（通信与信息系统专业论文）数字化矿山及其关键技术应用与研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 数字化矿山及其关键技术应用与研究 通信与信息系统 赵安新 卢建军 ( 签名) ( 签名) 摘要 随着信息时代的到来，数字化矿山的构建必将成为实现煤矿企业高产、高效、绿色、 安全开采的有效途径，是当今采矿科学、信息科学、人工智能、计算机技术和3 s 技术 高度结合的产物，它将深刻改变传统的采矿生产活动和人们的生活方式。 本文在对国内外已有的数字化矿山建设总结和分析的基础上，通过对比和分析数字 化矿山的应用现状，提出了数字化矿山的应用模式和构成体系，逐步建立了数字化空间 中的企业管理应用模式。同时，本文结合数字化矿山建设的体系结构和宁夏煤业集团公 司信息化建设现状，设计了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设的总体目标和分两步来建 设数字化矿山的整体解决方案。根据集团公司的整体目标，针对试点矿羊场湾煤矿的基 础环境分析，设计了煤炭企业基于i p 平台数据资源标准草案和数字化矿山的解决方案。 数字化矿山是一个复杂而巨大的系统，它所涉及的是多知识的融合，多学科的交叉。 因此本论文在前期工作基础之上，实现了宁夏煤业集团公司数字化矿山设计方案的第一 步，搭建了安全生产综合多业务监测平台。该平台包括综合实时监测和可视化二维地理 信息管理空间。根据该监测平台的需求，重点实现了该软件平台所牵涉的关键技术，包 括多层分布式应用体系、组件技术、多线程技术、事务处理、d d e n e t d d e 技术、o p c 接口技术以及s o c k e t 网络编程技术，并设计了该监测平台的信息安全策略。最后，论文 对所完成的工作做了总结，并对下一步数字化矿山建设的发展做以展望。 关键词：数字化矿山；实时监测；地理信息系统；动态数据交换；组件技术 多线程技术 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e a s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fd i g i t a lm i n ea n dk e y t e c h n o l o g i e s s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s n a m e：z h a oa n x i n i n s t r u c t o r ：l uj i a n - ju n ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to f i n f o r m a t i o nt i m e s ，i ti sa n _ i n e v i t a b l ew a yf o re s t a b l i s h i n gd i g i t a lm i n e t oa c h i e v eh i g hp r o d u c t i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n dg r e e na n ds a f e t ye x p l o i t a t i o n i ti st h er e s u l to f i n t e g r a t i n gv a r i o u sd i s c i p l i n e si n c l u d i n g m i n es c i e n c e ，i n f o r m a t i o n s c i e n c e ，a r t i f i c i a l i n t e l l e c t i o n ，c o m p u t e rs c i e n c ea n d3 st e c h n i q u e s ，w h i c hw i l lr a d i c a l l yc h a n g et h et r a d i t i o n a l m i n ep r o d u c t i o na n do u rl i f es t y l e s t h i st h e s i sw a si nt h ef o u n d a t i o no fs u m m a r ya n da n a l y s et ot h e d i g i t a lm i n e c o n s t r u c t i o nh o m ea n da b r o a d t h ea p p l i c a t i o np a t t e ma n ds t r u c t i l r es y s t e mw e r ep r o p o s e d t h r o u g hc o m p a r i n g 、蕊血a n da n a l y z et h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fd i g i t a lm i n e a n dt h eb u s i n e s s m a n a g e m e n ta p p l i c a t i o np a t t e r nh a db e e ne s t a b l i s