数字化矿山建设建议书.doc

- 1 - 目目 录录 1 项目提出的背景及意义项目提出的背景及意义1 2 建设数字矿山的作用和意义建设数字矿山的作用和意义2 3 数字化矿山的总体方案及其建设进程数字化矿山的总体方案及其建设进程4 3.1 数字矿山建设的目标.4 3.2 数字化矿山的逻辑结构4 3.3 河北钢铁集团矿业公司数字化矿山的总体需求.6 3.3.1 数据中心功能.7 3.3.2 三维矿业软件应用功能7 3.3.3 企业管理功能9 3.3.4 生产动态过程管控一体化功能9 3.3.5 矿山信息管理系统的实时更新10 3.3.6 与 ERP 系统的兼容10 3.4 河北钢铁集团矿业数字化矿山建设进程安排10 4 矿山信息集成管理平台系统需求分析矿山信息集成管理平台系统需求分析11 4.1 河北钢铁集团矿业矿山信息管理平台研发内容.11 4.1.1 数字矿山建模与 GIS 平台开发.11 4.1.2 GIS 平台开发环境.14 4.1.3 GIS 平台开发的原则.14 4.2 矿山信息集成管理平台的数据流程15 5 矿山信息集成管理平台系统设计方案矿山信息集成管理平台系统设计方案15 5.1 系统开发的总体思路.15 5.2 系统架构（硬件软件）16 5.3 应用软件系统的主要功能.17 5.4 应用软件系统数据库总体设计17 5.4.1 矿山信息的结构特征17 5.4.2 数据库设计方案19 5.5 系统开发的关键技术.22 6 系统开发的可行性系统开发的可行性23 6.1 技术可行性.23 6.2 经济可行性.24 7 系统开发流程、进度计划安排系统开发流程、进度计划安排24 - 1 - 数字化矿山建设一期工程 矿山信息集成管理平台系统开发方案建议书矿山信息集成管理平台系统开发方案建议书 1 项目提出的背景及意义项目提出的背景及意义 河北钢铁集团矿业公司目前正以“新矿业、大矿业”的发展要求，努力打 造“国内最大、国际一流”的矿山企业。矿业公司以科学发展观为指导，以服 务钢铁主业为宗旨，以打造钢铁粮仓为目标，按照集团公司“掌控资源、增产 增效、做大做强”的总要求，高起点谋划，高品质打造，高效率推进，加快实 施“双一体两翼一补充”发展战略，力争到“十二五”末，使铁精矿产能达到 3500 万吨规模。公司以四个一流即“管理一流、队伍一流、产品一流、环境一 流”为目标，重点加强精细管理。矿业公司最近根据省委省政府和集团公司 “十二五”发展规划编制视频会议精神，研究部署了矿业公司“十二五”发展 规划编制和公司当前及明年重点工作。矿山设计研究院按照矿业公司的部署， 目前正在研究编制科技创新和科技发展方面的发展规划。在编制科技发展规划 的同时，矿山设计研究院根据四个一流的精细管理目标，提出了数字化矿山建 设的思路，其主体思想是：紧紧围绕公司的发展要求和总体目标，以数字矿山 建设为技术平台和重要手段，切实落实精细管理方针，实现精细管理目标。 “数字化矿山”(Digital Mine)是随着计算机技术、微电子技术、信息技术 和网络技术的迅速发展近几年提出来的新概念。“数字化矿山”是对真实矿山 整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是一个能够真实反映矿山本体、 矿山开发与运行过程的“虚拟矿山”。数字矿山是以计算机及其网络为手段， 把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工，应 用于各个生产环节与管理和决策之中，以达到生产方案优化、管理精细化和决 策科学化的目的。数字矿山的特点为基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理 控制一体化、决策处理集成化。 矿业公司的数字化矿山建设以精细化管理为中心任务，在矿山技术、管理标 准、规范、制度的建立与执行的约束环境下，建立矿山系统的数据库、三维地 - 2 - 质信息模型、矿山地理信息系统、矿山安全监测系统、采矿技术、计划和设计 服务系统、选矿工艺流程监控、管控系统、矿山生产经营管控系统。 本项数字化矿山建设与 ERP 系统相结合，与 ERP 系统相衔接。数字化矿山 建设主要以矿山地质、资源储量、采矿技术计划、设计、矿业公司各矿山地理 信息和矿山全息数据信息、矿山安全监测、矿山生产工艺监控等项目为主要管 控目标，实现公司对各矿山资源、采选生产工艺、安全系统的可查、可控、可 追逆、可优化，实现领导对矿山系统信息的在线即时掌控，达到即时、全面、 准确地管控矿山的安全与生产经营状况，从而实现精细化管理的目标。 数字化矿山概念包含三个层次： (1) 将矿山中的固本信息（即与空间位置直接有关的相关固定的信息，如地 表地形地貌 , 水文地质及地质构造、矿山地质储量、开拓开采方案、已完成的 采矿工程等）数字化，按三维坐标组织起来一个数字矿山，全面、详尽地刻画 矿山的整体面貌； (2) 在矿山固本信息数字化基础上，进一步嵌入矿山开发与运行相关信息 （即空间位置间接有关的相对变动的信息，如储量、安全、机电设备、人事、 生产、技术、营销等等）组成一个意义更加广泛的多维的数字矿山。 (3) 在多维数字矿山基础上，融合现代计算机控制技术、管理决策技术，自 动控制技术等对整个矿山的开发与运行进行科学的预测、规划、计划、组织、 控制和检测，提高矿山资源利用水平、提高矿山企业生产运作效率，提高矿山 企业安全生产水平、增强矿山企业的竞争力，使之实现可持续的发展。 