摘 要: 目前 , 用數字礦山技術打造本質安全型的高產高效礦井已成為我國采礦企業追求的目標。通過數字礦山的完整定義 , 簡要描述了數字礦山的主要內容、技術內涵、建設規范和系統功能 , 論述了我國數字礦山技術的研究進展及其在礦山企業的應用現狀 , 以此為準備實施或正在實施數字礦山建設的企業決策者和工程技術人員提供參考。

關鍵詞: 數字礦山; 定義; 內涵; 進展 ; 系統

中圖分類號: TD67 文獻標志碼: A 文章編號: 0253 - 2336 (2010) 01 - 0048 - 05

LU Xin2m ing^{1, 2}, YIN Hong²

(1. Shandong University of Science and Technology, Q ingdao 256510, China;

2. Shandong L ionking Software Com pany L td. , Tai an 271000, China)

Abstract : A t p resent, an intrinsic safety type high p roduction and high efficientm ine builtwith digitalmine technology has become a tar2 get sought by the coal mining enterp rises in China. W ith the comp leted definition of the digital mine. The paper briefly described main content, technology connotation, construction regulation and system functions of digitalmine, the paper stated the research p rogress and the app lication status of the digital mine technology in mine enterp rises, which could p rovide the references to the enterp rise s decision maker and engineering technical personnel of the digital m ine construction to be imp lemented or in imp lemented.

隨著計算機技術、信息技術、通信技術、自動控制技術、3S ( GIS, GPS, RS) 技術、網絡技術的發展 , 國內眾多研究機構和學者對數字礦山建設的關鍵技術和建設方案從不同角度提出了各自的看法及思路^{[ 1 - 17 ]}。建立數字礦山既可以實現安全管理的數字化 , 為打造本質安全型礦井提供信息保障 , 也是實現生產管理的精細化 , 為打造高產高效礦井提供決策手段。因此 , 中國有不少礦山企業都加大了信息化建設的投入 , 為打造數字礦山而努力 , 大多數現代礦井和大型集團公司都實現了瓦斯監測系統聯網 , 有些公司實現了部分綜合自動化 ;有些公司實現了部分 ERP項目、設備管理或資產管理; 大部分公司實現了計算機輔助地測制圖; 有些公司已經開始實施地理信息系統建設; 有些采礦企業數字礦山建設已成雛形。

但由于礦山是一個以資源為開發對象的離散生產系統 , 主要作業處于地表深處 , 地質條件復雜 ,環境惡劣 , 瓦斯、粉塵、水害、頂底板事故 , 火災隱患難以探測和辨識 , 大型事故時有發生 , 給我國礦業生產造成了重大損失 , 也嚴重危及了礦工的人身安全。因此 , 數字礦山既不是 “數字地球 ”概念的簡單延伸 , 也不是普通 ERP概念的簡單復制 ,而是一個包含二者部分特性的嶄新概念。中國礦山在礦山勘察、規劃、設計、生產、管理、全過程監控等信息化領域與發達采礦國家的差距越來越大 ,中國礦山既沒有把信息資源當作礦山的重要戰略資源之一加以統籌開發和利用 , 更沒有形成系統性能穩定、信息資源充足的礦山信息基礎設施 , 也沒有形成 “數字礦山 ”建設規范 , 不少學者和企業技術人員對數字礦山的定義、內涵和作用還是比較模糊 , 本文通過數字礦山的完整定義 , 簡要描述了數字礦山的技術特征、建設內容、技術規范、系統功能 , 結合國家 “863”重點項目 《數字化采礦關鍵技術與軟件開發 》的階段成果 , 論述了我國數字礦山技術的發展概況及其在礦山企業的應用現狀。

數字礦山也稱智慧礦山 , 是建立在礦山數字化基礎上能夠完成礦山企業所有信息的精準適時采集、網絡化傳輸、規范化集成、可視化展現、自動化操作和智能化服務的數字化智慧體。

1) 數字化基礎: 已把礦山的所有內容處理成現代計算機可以接受、儲存、拷貝、加工和網絡傳輸的數字信息 , 并保證信息的完整性。

2) 精準適時采集: 能準確地采集到任何地點、任何時間所需要的安全、生產和管理等信息 ,并保證信息的及時性。

3) 網絡化傳輸: 所有信息包括實時數據、多媒體數據和管理數據可以通過局域網和廣域網進行準時、可靠、安全的傳輸 , 必要的數據要保證時鐘同步。

4) 規范化集成: 通過標準的數據格式、開放的通信協議和統一的管理規范所定義的數據倉庫實現各種應用中信息的互連互通 , 確保數據的唯一入口和一致性。

5) 可視化展現: 對于數據倉庫中的所有信息和模型均可用四維地理信息系統技術、虛擬現實技術、模擬仿真技術、多媒體技術和可視化分析技術進行表達和展現 , 實現透明管理。