h e di nt h ed i g i t a ls p a c eg r a d u a l l y a tt h e s a m et i m e ，i tc o m b i n e dt h es y s t e ms t r u c t u r eo fd i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o n 、i t l lt h ec u r r e n t s i t u a t i o no fn i n g x i ac o a li n d u s t r yg r o u pc o m p a n yi ni n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，a n dd e s i g n e d t h eo v e r a l lg o a lo f n i n g x i ac o a li n d u s t r yg r o u pc o m p a n yi nd i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o na n dt h e w h o l es o l u t i o no ft h et h ed i g i t i a lm i n ew a sc o n s t r u c t e dw i t h i nt w os t e p s a c c o r d i n gt ot h e o v e r a l lg o a lo ft h eg r o u pc o m p a n y , as o l u t i o no fd r a f tw h i c hw a sb a s e do ni pp l a t f o r ma b o u t t h ed a t ar e s o u r c es t a n d a r da n d d i g i t a lm i n ew e r ed e s i g n e d t h ed i g i t a lm i n ei sac o m p l i c a t e da n de n o r m o u ss y s t e m ，w h i c hi n v o l v e dt h ei n t e g r a t i o n o fm u c hk n o w l e d g ea n dt h ec r o s so fm u l t i d i s c i p l i n a r y a c c o r d i n g l y , t h ef i r s ts t e po fd e s i g n p r o p o s a lo fn i n g x i ac o a li n d u s t r yg r o u pc o m p a n yi nd i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o nw a sr e a l i z e d a n das y n t h e t i cm u l t i s e r v i c e sp l a t f o r mi ns a f e t yp r o d u c t i o nw e r eb u i l to nt h eb a s eo f p r e v i o u s w o r k i n gf o u n d a t i o ni n t h i s t h e s i s i nt h i sp l a t f o r m ，i ti n c l u d e ds y n t h e t i cm o n i t o r i n gi n r e a l - t i m ea n dv i s u a lt w o d i m e n t i o n a lg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts p a c e a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do ft h em o n i t o r i n gp l a t f o r m ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h i ss o f t w a r e p l a t f o r mw a se s p e c i a l l yr e a l i z e d ，a n dt h ee m p l o y m e n to ft h es y s t e mm u l t i l a y e r l ya n d d i s t r i b u t e d l y , c o m p o n e n tt e c h n o l o g y , m u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y , t r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ， d d e n e t d d et e c h n o l o g y ，o p ci n t e r f a c et e c h n o l o g ya n ds o c k e