2 建设数字矿山的作用和意义建设数字矿山的作用和意义 数字矿山的主要研究内容包括矿山科学技术发展战略、共享矿山数据资源、 矿山可持续发展战略、矿山经济发展、矿山安全和矿山科学技术创新的需要等， 它把关于矿山系统的原始数据流转换成可以理解的信息，转换成具有矿山经济 价值的知识。 数字化矿山是在测量、地质、采矿、选矿、安全等各个专业知识和技术资 料比较完备的基础上,结合相应软件建立起来的三维模拟图形,可以相当真实地 - 3 - 立体展示地质形态和生产现场实际情况。矿业数字矿山模型是把地质勘探、资 源估计储量、测量数据收集等导入成三维视图,同时融合了露天采矿和地下采矿 设计等,它涵盖了地面状况、矿体赋存、断层、水文地质等从地表到地下的、完 整的、具体的地质数据;还能设计多种现场生产方案及采区闭坑复垦方案、模拟 方案实施效果,模拟再现生产现场的调度指挥。 管理者不仅可以通过不同设计方案的比较,实现最优化的管理;站在整个矿 山或公司的角度,整体评价和管控各个矿山、矿区、作业面的生产计划,合理调 配生产所需的各种资源;还可以在整体设计平台之上,进行动态技术信息交流,及 时改进测量、采矿、地质工作和生产管理过程中出现的不足和漏洞。各生产单 位也可借助整体设计平台,根据生产现状科学合理地进行日常生产计划安排。 数字化矿山还可以作为检验监测手段,将矿山边坡、排土场、尾矿库、地下 采场和采空区等已发生危险的部位所设置的监控设施统一进行在线监控，进行 安全的监控预防；将其他合作单位提交的测量、勘探、设计等技术资料进行复 核,找出其需要进一步完善的部分,提高项目成果的精确度,使设计能和矿山实际 生产活动相结合,科学推动矿山长远发展。 数字化矿山的意义主要体现在以下两个方面： （1）改变矿山的生产方式，在矿山设计、施工、开采、安全、管理、教育、 可持续发展、土地利用规划以及科学决策等方面产生广阔的社会和经济效益， 促进大型产业的增长，提供更多的产业机会、安全监测及决策管理服务等； （2）为矿山科学技术的发展提供了强大的动力。使矿山规划管理具有更高 的效率、更丰富的表现手法、更多的信息量、更高的分析能力和准确性，从而 提高矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平、综合实力，促进 矿山的可持续发展，在有准确坐标、时间和对象属性的多维虚拟环境中进行规 划、决策和管理，在处理矿山复杂系统问题时帮助人们更好地建立直观感和全 局观念。 对于采矿业来说,要走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、 人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路,数字化、信息化是其发展的必然 趋势。 - 4 - 3 数字化矿山的总体方案及其建设进程数字化矿山的总体方案及其建设进程 数字化矿山的基本特征是以高速企业网为“路网”、以采矿 CAD（MCAD）、 虚拟现实（VR）、仿真（CR）、科学计算（SC）与可视化（VS）为“车辆”、 以矿业数据和矿业应用模型为“货物”、以真三维地学模型拟（3DGM）和数据 挖掘为“包装”、以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障”和以矿山 GIS（MGIS）为“调度”。数字化矿山的最终表现为矿山的高度信息化、自动化、 智能化与高效安全开采，直至遥控采矿和无人采矿模式。 数字化矿山建设是一个典型的多学科技术交叉的新领域，涵盖了矿山企业 生产经营的全过程。由于矿山企业普遍具有生产对象（资源）的不确定性、生 产过程的动态性、生产环境的恶劣性，因此，数字化矿山既不是 GIS 概念的简 单延伸，也不是一般加工企业 ERP 概念的简单复制，而是一个包含两者特征的 崭新的概念。所谓数字化矿山是采用现代信息技术、数据库技术、传感器网络 技术和过程智能化控制技术，在矿山企业生产活动的三维尺度范围内，对矿山 生产、安全、经营与管理的各个环节与生产要素实现网络化、数字化、模型化、 可视化、集成化和科学化管理，使矿山企业生产呈现安全、高效、低耗的局面。 3.13.1 数字矿山建设的目标数字矿山建设的目标 （1）应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术和矿山生 产工艺技术，实现企业的经营、生产决策、安全生产管理和设备控制等信息的 有机集成。 （2）通过应用软件，实现经营管理科学化，生产计划、生产安全调度、生产 过程控制最优化。 （3）保证矿山生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。 （4）促进矿山标准化、规范化、示范化目标的实现。 数字化山最终表现为矿山的高度信息化、自动化、高效率、高安全和高效 益。 - 5 - 3.23.2 数字化矿山的逻辑结构数字化矿山的逻辑结构 数字矿山是以计算机及其网络技术为硬件环境支撑，以计算机操作系统、 数据库和各类工具软件为软件环境支撑的，融合矿山管理流程、工艺流程和自 然情况的大规模综合型应用软件系统。数字矿山自下而上可分为四个主要级层， 分别为：基础信息化、作业信息化、管理信息化和决策信息化，每个级层中， 根据处理的任务不同，又可细化为不同功能层面。 (1) 基础信息化级层 主要包含基础数据管理和模型管理。 基础数据库即实现各类数据的获取、传递与存储功能。数据获取包括利用 各种技术手段获取各种形式的数据及其预处理；数据存储包括各类数据库、数 据文件、图形文件库等。该层为后续各层提供部分或全部输入数据。 模型管理即实现各种数据的形象表述。如空间和矿物属性的三维和二维块 状模型、矿区地质模型、采场模型、地理信息系统模型、虚拟现实动画模型等。 该层不仅将数据加工为直观、形象的表述形式，而且为优化、模拟与设计提供 输入。 (2) 作业信息化层级 主要包括模拟与优化、设计规划和执行与控制。 模拟与优化即实现如工艺流程模拟、参数优化、设计与计划方案优化等。 设计规划即实现计算机辅助设计，为把优化解转化为可执行方案或直接进 行方案设计提供手段。 执行与控制是生产方案的执行过程，实现如自动调度、流程参数自动监测 与控制、远程操作等。 (3) 管理与决策支持信息化层级 包括办公自动化、ERP 与企业外部环境（供应链与客户关系）管理。依据 各种信息和以上各层提供的数据加工成果，利进行相关分析与预测，用决策支 持软件工具为决策者提供各个层次的决策支持。 数字化矿山的基本逻辑层次结构如图 1 所示： - 6 - 决策支持与商务智能 DSS+BI 办公自动化 OA 办公自动化 OA 企业资源计划 ERP 供应链与客户关系管理 SCM+CRM 方案设计生产计划生产调度生产设备生产工艺 安全监测与监控矿产资源管理，资源模型及评估 参数检测与传送基础自动化过程自动化 计算机，通信网络 操作系统，数据 库，专业工具软件 传感器，控制器 支撑 支撑 支撑 支撑 决决策策信信息息化化 （经经营营决决策策模模型型 与与算算法法） 管管理理信信息息化化 （管管理理流流程程模模 拟拟，管管理理模模型型， 方方案案设设计计与与优优化化 算算法法） 基基础础信信息息化化 （数数据据库库，图图形形 文文件件，二二/三三维维 地地质质模模型型，采采场场 模模型型等等） 作作业业信信息息化化 （工工艺艺流流程程模模 拟拟，方方案案设设计计与与 参参数数优优化化等等） 指令指令指令 信息信息 信息 图 1 数字化矿山的逻辑结构 3.33.3 河北钢铁集团矿业公司数字化矿山的总体需求河北钢铁集团矿业公司数字化矿山的总体需求 数字化矿山是将数字矿山中的固有信息数字化，按三维坐标组织起来一个 数字矿山，全面、详尽地刻画矿山及矿体的基础上再嵌入所有相关信息组成一 个意义更加广泛的多维的数字矿山。矿山系统是一个复杂的、动态的、开放的 巨型系统，各部分之间互相影响、互相制约。对于这样的系统，只有快速、准 确地了解各个系统的运行情况，并使各个子系统配套、一致，再在此基础上予 以优化，才能实时、科学地做出决策，发挥数字矿山系统的最大能力和最佳效 益。 围绕数字矿山建设的具体目标和基本内容有：矿山地质信息系统、矿体三 维模型展示系统、地测地理信息系统、采矿技术、计划、设计系统、安全监测 监控系统、工业电视监视系统、井下通风及风机监测系统、井下人员定位和管 理系统、井下采矿实况仿真监视系统、矿压监测与分析系统、水文监测与分析 系统、矿井火灾束管监测系统、输配电地理信息系统、智能化矿井通防系统、 给排水地理信息系统、综合管线管理系统、安全管理系统、设备及物资、资产 管理系统、矿山生产成本管理系统、系统集成平台建设、矿山综合管理系统等； 数字矿山建设是一个复杂的系统工程，不可能一蹴而就，需要各学科、高 校、科研院所和矿山企业的科技人员协同作战、长期奋斗才能实现的。基于数 - 7 - 字矿山建设的目标和主要内容，对现代先进技术进行集成创新，根据不同的矿 山企业的特点制定符合企业实际的数字矿山建设总体技术方案。 通过对企业现有技术应用情况的调查和对国内一些大的矿业公司的数字化 建设的分析对比，确定了河北钢铁集团矿业公司数字化矿山系统所要具备的主 要功能。 3.3.13.3.1 数据中心数据中心功能功能 数据中心按数据仓库概念进行设计与开发。对于地质、测量、采掘等矿山 对象的几何基础数据、空间拓扑规则和几何网络信息分别按地段、时间、资源 类别等关键字段进行组织和管理；对于矿山生产作业设备、作业状态、安全等 数据对象按发生时间、地点，性质分类进行组织与管理，并与基础地矿信息进 行有机融合，形成三维可视化实体信息。在实现海量的地矿、生产作业数据管 理的基础上，进一步实现数据的分专题深层次利用，为深入分析与决策提供辅 助支持。 (1)基础空间信息的组织管理：对矿山的各种资料汇总、分类存储，主要包 括矿山勘探报告、设计方案、平面图、剖面图、设备、设施、配件、井巷、材 料、工作面、区域等对象及其相互关系构成，该功能完成基本对象的空间信息 的结构定义、编码及其新增、更新、删除、查询等数据库操作。 (2)矿用对象管理：数据中心支持设备、设施、配件、井巷、材料、工作面、 区域等矿用对象及其关系面向对象的管理功能。基于 2DGIS 平台，按照地图、 图层组、图层的结构，以采、掘、机、运、通等矿山生产系统图为地图对象， 以构成生产业务系统的矿用对象为图层组织管理矿山的生产系统，使矿山各业 务系统图以 GIS 图的格式直观地表现出来，构建矿山分布的数字地图，实现属 性信息与空间分布的实时查询与管理，并实现地图的放大、缩小、平移等常规 的查询浏览操作，实现对河北钢铁矿业矿山的统一管理。 （3）数据中心管理包括了矿用对象空间基础信息的数据库操作管理和面向对 象的管理，其他生产系统可对数据进行二次开发，实现其专业系统及其专业分 析功能。 - 8 - 3.3.23.3.2 三维矿业软件应用功能三维矿业软件应用功能 系统应与三维地理建模软件（3DGIS）进行无缝融合，利用三维地理建模软 件进行矿用对象的表述与存储，并在此基础上实现矿山、作业状态、生产设备 的可视化监控与跟踪。 (1)(1) 地质部分地质部分 建立空间和矿物属性的矿山实体数字地质、矿床模型、采场模型、地理信 息系统模型、虚拟现实模型等，用以表征矿床中矿、岩的空间分布和相应部位 的属性数据， 数字地质模型子系统。其功能是根据钻探或遥感、遥测信息建立矿床地质 构造模型，如矿岩体、断层、破碎带、岩性、构造等。 数字矿床模型子系统。这一子系统的功能是建立有关矿岩属性的空间数字 模型。国际上使用最多的是数字块状模型，因为大部分优化算法以此为基础。 这一模型现阶段的主要数据来源是钻孔、探槽和炮孔取样。对矿山生产最重要 的是品位模型、杂质含量模型及价值模型，它们是矿岩圈定、矿量品位计算和 设计、计划的基础。 (2)(2) 采矿部分采矿部分 以地质及矿床模型为基础，结合其它关键信息构造虚拟矿山，进行数字模 拟开采，完成矿山长、中、短期开采计划编制、露天矿穿爆设计、地下矿巷道 标准断面设计、峒室设计、开拓设计、采矿方法设计、穿爆设计、通风设计、 灾变应变预案等工作。以优化开采为目标，因此系统对矿山开采能否充分的利 用资源、减少矿石的损失率和贫化率、以及取得最大效益都具有重要意义。 (3)(3) 测量部分测量部分 导入全站仪、GPS 等设备或南方 CASS 格式的测量数据，自动生成地形、采 场现状等表面建模；对于 AutoCAD，MapGis 文件，可以直接导入 3DGIS 环境 （如：3DMine） ，利用其点线和属性数据构建三维表面模型；还可以应用于工程 量的验收计算，通过任意两个面或面与实体的的交并布尔运算，精确计算其封 闭体的体积和表面积。如，计算排土场的体积，计算填方，挖方工程量。 (4)(4) 3DGPS3DGPS 监测监测 输入广播协议地址与 GPS 动态信息链接，实现对矿山生产或设备的实时监 - 9 - 测；保存历史 GPS 网络数据，对矿山设备进行现场调度，以便不用亲临现场就 能更真实地了解施工时情况；矿山数据信息的动态查询与监测；能够实时显示 GPS 设备传送的位置信息；自动演示并记录设备的运行路线；视图缩放可以详 细查看单个设备，以及设备类型、编号以及当前所在地质属性信息的实时查询； 保存单个设备当前的运行轨迹。 基于 3DGIS(3DMine)的地质资源数字化处理、基于局域网的数字化储量管 理与应用等，实现地质资源信息在地测采环节间的无缝流转，为基于矿业软件 实现开采优化设计提供地质基础保证。 3.3.33.3.3 企业管理企业管理功能功能 企业管理为企业数据管理配置中心，系统完成的功能主要有： (1)(1) 矿用对象数据目录：矿用对象数据目录：基于数据中心所定义的矿用对象按目录树的模式组 织数据，通过对象目录树可以查询对象类，可以定义对象属性数据结构，可以 新增、修改、删除、配置对象。 (2)(2) 生产系统数据目录：生产系统数据目录：实际上生产系统是由各种矿用对象按照一定的拓扑 网络关系构成的，比如供配电设备和电缆及其相互的连接关系构成了供电网络， 所以生产系统目录中的对象数据包含了相应业务信息，用户可通过相应生产系 统查询、配置某一对象包含的信息。 图属互查数据：系统包含基于采掘工程图的所有生产业务系统布置图，并且实 现了矿用对象属性信息与生产业务系统布置图空间位置的关联，任何对象通过 属性信息定位其空间位置，通过选择地图要素在列表中定位其属性信息，从而 实现图属互查功能。 (3)(3) 对象属性结构自定义：对象属性结构自定义：对任一对象用户可以自定义属性结构，并且可以 根据需求增加、修改、删除属性字段，这些由用户自定义的属性字段通过系统 支持的访问机制。 ( (4) ) 测点配置管理：测点配置管理：系统与全矿山综合自动化系统平台无缝集成，对于全矿 山综合自动化系统平台所包含的监测点信息与对象属性字段进行绑定，可以实 时获取绑定测点信息，支持一个对象属性绑定多个字段。 (5)(5) 数据字典管理：数据字典管理：数字字典是支持系统运行的基础信息，通过数据字典管 理可以对诸如设备类型、设备型号、巷道用途、厂家信息、服务访问路径等信 - 10 - 息进行维护管理以支持其他系统对基础数据的平滑使用。 3.3.43.3.4 生产动态过程管控一体化功能生产动态过程管控一体化功能 应用可视化技术实现生产过程、工艺、设备、仪器的自动监测与控制，包 括如下几个方面。 (1)基于 GPS 的露天矿采场生产调度监控系统 (2)安全生产管控：通过对人员设备的定位跟踪来实现安全生产和通过优化 方法实现设备的有效利用。 (3)提升、供电、通风、排水等系统的自动监测与控制 (4)矿用对象库管理：系统提供矿用对象信息库，可以对不同厂家生产的矿 用装备、配件、材料进行管理。 3.3.53.3.5 矿山信息管理系统的实时更新矿山信息管理系统的实时更新 把各个矿山的信息系统包括三维矿业软件作为终端的数据接口，每个矿山只 掌握自己矿山的数字化管理系统，人员、设备等定位信息在信号自动采集的基 础上可实现同步实时更新，地测采、矿山生产调度部门可每隔一定时间及时更 新矿体、巷道变化和生产现状等资料，暂定研究院的矿山的数字化管理系统为 中心系统，让中心系统和终端系统保持同步，这样就可以真正实现矿山地质资 源、生产动态的实时准确掌握与管理。 