摘 要: 目前 , 用數(shù)字礦山技術(shù)打造本質(zhì)安全型的高產(chǎn)高效礦井已成為我國采礦企業(yè)追求的目標。通過數(shù)字礦山的完整定義 , 簡要描述了數(shù)字礦山的主要內(nèi)容、技術(shù)內(nèi)涵、建設(shè)規(guī)范和系統(tǒng)功能 , 論述了我國數(shù)字礦山技術(shù)的研究進展及其在礦山企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀 , 以此為準備實施或正在實施數(shù)字礦山建設(shè)的企業(yè)決策者和工程技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞: 數(shù)字礦山; 定義; 內(nèi)涵; 進展 ; 系統(tǒng)

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(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、3S ( GIS, GPS, RS) 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 , 國內(nèi)眾多研究機構(gòu)和學者對數(shù)字礦山建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)方案從不同角度提出了各自的看法及思路^{[ 1 - 17 ]}。建立數(shù)字礦山既可以實現(xiàn)安全管理的數(shù)字化 , 為打造本質(zhì)安全型礦井提供信息保障 , 也是實現(xiàn)生產(chǎn)管理的精細化 , 為打造高產(chǎn)高效礦井提供決策手段。因此 , 中國有不少礦山企業(yè)都加大了信息化建設(shè)的投入 , 為打造數(shù)字礦山而努力 , 大多數(shù)現(xiàn)代礦井和大型集團公司都實現(xiàn)了瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) , 有些公司實現(xiàn)了部分綜合自動化 ;有些公司實現(xiàn)了部分 ERP項目、設(shè)備管理或資產(chǎn)管理; 大部分公司實現(xiàn)了計算機輔助地測制圖; 有些公司已經(jīng)開始實施地理信息系統(tǒng)建設(shè); 有些采礦企業(yè)數(shù)字礦山建設(shè)已成雛形。

但由于礦山是一個以資源為開發(fā)對象的離散生產(chǎn)系統(tǒng) , 主要作業(yè)處于地表深處 , 地質(zhì)條件復雜 ,環(huán)境惡劣 , 瓦斯、粉塵、水害、頂?shù)装迨鹿?, 火災(zāi)隱患難以探測和辨識 , 大型事故時有發(fā)生 , 給我國礦業(yè)生產(chǎn)造成了重大損失 , 也嚴重危及了礦工的人身安全。因此 , 數(shù)字礦山既不是 “數(shù)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(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、管理、全過程監(jiān)控等信息化領(lǐng)域與發(fā)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(zhàn)略資源之一加以統(tǒng)籌開發(fā)和利用 , 更沒有形成系統(tǒng)性能穩(wěn)定、信息資源充足的礦山信息基礎(chǔ)設(shè)施 , 也沒有形成 “數(shù)字礦山 ”建設(shè)規(guī)范 , 不少學者和企業(yè)技術(shù)人員對數(shù)字礦山的定義、內(nèi)涵和作用還是比較模糊 , 本文通過數(shù)字礦山的完整定義 , 簡要描述了數(shù)字礦山的技術(shù)特征、建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)規(guī)范、系統(tǒng)功能 , 結(jié)合國家 “863”重點項目 《數(shù)字化采礦關(guān)鍵技術(shù)與軟件開發(fā) 》的階段成果 , 論述了我國數(shù)字礦山技術(shù)的發(fā)展概況及其在礦山企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

數(shù)字礦山也稱智慧礦山 , 是建立在礦山數(shù)字化基礎(chǔ)上能夠完成礦山企業(yè)所有信息的精準適時采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、規(guī)范化集成、可視化展現(xiàn)、自動化操作和智能化服務(wù)的數(shù)字化智慧體。

1) 數(shù)字化基礎(chǔ): 已把礦山的所有內(nèi)容處理成現(xiàn)代計算機可以接受、儲存、拷貝、加工和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)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(chǎn)和管理等信息 ,并保證信息的及時性。

3) 網(wǎng)絡(luò)化傳輸: 所有信息包括實時數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)可以通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)進行準時、可靠、安全的傳輸 , 必要的數(shù)據(jù)要保證時鐘同步。

4) 規(guī)范化集成: 通過標準的數(shù)據(jù)格式、開放的通信協(xié)議和統(tǒng)一的管理規(guī)范所定義的數(shù)據(jù)倉庫實現(xiàn)各種應(yīng)用中信息的互連互通 , 確保數(shù)據(jù)的唯一入口和一致性。