tn e t w o r kp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yw e r ec o n t a i n e d m e a n w i l et h es t r a t e g yo fi n f o r m a t i o ns a f e t yi sd e s i g n e di n t h i s m o n i t o r i n gp l a t f o r m i nt h ee n d ，t h i st h e s i sm a d eas u m m a r y t ot h ew o r kw h i c hh a db e e nd o n e ， a n de x p e c t e dt h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o ni nt h en e x ts t e p k e yw o r d s ：d i g i t a lm i n e r e a l - t i m em o n i t o r i n g g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ( d d e ) m u l t i - t h r e a dt e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：办移仍日期：z ，二t f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：夯移训 一镰1 月杉0 v 伊侮 ： 伊 鹳趴：i 师教导指 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及意义 煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭安全生产事关重大。我国煤矿安全生产面临 着非常严峻的形势，2 0 0 5 年全年全国共发生各类安全生产事故7 2 7 9 4 5 起，死亡1 2 6 7 6 0 人，仅煤矿企业就发生5 8 起特大事故，死亡1 7 3 9 人，同比增加1 5 起、6 9 5 人，分别上 升3 4 9 、6 6 6 ；发生1 l 起特别重大事故，死亡9 6 1 人，同比增加3 起、4 3 8 人，分 别上升3 7 5 、8 3 7 。而广泛应用信息技术是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手 段，推广煤矿行业信息技术应用已刻不容缓。同时煤矿信息化也给信息产业提供了新的 发展机遇，是信息产业改造传统产业的极好结合点。 充分发挥信息产业界的优势与作用为进一步贯彻落实科学发展观，坚持以人为本， 推动煤矿产业逐步走上一条安全状况好、科技含量高、资源消耗低、环境污染少的新型 工业化发展道路，特别是控制住安全生产事故频发的势头，推动我国煤矿产业的协调 健康发展，应该充分发挥信息产业界的优势与作用，大力推广信息技术在煤矿领域的应 用，特别是急需提高信息技术在煤矿安全生产过程中的应用水平。数字化矿山运用了信 息技术，在煤矿安全生产中将发挥更大作用。 合理开发与利用有限煤炭资源，提高煤矿企业自动化、数字化、网络化、信息化的 应用程度，形成数字化矿山，提高煤炭企业安全生产信息化水平，保证煤炭安全生产和 运营，是我国煤炭行业可持续发展需求，也是我国煤炭行业信息化建设面临的重大课题。 本论文是基于电子信息产业发展基金招标项目煤矿安全生产自动化监测、监 控和管理系统与标准研究制定( 项目编号：x d j 2 0 5 1 4 2 7 ) 以及宁夏煤业集团数字化 矿山应用研究。针对煤炭企业安全生产的应用，本论文提出数字化矿山的建设，以提升 全矿井的自动化、数字化、网络化、信息化的应用程度。数字化矿山是矿山企业信息化 过程中的一项必要环节。通过实施矿山企业信息化，可以提高矿山企业生产效率，提升 安全生产的可靠性。建立矿山企业生产与管理的数据链，可以实现远程与本地、移动与 固定的生产管理，满足企业快速增长与扩大阶段模式的需求。 1 2 国外数字化矿山研究现状及发展趋势 在上世纪9 0 年代，国外矿山信息化建设取得了巨大的进展，但客观地分析，这种 进展更多地体现在过程自动化方面，在整体信息应用与管理决策支持上进步并不明显。 2 1 世纪是信息主导的世纪，“数字化生存”已成为知识经济的标志信息技术的飞速发 展，给中外采矿业带来了巨大冲击。采矿业是以矿产资源为生产对象的古老产业，绝大 西安科技大学硕士学位论文 多数矿山企业还处在劳动密集型阶段，信息化改造势在必行。 国际上，数字化矿山发展的非常迅速，发达采矿国家的矿山信息化改造已迈出坚实 的步伐，有的已制定了长远发展规划。加拿大从2 0 世纪9 0 年代初开始研究遥控采矿技 术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作，现已研制出样机系统，并在i n c o 公司的几 个地下镍矿试用，实现从地面对地下矿山进行控制。加拿大己制订出一项拟在2 0 5 0 年 实现的规划：即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫 星操纵矿山的所有设各实现机械自动破碎和自动切割采矿；芬兰采矿工业也于1 9 9 2 年 宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网 建设、新机械应用和自动控制等2 8 个专题。