3.3.63.3.6 与与 ERPERP 系统的兼容系统的兼容 公司的 ERP 系统已经上线了生产、销售、财务、供应等四个模块，该信息 系统要和 ERP 系统有机的结合起来，充分利用现有资源，并在此基础上将资源 的应用最大化、最优化。本信息系统更加侧重矿山生产的技术层面，而 ERP 系 统更佳突出经济层面的生产经营管理，通过对接将技术和经济两者完美的结合 起来，真正在信息化、数字化上做到“精细化”管理。 3.43.4 河北钢铁集团矿业数字化矿山建设进程安排河北钢铁集团矿业数字化矿山建设进程安排 数字化矿山建设是一个典型的多学科技术交叉的新领域，涵盖了矿山企业 生产经营的全过程，是一项投资较大、时间持久、复杂的系统工程。因此必须 结合企业的实际情况，采取“总体规划、分步实施”的原则逐步进行建设。 - 11 - 结合矿山的现状，以及目前信息技术的发展水平，数字矿山建设初步按照以 下几个阶段开展实施： 第一阶段：数字矿山建模与 GIS 平台开发阶段 第二阶段：数字矿山模型在矿山地质、测量、采矿、计划等方面的应用阶段 第三阶段：建设、完善矿山综合通讯系统阶段 第四阶段：设备监测、控制和安全预警系统建设阶段 第五阶段：基于完善的网络系统和先进的生产设备的高度自动化的实时管理阶 段 此次开发考虑到系统建设阶段性和稳妥性，首先集中开展前两个阶段的工 作，即进行矿山信息集成管理平台的研发，满足矿山生产建设开发中的需要， 提高现阶段的矿山技术管理水平。 数字化矿山建设将首先以司家营铁矿为首期建设任务，首先将司家营铁矿 建成数字化矿山的示范矿山，进一步带动建设公司其他矿山。 4 矿山信息集成管理平台系统需求分析矿山信息集成管理平台系统需求分析 4.1 河北钢铁集团矿业矿山信息管理平台研发内容河北钢铁集团矿业矿山信息管理平台研发内容 4.1.1 数字矿山建模与数字矿山建模与 GIS 平台开发平台开发 主要构建矿山从历史到现状的地形、地质、工程模型，满足实际使用的要 求，这是数字矿山建设的基础阶段。矿山生产对象是埋藏在地下的矿体，还有 影响开采的围岩和地质构造，用真三维软件工具将这些对象表达出来，可以为 后续的地质、测量、采矿、计划等工作提供了基础。具体的主要工作内容包括： （1） 矿山地、测、采资料的收集； 钻孔数据以及探槽数据 钻孔数据以及探槽数据是矿山资源评估和采矿设计的基础，是矿山生产管 理的重点。地质数据的完善性和可靠性，直接影响一个矿山生产经营和决策。 现场采集钻孔数据包括： 钻孔开口位置数据 - 12 - 测斜数据 矿山钻孔样品分析数据 地质岩性分析数据 井巷工程数据 井巷工程是矿山生产中运输人员、矿石、材料等的主要通道。井巷工程数 据主要为矿山开拓系统布置图，即为所要建模的中段平面图，及各种巷道断面 尺寸。 地表测量数据 地表模型是建立三维地质实体模型的重要组成部分。一些地表工程的设计 和施工包括排土场、选场、井口等位置都是以地表模型为参考的；同时，地表 模型作为边界约束条件，还直接影响到技术经济指标和工程量的计算，因此， 为了达到最好的实际效果，地表模型必须满足精度要求。地表测量数据包括矿 区地质地形图以及各矿体区域地质地形图（包括散点信息）或 MapGis、AutoCAD 矢量化地形等高线图。 平剖面图 平面地质图：主要是中段平面布置图，中段平面图除在建立井巷开拓工程 模型过程中使用外，在建立矿体模型中也可做为重要参考，另外还需有勘探线 总体分布平面图，方便图形矢量化的校验。地质勘探线剖面图：包括所要建立 矿体模型区域的勘探线剖面图（地理坐标信息附带） 。以上图形可以是 AutoCAD 格式或 MapGis 格式的数据，数据采集后可导入 3DMine 进行编辑，实现存储和 建模。 （2）矿山现有各种资料的数字化 矿区地形图、及地质勘探平剖面图和地质勘探钻孔信息的数字化； 钻探、 生产勘探资料（报告和图纸）的数字化；露天坑现状实测资料的数字化；据对 预建模矿区的了解，目前的主要数据，如钻孔数据、各种剖面数据都已经数字 化，所以该项工作已经具备相当的基础。 （3）数据的导入 将各种数字化的矿山资料导入到软件数据库中，分类集中管理，主要包括 以下三方面的数据： - 13 - 钻探、生产勘探地质数据的导入； 地质平剖面图的导入； 实测现状图的导入； （4） 资源与开采环境模型构建 对资源和开采环境进行建模是三维软件的基础和核心，通过对矿体、主要 构造、地表等进行三维模型的构建，并通过地质统计学的方法进行精准的估算 储量，为下一步采矿工程的实施奠定基础。 建立地质数据库 在对导入数据进行校验的基础上，通过钻孔数据的开孔文件、测斜文件、 样品分析文件和岩性文件建立地质数据库，并可以在三维环境下显示地质数据。 样品数据基本统计分析和变异函数分析 地质数据库中的数据是块体模型内所有单元块参数估值的依据，也是矿床 储量计算的依据，根据地质统计学原理，统计样品的值与空间分布情况，了解 矿体分布规律，并为确定特高值和块体模型估值作准备。 在进行各样品参数的基本统计分析外，还需要进行变异函数分析，以确定各参 数在空间上的相关性、结构性。 