礦山企業與其他生產企業的重要區別之一就是礦山生產 (特別是地下開采 ) 有許多難以探測和辨識的危險源 , 有諸如沖擊地壓、冒頂和塌方、突水透水和淹井、火災、瓦斯突出和爆炸、煤塵突出和爆炸以及機電運輸等事故隱患 , 大型傷亡事故時有發生 , 嚴重威脅著人身安全。

本質安全保障體系與本質安全檢查體系有本質的區別 , 保障體系是借助先進的四維地理信息系統 , 實現地面地下所有對象的透明管理 , 從而使整個礦山從設計、生產到管理都能很好地兼顧工藝的先進性、設備的可靠性、環境的安全性 , 大幅提高抗災能力和生產效率 , 在精細的管控體系下 , 以嚴格規范的管理、完善實用的方法、先進科學的技術真正實現人員無失誤、設備無故障、系統無缺陷、管理無漏洞的人、機、環境和管理高度融合的礦井恒久性安全目標。其具體內容如下。

1) 建立本質安全的檢查、監督和評價體系。

2) 建立重大災害事故發生機理研究和事故仿真體系。

3) 建立危險源辨識和災害預警體系。

4) 建立隱患排查和事故預測預報體系。

5) 建立災害防治關鍵技術決策支持體系。

6) 建立煤礦本質安全信息化保障系統。

7) 建立煤礦本質安全長效管理體系。

生產技術管理系統是數字礦山的核心內容 , 主要包括地測地理信息系統、采礦協同設計系統、智能化礦井通防系統、輸配電地理信息系統、工業管網地理信息系統等。

但要注意的是此生產技術管理不是把手工方法搬到計算機上 , 而要實現科學的規范管理和高智能的技術支持。例如 , 地測地理信息系統不是地測制圖 , 而是通過精細化的礦山測量和地質勘探 , 達到礦床、地質體、危險源和井巷工程的精確圈定和可視化計算 , 可以自動完成各種測量改正、誤差預計、測量平差、地表沉陷預計等計算 , 并實現所有計算的所見即所得 , 而且可以自動生成任意比例尺的各種礦圖 , 為礦山的生產、安全和管理提供地質保障; 基于三維地理信息系統的采礦協同設計系統可以完成包括巷道布置、巖移預計、保護礦柱(煤柱 ) 計算、支護選型以及采、掘、機、運、通、安等各類設計 , 并生成相關文件等; 智能化礦井通防系統的主要目的就是保證正常生產時期和災變時期的實時按需供風; 輸配電地理信息系統的主要功能是任意復雜電網實現設備的最優選型、故障電流計算、電壓和能量損失計算、電容電流計算、動穩定熱穩定計算和保護裝置整定計算 , 配合供電SCADA系統實現遙信、遙測、遙調和遙控; 其他系統依次類推。這些都是模仿人工方法所不能完成的。

礦山 ERP系統是實現精細管理的信息保障系統 , 主要包括人力資源管理系統、設備管理系統、50盧新明等: 數字礦山的定義、內涵與進展 2010年第 1期物資管理系統、運銷管理系統、生產計劃管理系統、物業管理系統、預算與成本管理系統、財務管理系統、辦公自動化系統等。其特點是必須和其他系統實現無縫集成 , 例如人力資源管理、生產計劃管理、物資需求、預算與成本管理必須以設計成果、生產技術為基礎 , 設備管理、物資管理、運銷管理必須借助于地理信息系統才能實現現場管理和最優配送 , 其他子系統也是類似的 , 要么是基礎數據來源于其他系統 , 要么為其他系統服務 , 它們均可通過數據倉庫進行無縫集成 , 否則就變成了信息孤島。

數字礦山的綜合指揮調度系統并不是把監測監控、工業自動化、人員定位和通信系統進行一些簡單集成 , 外加一些諸如生產調度日志和報表。而是基于三維可視化平臺 , 實現監測監控、通信和人員定位系統 , 以及生產技術管理、安全管理和礦山ERP的強集成 , 主要實現下列功能。

1) 正常生產時期: 可以通過一個調度界面看到當天和累計的安全信息、產量信息、成本信息、儲量信息、設備信息、煤質 (礦石品質 ) 信息、銷售信息和三維礦山模型中的地質模型、井巷工程、采場或工作面、生產設備、人員分析和各種監測監控系統 , 如果需要可以鉆取任何部位、任何時間的詳細數據 , 并自動生成所需要的統計圖表。

2) 決策分析時期: 只要輸入業務需求 , 系統就可以利用數據挖掘工具自動調出所需要的數據、文檔、圖形、多媒體和三維模型供決策團隊進行疊置、剖切、變換、計算和模擬等分析 , 必要時可以調用相關的方法庫進行輔助決策。

3) 救災指揮時期: 一旦發生了災變 , 除了進行決策分析、故障診斷之外 , 可以充分利用該系統的時空管理能力和快速反應功能 , 實現調度優化和可視化應急指揮軟件 , 把損失降到最低。

