摘 要: 目前 , 用数字矿山技术打造本质安全型的高产高效矿井已成为我国采矿企业追求的目标。通过数字矿山的完整定义 , 简要描述了数字矿山的主要内容、技术内涵、建设规范和系统功能 , 论述了我国数字矿山技术的研究进展及其在矿山企业的应用现状 , 以此为准备实施或正在实施数字矿山建设的企业决策者和工程技术人员提供参考。

关键词: 数字矿山; 定义; 内涵; 进展 ; 系统

中图分类号: TD67 文献标志码: A 文章编号: 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.

随着计算机技术、信息技术、通信技术、自动控制技术、3S ( GIS, GPS, RS) 技术、网络技术的发展 , 国内众多研究机构和学者对数字矿山建设的关键技术和建设方案从不同角度提出了各自的看法及思路^{[ 1 - 17 ]}。建立数字矿山既可以实现安全管理的数字化 , 为打造本质安全型矿井提供信息保障 , 也是实现生产管理的精细化 , 为打造高产高效矿井提供决策手段。因此 , 中国有不少矿山企业都加大了信息化建设的投入 , 为打造数字矿山而努力 , 大多数现代矿井和大型集团公司都实现了瓦斯监测系统联网 , 有些公司实现了部分综合自动化 ;有些公司实现了部分 ERP项目、设备管理或资产管理; 大部分公司实现了计算机辅助地测制图; 有些公司已经开始实施地理信息系统建设; 有些采矿企业数字矿山建设已成雏形。

但由于矿山是一个以资源为开发对象的离散生产系统 , 主要作业处于地表深处 , 地质条件复杂 ,环境恶劣 , 瓦斯、粉尘、水害、顶底板事故 , 火灾隐患难以探测和辨识 , 大型事故时有发生 , 给我国矿业生产造成了重大损失 , 也严重危及了矿工的人身安全。因此 , 数字矿山既不是 “数字地球 ”概念的简单延伸 , 也不是普通 ERP概念的简单复制 ,而是一个包含二者部分特性的崭新概念。中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化领域与发达采矿国家的差距越来越大 ,中国矿山既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和利用 , 更没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施 , 也没有形成 “数字矿山 ”建设规范 , 不少学者和企业技术人员对数字矿山的定义、内涵和作用还是比较模糊 , 本文通过数字矿山的完整定义 , 简要描述了数字矿山的技术特征、建设内容、技术规范、系统功能 , 结合国家 “863”重点项目 《数字化采矿关键技术与软件开发 》的阶段成果 , 论述了我国数字矿山技术的发展概况及其在矿山企业的应用现状。

数字矿山也称智慧矿山 , 是建立在矿山数字化基础上能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务的数字化智慧体。

1) 数字化基础: 已把矿山的所有内容处理成现代计算机可以接受、储存、拷贝、加工和网络传输的数字信息 , 并保证信息的完整性。

2) 精准适时采集: 能准确地采集到任何地点、任何时间所需要的安全、生产和管理等信息 ,并保证信息的及时性。

3) 网络化传输: 所有信息包括实时数据、多媒体数据和管理数据可以通过局域网和广域网进行准时、可靠、安全的传输 , 必要的数据要保证时钟同步。

4) 规范化集成: 通过标准的数据格式、开放的通信协议和统一的管理规范所定义的数据仓库实现各种应用中信息的互连互通 , 确保数据的唯一入口和一致性。

5) 可视化展现: 对于数据仓库中的所有信息和模型均可用四维地理信息系统技术、虚拟现实技术、模拟仿真技术、多媒体技术和可视化分析技术进行表达和展现 , 实现透明管理。

6) 自动化操作: 对于主要生产执行环节、监听监视环节、时限性强、准确度高的环节以及环境恶劣、易疲劳环节实现操作自动化或无人化。

7) 智能化服务: 在一些诸如危险辨识、灾害预警、事故报警、方案设计、计划编制、过程控制、经济分析、调度优化等方面提供智能化工具和综合决策支持 , 最大限度地降低脑力劳动强度 , 避免人为决策失误。

8) 数字化智慧体有 2层含义: ①通过数字化再造使整个矿山具有自我分析能力和决策能力 , 使矿山的人、机、环境处在高度协调的统一体中运行; ②通过不断地收集、学习和浓缩相关专家的最新知识 , 使数字矿山的神经中枢具有众多专家集体决策的能力。

数字矿山的建设内容如图 1所示。

图 1 数字矿山建设内容

基础网络平台不仅要满足企业内部数字化内容传输和有线无线通信的需要 , 也要满足对互联网的需求 , 通过宽带光纤环网、现场总线以及商用数据库、多媒体数据库、实时数据库实现信息的采集、传输、储存、分析、决策、控制、发布和查询 , 不仅要保证信息的互连互通 , 更要保证信息的可靠性、安全性和及时性。

矿山数据仓库不是各种数据库的简单堆积和组装 , 必须实现从散乱数据到规范化的数据集成 , 其技术关键是针对地质、矿床和生产信息的复杂性、海量性、异质性、动态性及多源、多精度、多时相和多尺度等特点和各种专业应用 , 建立化分标准的主题层 , 建立规范的数据库库结构 , 定义规范的元数据、索引数据和数据立方体 , 便于数据的导入导出和自动挖掘 , 消除矿山 “信息孤岛 ”和数据冗余 , 实现面向各种引用的快速检索和转送 , 实时数据库必须实现各种事件的主动触发并保证时效性。

矿山工业自动化系统包括井下输送带监控系统、主副井提升监控系统、矿山供电监控系统、矿井排水监控系统、瓦斯抽放监视系统、主要通风机房监测系统、压风机房监测系统、供水防尘监控系统、注浆监控系统、矿井降温监控系统、风量调节与控制系统、产量计量系统、地面生产监控系统等 , 它们相当于数字矿山的腿和手 , 虽然都能完成各种动作但必须受控于大脑 , 这里的大脑就是系统集成平台软件 , 通过它可以有效协同数据仓库、安监系统、安全管理系统、生产系统和调度系统 , 实现自动控制和远程控制 , 达到真正的管控一体化 ,而不是各子系统的简单连接和堆积。

安全生产监测系统就是矿山安全的眼睛、耳朵和鼻子 , 主要包括有线通信、无线通信和移动通信系统、矿井人员定位系统、视频监控系统、安全生产环境监测系统、水文监控系统、矿压监测系统、火灾监控系统、降雨量监测系统、地表岩移监测系统 , 通过它们向数据仓库、安全管理系统、调度系统等提供实时信息 , 供决策支持系统使用。

基于统一的空间和时间四维坐标 , 将矿山中的所有信息 (包地形、建筑、地层、构造、矿床矿体、危险源、井巷工程、开采单元、采场、工作面、设备、人员、监控系统等 ) 可视化后 , 配置完整的属性信息 , 建立真三维矿山地理信息模型 ,再利用 3S ( GPS, GIS, RS) 技术和各种勘察、测量、采集手段获取动态信息对模型和属性进行实时修正 , 形成完整的四维时态地理信息系统 , 实现地上地下所有对象的透明管理和虚拟现实系统仿真。

其关键技术是不借用任何第三方软件 , 实现所有二维图形的自动绘制、三维模型的自动生成以及面向专业应用的拓扑分析、网络分析、叠置分析、剖切分析、构造分析、地质预警分析、过程仿真和透明诊断 (如果借用第三方软件就不可能实现各种应用的无缝集成和动态联动 ) , 只有实现了这一功能 , 才可能实现灵活有效的运筹与决策。