由于矿体分布具有一定的方向性，区域化变量在不同方向可能会具有不同 的结构性和变异性， 即具有空间各向异性特征。因此，在进行变异函数的计算 和分析时将针对不同的方向分别进行。 在进行各个方向的变异函数计算分析时， 一般是分布于某个方向一定范围内的样品点参与进行该方向的变异函数计算。 需要指定的参数包括：圆锥体的容差角、容差限、滞后距，计算的最大距离。 因为理论变异函数参数取值的正误对品位估值结果的准确性具有非常大的 影响。所以要进行交叉验证，目的就是对理论变异函数参数的取值进行检验， 判断应用这些参数进行品位估值时的估值效果。 地质实体模型构建 三维实体模型是由一系列相邻三角面，包裹成内外不透气的实体，是建立 在矢量化图纸的基础上的。通过中段图和剖面图，利用软件提供了多种方法选 择本适合本矿山的建模方法自动建立实体模型。 - 14 - 地质模型还包括地表模型，地表模型一般由若干地形线和散点生成，根据 每个点的坐标值，将所有点（线亦由散点组成）联成若干相邻的三角 面，然后 形成一个随着地面起伏变化的单层模型，因此需要首先用 AutoCAD 矢量化地形 等高线图，然后导入软件中，再用创建 DTM 指令生成地表模型。 打开导入的 等高线和散点文件，执行“创建 DTM 模型”指令。 块体模型构建 块体模型是矿床品位推估及储量计算的基础，建立块体模型的基本思想是 将矿床在三维空间内按照一定的尺寸划分为众多的单元块，然后对填满整个矿 床范围内的单元块的品位根据已知的样品进行推估，并在此基础上进行储量的 计算。首先针对矿床的基本模型建立空白模型，后续产生的所有块体模型都是 在原型的基础上进行赋属性值。 块体建模的一个更重要的目的是对矿床的品位进行推估，以实现矿床储量 的计算及管理。3DMine 提供了距离幂次反比法、克里格法、最近距离法等几种 品味估值方法。估值后的模型在“三维设计”窗口打开，使用“三维配色”命 令根据块体模型的品位字段配色，可以直观的看到块体的品位分布。利用逻辑 约束引擎，可实现不同约束条件下的矿石资源/储量和品位报告。 4.1.24.1.2 GISGIS 平台开发环境平台开发环境 在 Windows XP/2000 操作系统和 SQL Server 数据库软件环境下，以 C#、3DMine 及 MapInFor 为开发工具进行河北钢铁矿业矿山资源管理系统的 GIS 平台开发，主要包括数据采集、分析、处理、建库、检索、输出等功能， 系统预计实现以下功能：文件操作、图形图像操作、属性操作、数据库查询、 数据管理、信息更新、决策分析、图、文、表信息输出等功能。 4.1.34.1.3 GISGIS 平台开发的原则平台开发的原则 根据矿山的特点以及开发工具的特点，吸取以往开发经验，结合最新的 GIS 发展现状，本着实用、方便、安全、稳定的角度进行设计，主要遵循以下 几个原则: （1）实用性原则 实用性是系统设计的主要原则，是衡量系统建设成功与否的基本准则，从 - 15 - 管理部门的需求出发，开发功能实用，符合管理人员工作特点、工作习惯和业 务流程的系统。 （2）标准化原则 系统的设计符合软件工程以及 GIS 的基本要求，从数据、编码、图形图像 符号等符合国家和行业标准。 （3）操作简便 系统应以简洁为主，在保证功能齐全的情况下，做大友好大方、简单易懂、 容易上手，功能设计根据管理要求贴近用户，提供详细的帮助功能。 （4）易于维护 系统涉及到河北钢铁矿业所有矿山，数据规模庞大，数据结构复杂，图、 文、表结合紧密，数据库要充分考虑易于维护、扩展以及其它软件的扩充。 （5）安全稳定 系统涉及到河北钢铁矿业的资源信息，属于公司内部使用，系统的设计应 确保数据库的安全稳定，确保公司商业机密安全。 4.24.2 矿山信息集成管理平台的数据流程矿山信息集成管理平台的数据流程 数据流程体现了计算机信息处理过程的本质，是描述计算机应用软件系统 需求和开发内容的重要工具，可全面地刻画应用软件系统的逻辑处理流程和功 能。根据以上需求描述，建立系统的数据流程如图 2 所示。 原始纸质 地矿资料 整理筛选 地矿电子化资料 电子化处理 拟存档地矿资料 分类编码及 摘要处理 矿产资源中心数据库 数据仓库联机 专题服务引擎 现有各矿区 地测采资料 编辑、录入、 处理 存档地矿 资料 拟存档地矿资料 提交存档 生产作业与设备状态数据库 各矿区地测 采动态数据 采集、编辑、 整理 地测采动态信息 分类编码处理 地测采更新 信息 各矿区设备 动态信息 各矿区作业 动态数据 各矿区安全 动态数据 各矿区人员 定位数据 采集、编辑、 整理 各矿区经营 数据数据 矿区生产经营 动态更新信息 矿区生产经营 动态信息 数据仓库外部 数据接口 公司其它系统 办公自动化 系统 公司ERP系统 生产经营数据库 文档库 地测采图库 多媒体库 地矿三维 可视化 资源经济 测算评价 矿山开发 方案 综合地质研究 作业监控与调度安全生产监测 专题分析数据 专题支撑应用软件 图 2 河北钢铁集团矿业矿山资源信息集成管理平台数据流程 - 16 - 5 矿山信息集成管理平台系统设计方案矿山信息集成管理平台系统设计方案 5.1 系统开发的总体思路系统开发的总体思路 河北钢铁集团矿业矿山信息集成管理平台是在计算机网络硬件与软件环境 的支撑下，采用 C#开发的基于 WEB 的数据仓库应用管理软件平台，提供用户 权限管理、数据备份、各类数据包括文档，图象的编码、导入、传输、存储、 按专题检索、统计与分析功能。