要按照數字礦山的定義建立起一座真正的數字礦山必須有一套完整的建設規范 , 以期形成地方、行業甚至國家標準 , 使其對數字礦山有一個統一的度量。其規范應包括下列內容。

1) 數字礦山技術規范總則 , 包括原則以及組網、軟件、數據采集、通信、控制等通用技術。

2) 礦山信息分類編碼規范。

3) 礦山數據倉庫技術規范 , 包括基本構架、數據類型、主題層、元數據格式、索引格式、數據立方體結構等。

4) 監測監控通信接口技術規范 : 采集 - 儲存(實時數據庫 ) - 控制等通信協議、觸發機制和時限性控制等。

5) 礦山安全監測系統技術規范 , 包括各種監測內容以及空間布局、時間布局、技術指標等。

6) 礦山工業自動化子系統技術規范 , 可靠、自動、智能、閉環、聯動、易集成和減人為標準。

7) 礦山四維地理信息系統技術規范 , 包括地質、儲量、測量、水文、設施等動態空間信息管理。

8) 礦山生產技術管理子系統技術規范 , 除地測之外的所有生產系統。

9) 礦山本質安全保障體系以及軟件系統技術規范。

10) 礦山 ERP系統技術規范。

11) 礦山信息集成方式與集成平臺技術規范 ,包括聯動規則等。

12) 礦山綜合指揮調規范度系統技術規范。

隨著計算機網絡技術的發展和眾多硬件廠商的努力 , 數字礦山的網絡平臺和有關硬件的研究已經取得了長足進展 , 無論是技術還是應用都已經基本成熟。眾所周知 , 數字礦山軟件系統的技術關鍵是先進的理念、科學的模型和快速的計算機算法 , 通過眾多學者的研究 , 已經突破了包括三維精細化快速建模 , 礦體圈定和精細儲量評價 , 各種礦圖的自動生成 , 礦山四維地理信息系統技術規范建設 , 礦山災害仿真、預警和事故預測預報 , 專業系統分析等一系列理論難題 , 例如 , 關于礦井通風系統及各種非線性流體網絡的模型和算法文獻 [ 18 - 20 ]就給出完整的研究成果 , 解決了其中的關鍵難題;該項目組基于完全自主版權的 CAD /GIS平臺成功地開發了 《地理信息系統平臺》《地測地理信息系統 》《采礦協同設計系統 》《智能化礦井通防系統 》《輸配電地理信息系統 》《設備管理系統 》《人力資源管理系統 》《物資管理系統 》《成本控制系統 》《安全管理系統 》《調度管理系統 》和 《虛擬礦山系統 》等一些軟件產品 , 實現了數字礦山關鍵技術的本質突破。

1) 兗礦集團地理信息系統建設。兗礦集團的信息化建設一直走在我國采礦行業的前列 , 為了提高安全管理和生產管理的科學性和規范性 , 兗礦集團開創性地建立了我國首個集團公司級的網絡地理信息系統 , 該系統的用戶可以根據自己的權限通過集團公司服務器和 Web瀏覽器查詢到任何一個礦的采礦、地質、儲量、測量、通風、機電、排水以及生產調度等專業的所有圖件和完整的屬性信息 ,并且可以完成各種地理信息統計分析和專業計算 ,為安全生產管理提供完整的信息支持 , 也為實現數字礦山奠定了堅實的基礎。

2) 山東臨沂礦業集團王樓煤礦的數字礦山建設。經過 2 a的努力 , 從制定數字礦山建設方案和數字礦山管理規范 , 到工業自動化建設和管理信息化建設 , 王樓煤礦率先建成了我國第一個真正意義上的數字礦山。不僅有比較完善的工業自動化系統 , 而且建立了包括地理信息系統平臺、地測地理信息系統、采礦協同設計系統、智能化礦井通防系統、輸配電地理信息系統、設備管理系統、人力資源管理系統、物資管理系統、成本控制系統、安全管理系統、調度管理系統和虛擬礦山系統等比較完善的軟件系統 , 較徹底地實現了 “兩化 ”融合。

另外 , 例如 , 平煤天安十二礦、淮北礦業集團青東煤礦、神華寧煤集團棗泉煤礦、山東招金集團的夏甸金礦和尹格莊金礦等都在進行真正的數字礦山建設。

概括性地描述了數字礦山的新理念、主要內容、建設規范、研究進展和應用情況 , 限于篇幅 ,有關數字礦山中的關鍵技術 , 如真三維地質建模、精細儲量評價、專業建模和專業分析、采礦協同設計與可視化、事故仿真和災害預警、生產計劃自動編制、虛擬礦山與實時三維調度等核心內容將陸續在其他文獻中敘述。

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作者簡介: 盧新明 (1961 - ) , 男 , 河南濟源人 , 教授 , 博士生導師 , 從事數字礦山方面的教學與研發工作。 Tel: 0538 -8503766, E - mail: lionkingsoft@2631net