瑞典也制定了向矿山自动化进军的 “g r o u n t e c k n i k2 0 0 0 ”战略计划。 1 3 国内数字化矿山研究现状及发展趋势 我国采矿业总体信息化水平还不够高。近年来，随着社会经济的发展和国家宏观调 控的实施，我国矿山企业的经济形式和运行状态正在发生喜人的变化，信息化建设逐渐 升温。1 9 9 9 年，国家计委、信息产业部“十五”期间国家信息化发展战略和规划思路 中明确提出，要利用信息技术改造提升能源、矿山等传统产业。党的十六大报告也指出： 应“坚持以信息化带动工业化，以信息化促进工业化，走出一条科技含量高、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路子”。 自1 9 9 9 年首届“国际数字地球”大会上提出了“数字矿山”( d i g i t a lm i n e ，简称d m ) 概念以来，d m 的思想已开始深入人心，d m 科学研究与技术攻关已悄然兴起。2 0 0 1 年“国 际a p c o m ”会议上组织了首次“国际d m ”主题讨沦；2 0 0 4 年4 月中国科协青年科学家论 坛第8 6 次活动以“数字矿山战略与未来发展”为主题。 我国相关单位也相继开展了矿山地理信息系统( m g i s ) 、三维地学模拟( 3 d g m ) 、 矿山虚拟现实( m v r ) 等方面的技术开发与应用研究。对于煤炭行业，“数字矿山”或镁女 字矿区”是煤炭企业实现“企业信息化工程”的主体工程。鉴于“数字矿山”核心技术复杂、 投入大、开发周期长，而国际国内在这方面起步时间都不长，所以虽然有些煤炭企业正 在或准备开展该项工作，但均不是完全意义上的“数字矿山”。山东兖州矿业集团公司于 2 0 0 1 年开展了“数字兖矿”的立项和建设，但目前仅仅局限在“地测空间信息平台构建与 开发”方面，离真正的数字矿山尚有很大距离。徐州矿业集团公司亦开展了“数字煤矿” 的建设，先以张双楼煤矿作为试点，但无论在广度( 全面的煤矿数字化) 还是深度( 数 字化作为煤矿生产的核心技术) 都还远远不够。 国内一些地理信息系统公司，如北京东方泰坦公司、北京理正公司等，在地质体的 真三维显示方面取得了较好的成果。在煤矿生产自动控制方面，大同煤矿集团公司也取 得了初步成果。 2 1 绪论 国内数字矿井搞得较好的有神华集团补连塔、大柳塔两个矿区和淮南的新集能源有 限责任公司等。这几个矿区的一个共同点是，网络基础设施主干光纤覆盖了整个矿 区，这就为数字矿井的建设奠定了良好的基础。在监测监控方面，特别是神华大柳塔矿， 不但实现了监测，而且实现了对提升、运输、井下变电站、装车、仓储等主要生产环节 的监控 2 】【3 】【4 】。 1 4 论文研究思路 本论文是在国内外已有的数字化矿山的研究基础上，通过对比和分析国内外数字化 矿山的理解概念，提出数字化矿山应用模式和构成体系，逐步建立数字化空间中的企业 管理应用模式。在二维空间基础上，建立集团公司到矿级单位的远程与本地、移动与固 定的生产管理应用模式。数字化矿山都是一个复杂的巨大系统，它所涉及的是多知识的 融合，多学科的交叉。在当前信息技术的支撑下，目前还没有一种成熟的技术能够完全 采用三维的方式建立一个能够模拟真实的空间的环境，为此我们将在后期的科研项目 中，在实验环境下，在此二维可视的基础上建立矿山三维空间模型，将监测监控系统接 入到此模型中，在三维空间中实现管理一体化。 1 5 论文主要工作与逻辑结构 论文是结合电子信息产业发展基金招标项目煤矿安全生产自动化监测、监控 和管理系统与标准研究制定( 项目编号：x d j 2 0 5 1 4 2 7 ) 以及宁夏煤业集团数字化矿 山应用研究的基础之上展开的研究，论文主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 本论文通过对数字化矿山概念的阐述和分析，在广泛分析国内外数字化矿山建 设的现状，通过从三个层面对数字化矿山概念的理解，从数据利用层面提出了建设数字 化矿山的体系结构，并且对每一层及其所牵涉的关键技术都给出了详细具体的描述。 ( 2 ) 通过对试点企业宁夏煤业集团公司的信息化状况分析，提出宁夏煤业集团公司 数字化矿山建设的设计方案，宁夏煤业集团数字化矿山的建设将分为两步走设计方案。 ( 3 ) 通过分析宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿的现场状况， 提出了数据资源标准的草案。 ( 4 ) 通过分析宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿的现场状况， 提出了羊场湾应用系统构成框图，提出了宁夏煤业集团数字化矿山试点应用羊场湾数字 化矿山共由七部分构成，分别是用户信息门户( 用户接入层) ，统一身份认证及资源载 入系统，综合实时监控系统，可视化管理空间，综合业务、数据处理层，数据资源层， 生产业务应用系统( 安全监测系统、束管系统、主运三遥、通风三遥、供电三遥、排水 三遥等) 。 ( 5 ) 提出了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿综合监测应用系 西安科技大学硕士学位论文 统采用了目前灵活性及可扩展性最强的多层分布式体系架构，根据分布式多层应用模型 将不同性质和用途的组件部署到的应用服务器中。