系统采用的计算模式为 B/S 结构，其优点是客 户端无需安装任何应用软件，只要通过浏览器以访问网站的形式即可进行使用， 使用简捷，便于管理和维护，同时系统具有良好的兼容性和可扩展性。 5.2 系统架构（硬件软件）系统架构（硬件软件） （1）系统的网络支撑环境与拓扑结构 矿山/矿区骨干网 广域网 （互联网或矿业网） 矿山/矿区骨干干网 矿业公司主干网 节点路由器节点路由器 中心路由器 数据 服务器 WEB 服务器 应用 服务器 应用 服务器 WEB 服务器 数据 服务器 应用 服务器 WEB 服务器 数据 服务器 工作站 工作站 工作站 井下分支网露天矿分支网 交换机 交换机 防火墙 防火墙 防火墙 数字摄像机 数字摄像机 无线基站 无线基站 数采接口 数采接口 人员信息卡人员信息卡 手台/手机 手台/手机 图 3 河北钢铁集团矿业数字化矿山系统网络拓扑方案示意 （2）软件开发与支撑环境 - 17 - 操作系统：Windows 2000/XP 数据库系统：SQL Server 软件开发工具：Visual Studio C# 三维地质图形支撑软件：3DMine (3) 应用软件系统架构 三 维 建 模 软 件 操 作 系 统 矿产资源数据仓库 数据检索查询服务引擎 数据接口引擎 专题应用软件系统ERPOA 数据采集、编码、转换、传输 计 算 机 网 络 系 统 数 据 库 管 理 系 统 地测采数据 设备、作业、人员 实时监控数据 安全监测数据 河北钢铁矿业集团矿产 资源信息集成管理平台 图 4 河北钢铁集团矿业矿山信息集成管理平台软件架构示意 5.3 应用软件系统的主要功能应用软件系统的主要功能 河北钢铁集团矿业矿山信息集成管理平台软件功能如图 5 所示。 河北钢铁矿业集团矿产资源信息集成管理平台 系统设置维护信息资源分类采编数据检索统计三维建模分析 专题数据服务引擎 与接口 用 户 与 权 限 管 理 操 作 日 志 管 理 数 据 字 典 与 编 码 管 理 数 据 备 份 数 据 录 入 与 采 集 表 单 图 档 上 传 下 载 信 息 分 类 编 码 数 据 综 合 检 索 数 据 统 计 分 析 图 档 综 合 检 索 数 据 与 图 档 下 载 三 维 建 模 引 擎 三 维 图 形 显 示 三 维 模 型 分 析 计 算 作 业 监 控 与 调 度 安 全 监 测 E R P 与 OA 接 口 后期开发 图 5 河北钢铁集团矿业矿山信息集成管理平台软件功能示意 5.45.4 应用软件系统数据库总体设计应用软件系统数据库总体设计 5.4.1 矿山信息的结构特征矿山信息的结构特征 （1）矿山数据特点）矿山数据特点 - 18 - 矿山是一个复杂的动态时空巨大系统，其地理空间要素、资源环境信息和 生产经营信息的内容广泛、综合、复杂、变化迅速，这就决定了矿山数据具有 如下特点: 海量数据 由于矿山的生产经营管理，涉及到经济、生活、生态环境、资源、工程技 术等各大领域，仅工程技术就又涉及到测量、地质、采矿、选矿、机械、电气 等方方面面，其数据必然是海量的。 数据的多样性与多源性 矿山数据来源广泛，既有内部生产运营数据，又有外部相关数据，既涉及 技术，又涉及经济等等;数据表现形式有的是以数据文件形式存储，有的是以文 本形式存储，有的是以图形形式存储等。这就要求在进行矿山信息系统集成时 对数据进行规范和统矿山数据的动态性 矿山数据对矿山地质体的表达是一个由模糊到精确的过程，是一个动态的 积累程，从矿山资源勘探、矿井开拓到生产，矿山数据量越来越大，反映矿山 实体的层次逐步细化，反映地质体客观现象、规律的准确程度逐步提高。如在 资源勘探阶段，主要是通过钻探、物探、野外地质调查获取 D 级、C 级地质储 量;在矿井开拓阶段，通过补充勘探和开拓工程，可以获取 C 级、B 级地质储量。 数据的关联性 矿山所面对的地质体存在相互作用关系，矿体和围岩、两个相邻或不相邻 地层间、构造与矿层具有关联性。同时矿山各生产部门之间的信息联系紧密， 如地质、测量、采矿、充填、通风等部门均需使用同一采场的空间坐标数据。 (2(2 ) )矿山数据源的数据格式矿山数据源的数据格式 矿山数据仓库数据源来源非常广泛，既有地质勘探部门的原始勘探资料， 设计部门的设计资料，还有矿山在生产经营过程中的生产经营资料，以及矿业 市场的供求信息等。矿山数据仓库的数据源主要包含业务数据、历史数据、办 公数据、WEB 数据、外部数据。这些数据源的数据格式包括: 数据库 随着各种管理信息系统在矿山的广泛应用，数据库己成为矿山数据存储和 - 19 - 管理的主要技术，但由于系统开发和数据库选型的不规范，在矿山企业内采用 了各种不同的数据库管理系统，形成了即使是管理相同的业务数据，也采用了 不同数据库的情况。这对矿山数据仓库进行数据抽取和集成带来了困难，使数 据抽取接口和协调比较复杂。 文件系统 文件系统是矿业领域早期应用最多的一种数据记录格式，记录了大量的矿 山信息。 1) 数据文件 数据文件是矿业领域应用最多，而且最广的数据记录方式。如钻孔数据库 包括孔口坐标、钻孔测斜、样品分析化验值和地质代码 4 个数据文件。各数据 库主要数据项分别为: 孔口坐标数据文件:钻孔编号，X、Y、Z 三维坐标及孔深。 钻孔测斜数据文件:钻孔编号、测斜深度、方位角、倾角。 样品化验数据文件:钻孔编号、取样起始深度、终止深度、取样间距、岩矿 芯长。 