì)， “數(shù)字化生存”已成為知識經(jīng)濟的標(biāo)志,信息、定位、通訊和自動化技術(shù)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(jì)信息技術(shù)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(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)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(shè)等綜合信息全面數(shù)字化，其目的是為了利用信息技術(shù)及現(xiàn)代控制理論與自動化技術(shù)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(biāo)，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(shè)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(shè)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?jǐn)?shù)據(jù)是手工采集或人工輸入．底層各種子系統(tǒng)均應(yīng)接人統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)中，形成在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(fēng)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)各種不同類型礦山的需要．

3數(shù)字礦山的兩大基礎(chǔ)平臺建設(shè)

如前所述，數(shù)字礦山的建設(shè)需要多專業(yè)、多領(lǐng)域的專家與技術(shù)人員的共同努力，但由于所學(xué)專業(yè)的局限性，在討論數(shù)字礦山建設(shè)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(chǔ)內(nèi)容一步步進行建設(shè)，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(shè)的商大基礎(chǔ)平臺，這就是統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shè)顯然應(yīng)從這兩大平臺人手，規(guī)范好各專業(yè)在數(shù)字礦山建設(shè)中應(yīng)遵循的傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)．避免各行其是、自搞一套的做法，避免在數(shù)字礦山建設(shè)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(shè)從一開始就步人正軌.

4．1統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)

統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡(luò)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(luò)，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(luò)中．

數(shù)字礦山對控制嘲絡(luò)傳輸平臺的要求：①完全開放式網(wǎng)絡(luò)，各種子系統(tǒng)能方便地上、下網(wǎng)絡(luò)，相互構(gòu)成聯(lián)系；②各種子系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)能形成各自的邏輯網(wǎng)，或虛擬網(wǎng)VLAN；③網(wǎng)絡(luò)具有良好的可靠性、冗余性；④有限制網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(wù)平臺MSLP；④光無源網(wǎng)絡(luò)．其中前兩種在工業(yè)控制界有多年應(yīng)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(shù)是從通信領(lǐng)域發(fā)展而來的，僅提供信息傳輸通道，在工控界的應(yīng)用相對較少．在應(yīng)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(luò)通常采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各種數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器均在此網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shù)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(luò)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(luò)采用網(wǎng)管型交換機構(gòu)成環(huán)形冗余方式，支持服務(wù)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(wù)器、網(wǎng)關(guān)、操作站等組成，均采用冗余設(shè)計，服務(wù)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(luò)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(luò)平臺的建設(shè)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(shè)打下了良好的基礎(chǔ)．

4．2數(shù)據(jù)倉庫平臺

硬平臺建設(shè)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(shù)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(chǔ)建設(shè)的另一個重要內(nèi)容，即軟平臺建設(shè)．

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(shù)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(shù)，雙機共用磁盤陣列，結(jié)合了群集技術(shù)和磁盤陣列技術(shù)，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(wù)程序支持?jǐn)?shù)據(jù)倉庫應(yīng)用．

數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)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(shù) 針對礦山信息的“五性四多” （復(fù)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(shù)，包括礦山數(shù)據(jù)分類組織、分類編碼、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、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(yīng)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(shù)

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

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(shè)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(shè)備跟蹤定位、設(shè)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(shù)

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(zāi)等。因此，必須建立起有效的綜合安 全監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)礦山綜合安全監(jiān)控與預(yù)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(wù)器、網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，組態(tài)靈活。監(jiān)控中心運行在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(fēng)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(shè)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(shè)備。系統(tǒng)具有自檢功能，可對分站、電源、傳感器、電纜等設(shè)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(shè)備具有完善的故障閉鎖功能，當(dāng)與閉鎖有關(guān)的設(shè)備未投入正常運行或故障時能切斷與之有關(guān)設(shè)備的電源并閉鎖。

4.3 礦山綜合通訊技術(shù)

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(dāng)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(luò)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(shù)是采用微蜂窩和信道動態(tài)分配技術(shù)，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(shù)較以前的產(chǎn)品，無論是業(yè)務(wù)側(cè)、網(wǎng)絡(luò)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(wù)提供商（SP）、網(wǎng)絡(luò)運營商、設(shè)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(shù)

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(biāo)：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(shù)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(xué)合理的評價；二是開采環(huán)境評價，通過建模技術(shù)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(shù)條件和關(guān)鍵工程指標(biāo)。

資源及開采環(huán)境可視化模型是數(shù)字礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，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(shè)提供基礎(chǔ)平臺，數(shù)字礦山建設(shè)后續(xù)的通訊系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度及人員設(shè)備定位、生產(chǎn)過程安全監(jiān)控與預(yù)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(chǔ)平臺進行設(shè)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(shù)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(shù)建立礦床資源評價塊段模型。最終采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)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(fù)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(shù)成果，并在此基礎(chǔ)上進行開采方案優(yōu)化與設(shè)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(dá)采礦國家相比還存在相當(dāng)大的差距，需要將建設(shè)與整個礦山企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、管理改革更進一步結(jié)合。當(dāng)然，數(shù)字建設(shè)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(shù)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。