应用服务器是整个系统的核心，根据 企业业务需求的不同，以及信息系统各个组成部分在功能上的区别，将整个应用系统划 分为客户层、中间层( 其中可包括业务层、逻辑处理层) 和数据服务层三层结构。 ( 6 ) 提出了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿建议网络平台拓 扑图。 ( 7 ) 根据建设综合监测应用平台的需要，主要针对关键技术：多层分布式应用体系、 组件技术、多线程技术、事务处理、d d e n e t d d e 技术、o p c 接口技术以及s o c k e t 网 络编程技术进行了研究和软件实现。 本论文以数字化矿山为研究对象，结合电子信息产业发展基金招标项目煤矿 安全生产自动化监测、监控和管理系统与标准研究制定( 项目编号：x d j 2 0 5 1 4 2 7 ) 以及宁夏煤业集团数字化矿山应用研究的基础之上展开的研究，进行了理论创新和技术 开发工作，论文的基本逻辑结构如下： 第一章绪论。本章介绍了论文的选题背景及意义、国内外数字化矿山研究的现状 和发展趋势以及论文的主要工作和逻辑结构。 第二章数字化矿山体系结构研究。本章通过数字地球的概念，从三个层次详细阐 述了数字化矿山的概念，通过对数字化矿山的理解，从数据利用层面提出了建设数字化 矿山的体系结构，并进行了详细阐述。 第三章宁夏煤业集团羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案。本章通过分析宁夏煤 业集团公司现有的信息化现状，设计了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设的总体目标和 分两步来建设数字化矿山的设计方案。根据集团公司的整体目标，针对试点矿羊场湾煤 矿的基础环境分析，设计了煤炭企业基于i p 平台数据资源标准草案和数字化矿山的设 计方案。 第四章宁煤集团羊场湾煤矿安全生产多业务综合监测平台。本章主要针对开发的 安全生产多业务综合监测平台进行介绍，介绍了平台系统架构、运行环境、通用界面以 及多业务的系统构成。 第五章宁煤集团多业务综合监测平台关键技术研究与实现。本章主要针对在建设 基于i p 的数据资源统一平台时所牵涉的关键技术：多层分布式应用体系、组件技术、 多线程技术、事务处理、d d e n e t d d e 技术、o p c 接口技术以及s o c k e t 网络编程技术 研究与软件实现。 第六章宁煤集团多业务综合监测平台安全体系结构设计。本章主要针对在建设基 于i p 的数据资源统一平台时，在网络硬环境和软环境所需要的安全设计策略。 第七章总结与展望。本章主要对于整篇论文给与简要总结，指出论文所研究内容 目前所存在问题，以后需要进一步完善和研究的方向。 2 数字化矿山体系结构研究 2 数字化矿山体系结构研究 2 1 数字化矿山的概念 数字化矿山是数字地球在矿山开发中的应用。所以定义数字化矿山首先要理解数字 地球。 数字地球是指“一个多种分辨率、三维的表述方式，使我们能嵌入巨大数量的地理 坐标系数据系统”，就是指在全球范围内建立一个以空间位置为主线，将信息组织起来 的复杂系统，即按照地球坐标整理并构造一个全球的信息模型，描述地球上每点的全 部信息，按地理位置组织，存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段， 使每一个人都可以快速、准确、充分和完整地了解及利用地球上各方面的信息。在这个 意义上，数字地球就是一个全球范围的以地球位置及其相联系为基础而组成的信息框 架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称p j 。 因此，我们可以从两个层次上来理解数字地球。一个层次是将地球表面每个点上的 固有信息( 即与空间位置直接有关的相对固定的信息，如地形、地貌、植被、建筑、水 文等) 数字化。按地理坐标组织起来一个三维的数字地球，全面、详尽地刻画我们居住 的这个星球，亦即我们通常所指的那样，是地球本身；另一个层次是在此基础上再嵌入 所有相关信息( 即与空间位置间接有关的相对变动的信息，如人文、经济、政治、军事、 科学技术乃至历史等) 组成一个意义更加广泛的多维的数字地球，为各种应用目的服务。 数字化矿山的特征与数字地球是一致的，只是尺度和范围上不同。所谓数字化矿山 就是指在矿山范围内建立一个以三维坐标为主线，将矿山信息构建成一个矿山信息模 型，描述矿山中每一点的全部信息，按三维坐标组织，存储起来，并提供有效、方便和 直观的检索手段和显示手段，使有关人员都可以快速准确、充分和完整地了解及利用矿 山各方面的信息。在这个意义上说，数字化矿山就是一个矿山范围内的以三维坐标信息 及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所获得的信息的总称。 因此，可以从三个层次上来理解数字化矿山： 一个层次是将数字化矿山中的固有信息( 即与空间位置直接有关的固定的信息，如 地面地形，井下地形、地质、开采方案、己完成井下工程等) 数字化，按三维坐标组织 起来形成一个数字化三维空间，全面、详尽描述矿山及采掘工作体。 另一个层次是在此数字化三维空间上再嵌入所有相关信息( 即与空间位置间接有关 的相对变动的信息网络化离散的管理信息数据，如井下监测监控、供电管理、通风 管理、排水管理、生产管理、调度管理等等) 。 