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

6) 自動化操作: 對于主要生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)、監(jiān)聽監(jiān)視環(huán)節(jié)、時限性強、準確度高的環(huán)節(jié)以及環(huán)境惡劣、易疲勞環(huán)節(jié)實現(xiàn)操作自動化或無人化。

7) 智能化服務(wù): 在一些諸如危險辨識、災(zāi)害預警、事故報警、方案設(shè)計、計劃編制、過程控制、經(jīng)濟分析、調(diào)度優(yōu)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(shù)字化智慧體有 2層含義: ①通過數(shù)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(huán)境處在高度協(xié)調(diào)的統(tǒng)一體中運行; ②通過不斷地收集、學習和濃縮相關(guān)專家的最新知識 , 使數(shù)字礦山的神經(jīng)中樞具有眾多專家集體決策的能力。

數(shù)字礦山的建設(shè)內(nèi)容如圖 1所示。

圖 1 數(shù)字礦山建設(shè)內(nèi)容

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺不僅要滿足企業(yè)內(nèi)部數(shù)字化內(nèi)容傳輸和有線無線通信的需要 , 也要滿足對互聯(lián)網(wǎng)的需求 , 通過寬帶光纖環(huán)網(wǎng)、現(xiàn)場總線以及商用數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息的采集、傳輸、儲存、分析、決策、控制、發(fā)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(shù)據(jù)倉庫不是各種數(shù)據(jù)庫的簡單堆積和組裝 , 必須實現(xiàn)從散亂數(shù)據(jù)到規(guī)范化的數(shù)據(jù)集成 , 其技術(shù)關(guān)鍵是針對地質(zhì)、礦床和生產(chǎn)信息的復雜性、海量性、異質(zhì)性、動態(tài)性及多源、多精度、多時相和多尺度等特點和各種專業(yè)應(yīng)用 , 建立化分標準的主題層 , 建立規(guī)范的數(shù)據(jù)庫庫結(jié)構(gòu) , 定義規(guī)范的元數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)立方體 , 便于數(shù)據(jù)的導入導出和自動挖掘 , 消除礦山 “信息孤島 ”和數(shù)據(jù)冗余 , 實現(xiàn)面向各種引用的快速檢索和轉(zhuǎn)送 , 實時數(shù)據(jù)庫必須實現(xiàn)各種事件的主動觸發(fā)并保證時效性。

礦山工業(yè)自動化系統(tǒng)包括井下輸送帶監(jiān)控系統(tǒng)、主副井提升監(jiān)控系統(tǒng)、礦山供電監(jiān)控系統(tǒng)、礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)、瓦斯抽放監(jiān)視系統(tǒng)、主要通風機房監(jiān)測系統(tǒng)、壓風機房監(jiān)測系統(tǒng)、供水防塵監(jiān)控系統(tǒng)、注漿監(jiān)控系統(tǒng)、礦井降溫監(jiān)控系統(tǒng)、風量調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)、產(chǎn)量計量系統(tǒng)、地面生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等 , 它們相當于數(shù)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(tǒng)集成平臺軟件 , 通過它可以有效協(xié)同數(shù)據(jù)倉庫、安監(jiān)系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng) , 實現(xiàn)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(tǒng)的簡單連接和堆積。

安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)、礦井人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、水文監(jiān)控系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測系統(tǒng)、地表巖移監(jiān)測系統(tǒng) , 通過它們向數(shù)據(jù)倉庫、安全管理系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等提供實時信息 , 供決策支持系統(tǒng)使用。

基于統(tǒng)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(gòu)造、礦床礦體、危險源、井巷工程、開采單元、采場、工作面、設(shè)備、人員、監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)和各種勘察、測量、采集手段獲取動態(tài)信息對模型和屬性進行實時修正 , 形成完整的四維時態(tài)地理信息系統(tǒng) , 實現(xiàn)地上地下所有對象的透明管理和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)仿真。

其關(guān)鍵技術(shù)是不借用任何第三方軟件 , 實現(xiàn)所有二維圖形的自動繪制、三維模型的自動生成以及面向?qū)I(yè)應(yīng)用的拓撲分析、網(wǎng)絡(luò)分析、疊置分析、剖切分析、構(gòu)造分析、地質(zhì)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(xiàn)各種應(yīng)用的無縫集成和動態(tài)聯(lián)動 ) , 只有實現(xiàn)了這一功能 , 才可能實現(xiàn)靈活有效的運籌與決策。