地质代码数据文件:钻孔编号、起始深度、截止深度、岩矿心长、岩石类型。 2) 文本文件 各种格式的报表、技术资料、数据和参数列表等，常采用 Word、Excel 等格 式。 3) 图形文件 矿山计算机捕助设计 CAD 的普及，产生了大量 DWG 格式的图形文件;扫描输 入的 BMP 格式的图形等。 （3）矿山数据的多维度特征）矿山数据的多维度特征 从逻辑层面上对矿山信息进行分析，可以清楚认识到其具有时间维度、空 间维度、业务分类维度。图 6 给出了矿山数据的多维度视图。由此可以对矿山 进行有效地组织与管理。 - 20 - 空间位置 （矿区、矿段，坐标XYZ） 时间 信息专题分类 地质 测量 采矿 设备 人员 安全 作业状态 。 信 息 形 态 数据 文档 图形 。 图 6 矿山信息的维度 5.4.2 数据库设计方案数据库设计方案 （1）地质矿产数据库的概念模型设计）地质矿产数据库的概念模型设计 概念结构设计是将需求分析得到的用户数据需求进行抽象并转换为信息界 结构的过程。信息世界结构又称为概念结构或概念模型(ConcePtMedel)，是按 用户观点对数据和信息建模，是现实世界到机器世界的一个中间层次，独于机 器和具体的数据库系统，是各种数据模型的基础，是数据库设计的关键。 实体一联系模型即 E 一 R 模型是目前表示概念结构的最有效的方法之一， 它过抽取实体(Entity)和实体之间的联系(Relationship)来表达概念结构。 地质矿产资料的成果主要有四类基本形式:(l)目录薄，(2)文档(文字资料)， (3)图件，(4)表格。在现代矿床勘探过程中，由于计算机运用，有时可能包括 电子文档(Word 文档)、电子表格(Excel 表格)、电子录像等电子介质资料和遥 感影像、图片、声音、图像、幻灯片等多媒体资料。 除了包含地质矿产资料的成果以外，为了保证数据库的安全，地质矿产基 数据库还必须包含一些用户资料。对于不同的用户使用资料的权限必须受到制， 因此，对于各个资料均需要数据库管理员或者部门管理员(DBA、DataBase Administrator)来设置用户的权限，这种设置是允许读、写等。 以上资料成果可以抽象为下述实体: (1)目录条目实体:资料分类体系树形结构中的结点可以抽象为目录条目， 称为目录条目实体(DirectoryItem，记为 DirItem)。 (2)文档数据实体:纸介质文档(勘探报告、研究报告等)、电子文档 (Word、PDF、PPT 等文档)、电子表格(Excel 表格等)、多媒体资料(遥感影像、 图片声音、图像、幻灯片等)、软件包等数据的表示和存储，统一抽象为文档数 - 21 - 据称为文档数据实体(DoeumentData，记为 DoeDat)。 (3)文档特征实体:对文档数据的特征(名称、日期等)进行描述的条目，称 为文档特征实体(DoeumentCharacterization，记为 DoeCha)。文档特征实体为 文档数据的元数据(Metadata)。 (4)图件数据实体:纸介质图件(综合地质图、剖面地质图、中段地质图等)、 电子图件(各类地测图件的扫描光栅文件、M 即 GIS、Maplnf。 、ArcGis 的矢量 化文件等)等数据的表示和存储，统一抽象为图件数据，称为图件数据实体 (MapData，记为 MapDat)。 (5)图件特征实体:对图件数据的特征(名称、日期、比例尺等)进行描述的 条目，称为图件特征实体(Mapeharaeterization，记为 MapCha)。图件特征实 体为图件数据的元数据。 (6)表格数据实体:可以用二维表格表示的数据(如样品化验分析数据)，统 称为表格数据实体(TableData，记为 TabDat)。 (7)表格特征实体:对表格数据的特征(名称、日期等)进行描述的条目，称 为表格特征实体(TableCharaeterization，记为 TabCha)。表格特征实体为表 格数据的元数据。 (8)孔数据实体:矿床勘探工程(如钻孔、坑道、探槽等)在几何形状上均为 线状，均具有工程位置、轨迹形态、地质编录、样品化验等数据，具有相同的 或相似的数据构型，都可用二维表格来表示。这些勘探工程的数据是地质分界、 矿体圈定的主要数据来源，由于其相似的数据构型，统一抽象为孔数据 (HoleData)。孔数据包括孔口坐标数据实体(HoleCollarData，记为 HoleCollarDat)、孔迹测量数据实体(HoleSurveyData，记为 HolesurveyDat)、 地质编录数据实体(HoleCodingData，记为 Ho1eCodingDat)、样品化验数据实 体(HoleSampleData，记为 HolesampleDat)。 (9)用户实体:用来描述使用本系统的用户信息的数据(如所在部门、密码、 名称等)，称为用户实体。 (10)权限实体:为了维护系统数据的安全，对每个条目和用户都赋予了不 同的权限(如:只能浏览、允许所有操作等)，称为权限实体。 这些实体之间的联系如下: - 22 - (1)目录条目实体可以是某个目录条目实体的子条目，也可以是其它目录 条目实体的父条目，即目录条目实体与其子条目之间的联系为一对多联系，同 时，目录条目实体是有分层级别的。由目录条目实体集及其上的联系构成的结 构是资料分类体系的概念模型。 (2)一个末级目录条目实体可以包含多个文档特