第三个层次是数字化的空间的动态性和业务、管理的多元化。数字化矿山是个动态 西安科技大学硕士学位论文 的概念。因为新的数据不断更新，采掘面不断更新，数字化三维空间和空间中的数据都 在发生变化。从这个角度来讲，数字化矿山首先是资源的数字化，以大量信息构成的资 源量可直观显示出来，其次是信息资源的立体化的，而不是平面的：最后，业务在这个 数字化空间中是多层次、多角度的；管理也是多层次、多角度的，这个数字化空间多元 的【5 1 。 我们用一些场景来真实感受以下各数字化空间： 矿局的领导可以使用鼠标在模拟的三维的矿井中下矿，逼真地感受矿井的工作现场 和查看现场数据，如现场安全检测设各处于矿山中的何种位置，发挥着何种作用，设备 状态如何，谁在进行操作，如何使设备在矿山中获得最佳配置等信息资源。把人事管理 可以“嵌入”数字化空间中，人事管理从此可以实现扁平化、透视化。矿山中的人力资源 分布，各种人员的流动性图表，获得最佳劳动力组合。财务管理、营销管理也可以“嵌 入”到这个数字化空间。 在矿山设计、建设开采过程中，摸拟三维矿井条件，进行有效地表述，不再要求非 要亲自深入井巷工作面，办公室内就可触摸工作面矿床，不再非要矿井建设成后再去体 验，“矿井未建先下井巡视一番”已是可能，可以把矿井建设得更科学合理。 在技术研讨中，生产中的技术管理往往要反复进行多方案对比，参与人员观察问题 的角度增加了，如果一个技术问题在三维的多元化空间中去分析，可以酝酿的更充分， 那么对技术问题的认识也会更深刻，专家可以从各个角度描述问题，使得技术文体更加 全面，并可以对研讨对象进精确刻画，形成多种备选方案。 2 2 数字化矿山的体系结构提出 2 2 1 体系结构 无论从业务层面，数据层面，技术层面，数字化矿山都是一个复杂的巨大系统，它 所涉及的是多知识的融合，多学科的交叉。因此，我们在总结以前数字化矿山建设的经 验基础之上，设计了数字化矿山建设的体系结构。系统结构图如下图2 1 所示： 6 2 数字化矿山体系结构研究 2 2 2 体系结构分层描述 图2 1 数字化矿山架构 系统的组成结构及业务描述如下： ( 1 ) 高速宽带网络支撑体系 数字化矿山的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础，在数字化系统中所处理 的业务不但有语音、视频、数据业务，还有大量的与模型库交互的三维数据。建立宽带、 高速和双向的通讯网络，确保海量矿山数据在企业内部、甚至是与i p 网络快速传递都 是十分必要的。高速宽带网络是数字化矿山的基石。因此，高速企业网技术是数字化矿 山建设的关键之一。 ( 2 ) 三维数据原库和应用模型 结合煤矿安全生产数据标准，整合安全监测数据和现场g i s 信息。并采用虚拟现实 技术、建立三维数据模型库，将各类管理为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策 等服务的各类专业应用模型应用模型库，为矿山数字空间提供原库调用服务1 6 j 。 在三维的矿山3 d 原库中，用关联和拓扑的方式组织相关的原库。主要提供矿山信 西安科技大学硕士学位论文 息的拓扑查询、分析与应用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测等，均以矿山3 d 实体的属性、几何与拓扑数据的统组织为基础，因此，可以立足矿山3 d 数据的矢栅 集成，完成矿山3 d 拓扑描述、表达、组织与维护。 ( 3 ) 数据挖掘 数据挖掘是利用基于知识的工程( k b e ) 技术和人工智能，从矿山海量数据中为用 户挖掘有用数据、获取决策信息，以及建立求解各类具体工程、生产、管理与经营等问 题的应用模型，是本系统的实用化工具。只有当数字化矿山能够方便、快速地从其数据 仓库中提取用户所需的显式数据与模型，智能、快速地从其数据仓库中重新组织并产生 用户所需的隐式数据与模型的能力时，数字化矿山的海量矿山信息才能被未经过特别培 训的用户和各业务部门所共享。 由于矿山空间信息的上述特点，为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息、发掘隐 含规律、认识未知现象和进行时空发展预测等，数据挖掘技术提供了这种高效、智能、 透明、符合矿山思维的服务提供。 ( 4 ) 中间处理层 中间处理层是空间和应用数据的合成基地，负责统一管理数据和模型，即空间数据 原库和应用模型库，提供数据资源的载入。完成空间拓扑建立与维护、空间查询与分析、 制图与输出等g i s 基本功能，并进行数据访问控制、开放接口。分析组织各个空间原库， 将离散动态数据库载入空间。 中间处理层同时还完成三维数字化空间视图，即在统一的空间参照下进行采矿动态 组织与管理，并调度和控制各类三维原库和应用模型的使用和运行，完成业务数据的管 理与封装等系统功能。为统一的o a 、c d s 一体化中心，提供各种应用功能空间载体； 如在此空间可设计实时开采模拟、作业安排与监测、资源动态管理、通风网络体系模拟、 排水系统模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、生态恢复和矿区可持续发展多目标 决策等。 ( 5 ) 三维基础数据及业务环境提供者：v r ( 虚拟现实) 、3 d g m ( 三维地学模型) 、 虚拟仪器、m g i s ( 矿山g i s ) 在煤矿企业应用系统中已经形成了不同用户层次、具有不同功能的煤矿应用系统和 软件模块，已经形成了海量数据与海量模型，采用三维地学模拟( 3 d g m ) 进行数据与 模型的过滤和重组。通过三维地学模型( 3 d g m ) ，把采掘资料、地震资料、开挖设计 数据及各类物探、化探资料，来建立矿井、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3 d 模型库，将海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息虚拟的再现。运用v r ( 虚 拟现实) 和并行计算技术，并嵌入虚拟仪器，各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开 采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、瓦斯聚集模型、 涌水计算等。经过上述的处理，对矿山采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与 2 数字化矿山体系结构研究 虚拟分析。形成各个基础的三维模型库，应用模型库。为统一的o a 、c d s 一体化中心 提供业务视图环境和业务管理方式。 ( 6 ) 数字矿山业务处理( o a ) 和指挥调度系统( c d s ) 一体化的信息管理中心 数字矿山的根本目标还为企业高效管理决策提供支持，在数字化矿山中，把办公自 动化和指挥调度系统作一定的绑定。在可视的环境中，形成全矿山、全过程、全周期的 数字化管理、作业、指挥与调度，做到信息数据，管理业务流程，相互协调、相互融合。 ( 7 ) 安全体系 整个应用体系都是在构建在安全体系之中的，具有良好的安全保障体系。整个系统 的安全的设计从两个方面来考虑，一是硬件平台；即提供三维空间网络q o s 的同时， 如何保证系统的服务可靠和稳定，二是软平台：即身份的统一认证，授权，加密，审计 和监测等方面。 ( 8 ) 管理业务体系 在应用处理过程中又分为三个层面：数据层、业务处理层、业务管理层，为企业的 业务管理、高层决策提供服务。在系统的构成中，整个系统是采用分层的结构，每一层 向上一层提供服务，各层之间按照运营管理体系的规范交互。运营管理系统是数字化矿 山的运营管理的支撑体系。 这三个层次贯穿于整个四级网络体系中，并形成三个系统。各业务管理层相互协调、 相互促进。在业务管理层面中，其中网络数据层是监测和诊断中心的数据源，为局矿两 级的相关专家人员，工程人员提供信息服务，而决策层是在这些数据的共享平台中高度 共享和利用这些信息。局矿两级网络中的专家支持和决策所形成的数据又加入到网络数 据层中，而被充实的网络数据层又为各级专家支持、决策提供更为丰富和完备的数据。 整个的应用的体系都是在构建在安全体系之中的，具有良好的安全保障体系。在应 用处理过程中又分为三个层面：数据层、业务处理层、业务管理层，为企业的业务管理、 高层决策提供服务。在系统的构成中，整个系统是采用分层的结构，每一层向上一层提 供服务，各层之问按照运营管理体系的规范交互。运营管理系统是数字化矿山的运营管 理支撑体系。 9 西安科技大学硕士学位论文 3 宁煤集团羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案 3 1 宁夏煤业集团基础环境分析 宁夏煤业集团公司由原四家企业整合而来，具有业务点多、覆盖面积大、管理战线 长等特点。按照专业化分工、集约化管理的思路，实行事业部制的管理体制，下设6 个 职能性事业部、6 个实业公司制事业部和1 个投资发展委员会、3 个生产指挥部。共有 煤炭生产矿井1 3 对、露天矿1 处、洗煤厂3 个，以及煤炭深加工、电力、冶金等9 3 个 生产及服务单位，现有职工5 4 万人，其中各类专业技术人员近万人。 目前，宁夏煤业集团总部、石炭井矿区、石嘴山矿区、灵州矿区均已形成比较完善 的信息网络系统。并在各区间建成了先进的企业综合信息网络，覆盖语音、数据、图像 三大主要业务。其中m s t p 光传输网络为主要基础传输平台，i n t r a n e t 企业网为主要数 据业务承载平台。以上两个平台为集团数字化矿山应用的基础平台。 光传输网主干节点银川总部、大武口、石嘴山、灵武中心区，系统传输容量为2 5 g b p s 企业网中各区间连接采用1 0 0 0 m 连接，二级生产单位内部采用1 0 0 m 1 0 0 0 m 为主干， 1 0 0 m 到桌面，接口配置如下表3 1 所示： 表3 1 接口配置表 因此，结合宁夏煤业集团公司现有的信息网络系统现状，整个企业网络化远程监测、 专家诊断及指挥调度系统的应用结构如图3 1 所示。其中底层是以各个矿区的现场监测 系统和工业网络为主。包括地面井下的传感器系统、数据采集系统、工控p c 机系统、 智能监控与预测维修软件系统、通信软件与硬件、监测软件系统。底层数据采集和监控 系统采用了单向数据传输技术，保证了各应用系统的安全性。 3 宁夏煤业集团羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案 工业总线j ?i?l7 ? j i?l?jf f 芘玉 圈圈囝圉一圆圈圈 i 工控尉络 b工业总线 圜囡囝圈圆圈藤 工控丹络 远程服务工程师。