6) 自動化操作: 對于主要生產執行環節、監聽監視環節、時限性強、準確度高的環節以及環境惡劣、易疲勞環節實現操作自動化或無人化。

7) 智能化服務: 在一些諸如危險辨識、災害預警、事故報警、方案設計、計劃編制、過程控制、經濟分析、調度優化等方面提供智能化工具和綜合決策支持 , 最大限度地降低腦力勞動強度 , 避免人為決策失誤。

8) 數字化智慧體有 2層含義: ①通過數字化再造使整個礦山具有自我分析能力和決策能力 , 使礦山的人、機、環境處在高度協調的統一體中運行; ②通過不斷地收集、學習和濃縮相關專家的最新知識 , 使數字礦山的神經中樞具有眾多專家集體決策的能力。

數字礦山的建設內容如圖 1所示。

圖 1 數字礦山建設內容

基礎網絡平臺不僅要滿足企業內部數字化內容傳輸和有線無線通信的需要 , 也要滿足對互聯網的需求 , 通過寬帶光纖環網、現場總線以及商用數據庫、多媒體數據庫、實時數據庫實現信息的采集、傳輸、儲存、分析、決策、控制、發布和查詢 , 不僅要保證信息的互連互通 , 更要保證信息的可靠性、安全性和及時性。

礦山數據倉庫不是各種數據庫的簡單堆積和組裝 , 必須實現從散亂數據到規范化的數據集成 , 其技術關鍵是針對地質、礦床和生產信息的復雜性、海量性、異質性、動態性及多源、多精度、多時相和多尺度等特點和各種專業應用 , 建立化分標準的主題層 , 建立規范的數據庫庫結構 , 定義規范的元數據、索引數據和數據立方體 , 便于數據的導入導出和自動挖掘 , 消除礦山 “信息孤島 ”和數據冗余 , 實現面向各種引用的快速檢索和轉送 , 實時數據庫必須實現各種事件的主動觸發并保證時效性。

礦山工業自動化系統包括井下輸送帶監控系統、主副井提升監控系統、礦山供電監控系統、礦井排水監控系統、瓦斯抽放監視系統、主要通風機房監測系統、壓風機房監測系統、供水防塵監控系統、注漿監控系統、礦井降溫監控系統、風量調節與控制系統、產量計量系統、地面生產監控系統等 , 它們相當于數字礦山的腿和手 , 雖然都能完成各種動作但必須受控于大腦 , 這里的大腦就是系統集成平臺軟件 , 通過它可以有效協同數據倉庫、安監系統、安全管理系統、生產系統和調度系統 , 實現自動控制和遠程控制 , 達到真正的管控一體化 ,而不是各子系統的簡單連接和堆積。

安全生產監測系統就是礦山安全的眼睛、耳朵和鼻子 , 主要包括有線通信、無線通信和移動通信系統、礦井人員定位系統、視頻監控系統、安全生產環境監測系統、水文監控系統、礦壓監測系統、火災監控系統、降雨量監測系統、地表巖移監測系統 , 通過它們向數據倉庫、安全管理系統、調度系統等提供實時信息 , 供決策支持系統使用。

基于統一的空間和時間四維坐標 , 將礦山中的所有信息 (包地形、建筑、地層、構造、礦床礦體、危險源、井巷工程、開采單元、采場、工作面、設備、人員、監控系統等 ) 可視化后 , 配置完整的屬性信息 , 建立真三維礦山地理信息模型 ,再利用 3S ( GPS, GIS, RS) 技術和各種勘察、測量、采集手段獲取動態信息對模型和屬性進行實時修正 , 形成完整的四維時態地理信息系統 , 實現地上地下所有對象的透明管理和虛擬現實系統仿真。

其關鍵技術是不借用任何第三方軟件 , 實現所有二維圖形的自動繪制、三維模型的自動生成以及面向專業應用的拓撲分析、網絡分析、疊置分析、剖切分析、構造分析、地質預警分析、過程仿真和透明診斷 (如果借用第三方軟件就不可能實現各種應用的無縫集成和動態聯動 ) , 只有實現了這一功能 , 才可能實現靈活有效的運籌與決策。