煤矿总工程师远程专家 图3 1 煤炭企业网络化远程监测、专家诊断及指挥调度系统的应用构成 现场监测系统采集的数据通过工业监控主机与数据采集器通信，再送往监测监控数 据库服务器集中保存和管理，数据库服务器同时对外提供数据访问服务。监测监控应用 服务器，与现场监测系统集成，主要完成与工业计算机通信请求实时数据，以及从监测 监控数据库服务器读取历史数据。从监测网络上获取实时数据并完成远程监测以及历史 数据的各种查询和分析。 西安科技大学硕士学位论文 局矿两级的应用中心以监测监控应用服务器为依托，所有的历史数据的请求和实时 数据的请求通过监测监控应用服务器完成，其自身保留一定时限的历史数据。监测监控 应用服务器以w e bs e r v i c e 向广域平台提供各种数据服务。 整个远程监测系统采用w 曲客户服务器、浏览器朋r 务器模式将分布在不同地域的 设备监测资源连接在一起，从而实现煤矿安全生产远程监测的广域网络化。 在分级的网络体系中，我们采用服务缓冲机制，制定任务调度与分配。根据用户的 具体请求和网络当前的运行状况决定请求是由体统缓冲服务处理，还是由各级系统应用 服务器提供信息和服务支持。 3 2 宁夏煤业集团数字化矿山建设目标 3 2 1 宁夏煤业集团数字化矿山总体目标 数字化矿山是信息产业和工业领域的一种先导性技术理念，是计算机网络和软件技 术以及数字通信技术、微电子技术的集成和发展的结果。数字化矿山的建设过程将是一 个长期而巨大的系统工程，因此要按照“分步实施，试点应用”的思路去建设。在数字化 建设的前期，在数字化矿山的模式、框架的基础上，以试点应用作为先行，以点带面， 最后实现整个宁夏煤业集团的数字化。 因此，先找一个试点作为宁夏煤业集团的数字化矿山的应用点，羊场湾矿区是将要 新建的一个矿区，最适合作为数字化矿山的应用点。 宁夏煤业集团数字化矿山的建设将分为两步走： 第一步： ( 1 ) 制定基于i p 平台的数据元素及编码标准建议，数据库构建标准建议，并实现部 分( 安检、束管、主运等井下监测监控系统) 的检测数据在线查询，并将数据资源加载 n - - 维矿山g i s 图形化空间中。 ( 2 ) 在i p 平台上，建立局矿两级的监测数据平台，结合二维矿山g i s 图形，在该平 台中建立各矿级单位的安全生产业务，形成局矿两级数字化应用的基础数据和基础业务 平台。 第二步： ( 1 ) 在第一步的基础上，结合生产矿井的现代企业管理制度及业务流程和三维虚拟 现实技术，制定矿井安全生产综合调度指挥系统，建立局矿两级安全生产调度指挥统一 平台。形成煤炭安全生产的监测、分析、预警的数字化矿山应用环境。 ( 2 ) 在局矿两级安全生产调度指挥统一平台的基础上，基于数据挖掘、专题应用建 立各种专家决策、支持系统，如风网解算专家系统、瓦斯聚集分析系统、涌水计算分析， 开采沉陷计算、顶板垮落计算、储量计算等，建立业务处理( o a ) 和指挥调度系统( c d s ) 3 宁夏煤业集囡羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案 一体化的信息管理中心。 本论文主要探讨第一步内容，第二步内容将作为西安科技大学数字化矿山科研团队 后续的科研内容。 3 2 _ 2 宁夏煤业集团数字化矿山初期目标 本论文的初期目标是：结合先进的i t 技术，提出煤炭安全企业信息化数字化矿山 模式和构成体系，并应用到煤矿安全生产领域。在数字化矿山的体系结构中，首先在二 维模型的基础上，接入监测监控系统，建立企业集团到生产矿井的远程与本地、移动与 固定的矿山安全与生产管理的平台，并在集团公司、矿级单位等一定范围内联网。在联 网区域内安全生产相关的应用系统的情况，包括井下监测系统、供电系统及主运系统的 情况等，实施集中监测、远程分析和实时监测，针对突发情况及时采取调整作业方式、 停止生产、撤离人员等措施。同时，通过该生产管理的平台，将综合监测的信息与现场 的可视化空问结合，实现实时应用数据图形化空间的联动，提升管理和决策的效率和准 确度，形成煤炭安全生产的监测、分析、预警的数字化矿山的应用环境。 通过企业集团到生产矿井的远程与本地、移动与固定的矿山安全与生产管理的可视 平台，企业集团和生产矿井在生产、安全及管理方面进行实时监控，对于煤矿的生产运 行状况、安全水平、灾害预测预报具有重要的作用。同时通过该平台加强集团公司对下 辖各矿的安全生产管理，利用现有网络资源掌握各个下属煤矿的安全和生产情况，在可 视的环境中，形成集团公司到矿级单位的安全生产、作业、指挥调度做到信息数据管理 信息流程，管理业务流程，相互协调、相互融合。使公司从上到下各个部门以及领导都 可以随时掌握各个煤矿和矿井的生产状况和安全状况，并可以进行综合性动态分析，为 领导决策提供依据，实现资源共享。 因此，论文的初期的目标是以羊场湾煤矿为试点建立数字化矿山应用模式的基础， 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 以羊场湾煤矿为试点，初步建立煤矿安全生产监测信息的数据标准及数据库标 准，将监测信息的数据资源统一在i p 平台上。 ( 2 ) 以羊场湾煤矿为试点，将现有监测监控系统( 通风、排水、供电，主运等系统) 的数据集成在i p 平台中，建立生产与管理的数据库。 ( 3 ) 建立本地、移动与固定的监测数据查询系统。 ( 4 ) 结合生产矿井的管理模式建立集团到生产矿井的远程与本地、移动与固定的矿 山安全与生产管理的可视化应用平台。 西安科技大学硕士学位论文 3 3 宁夏