大冶数字矿山论文.doc

采矿业软件的发展现状1，2，陈瀛3(1中铝大冶，湖北,435100，2中铝大冶，湖北,4351003机械科学研究总院，北京,100044）The Development of Software for Digital Mine Xx Xx-xxx, ZHANGSan-si,CHEN YingAbstract: With the rapid development of information technology，it is more and more widely used in all areas of society，the transformation and upgradtion of information technology in traditional industry beeome a general trend，especially for such an old industry as mining. Digital Mine，as the innovation and development of the mining industry will become an inevitable trend. Digital mining is the most basic and central part of Digital Mine. Chinas mining software in high external dependence has seriously constrained the proeess of mining informationization. For the characteristics of mining enterprises in China and the actual needs of the construction of DigitalMine，developing proprietary software system of digital mine is of great significance. Now we will introduct the development of Software for Digital Mine to you. Key Words: digital mining software; development and application platform; three-dimensional visualization; 3D Geo-Science Modelling, Analogic Tri-Prism, Digital Mine, Virtual Mine 摘要：随着信息技术的迅速发展，信息技术愈来愈广泛地应用于社会各个领域，传统产业的信息化改造与提升成为大势所趋。对于古老的采矿业而言更是如此采矿业的创新发展数字矿山成为必然趋势。数字采矿是数字矿山最基础、最核心的部分。我国在数字采矿软件方面对外依存度高，严重制约了矿山信息化进程。针对我国矿山特点和矿山企业对数字矿山建设的实际需求，开发具有自知识产权的数字化矿业软件系统具有重要意义。为了起到抛砖引玉的作用，本文着重介绍了数字采矿软件的发展现状和关键技术，使读者更好地了解采矿业信息化。关键词：数字采矿软件 开发与应用平台 三维可视化 三维地学模拟 虚拟矿山系统 矿山GIS 数字矿山 41 序论近十多年来，现代高新技术的发展给世界矿业来了机遇，如矿山设备大型化、智能化，及计算机技术和信息技术、全球卫星定位系统、生物溶浸技术等在矿业领域的应用，已成为矿业科技发展的源动力。21世纪的矿山，需要引入一种全新的采矿观念，构建一种全新的数字化与智能化的矿山模式，或者说高度现代化的无人采矿模式1。信息科技是信息时代发展最活跃、应用最广泛的一项技术，它己成为社会生产力的基本要素。传统产业要摆脱困境、实现飞跃发展，必须走与信息科技相结合的道路。长期以来，人们也一直在努力探索信息科技在采矿工业中的应用。由于采矿环境恶劣，不确定因素较多，采矿生产工艺与过程复杂多变，因此信息科技在采矿工业中的应用与推广受到了一定的限制。尽管如此人们还是取得了一定的成就，并且采矿工业与信息科技的结合将日趋紧密，共同发展2。自1999年首届“国际数字地球”大会上提出了“数字矿山”(DigitalMine，简称DM)概念以来，数字矿山科学研究与技术攻关已悄然兴起3-9。许多学者都提出了自己对数字矿山的认识。许多学者也提出了不同类型的数字矿山模型。文献3将数字矿山划分为六大类系统:数据获取与管理系统、数字开采系统、矿区地理信息系统、选矿数字监控系统、管理系统、决策支持系统，并将数字开采系统作为数字矿山的核心系统，国际上有名的矿山专业软件公司都把开发重点放在这一系统上。2 国内外发展现状21 国外发展现状 上世纪70年代中期开始，西方主要国家开始成立采矿软件公司研制采矿软件，80年代初期，相继推出了各种采矿软件系统。其中具代表性的有:1988年由法国Nancy大学的J.L.Mallet教授推出的GOCAD系统，该系统采用G一MaP图作为表达三维空间地质对象拓扑关系的基本数据模型，可满足地质、油藏工程和地球物理三维模拟与辅助设计的需要，并提供强大的二次开发功能; Datamine Studio是Datamine公司的重要产品，它的主要特点在于符合当今的编程标准，这个软件能够在矿山开采的各个方面得到广泛应用，如在开采、地质建模、资源储量评估、矿山设计和开采计划的编制等方面，同时也在复垦等方面得到应用;澳大利亚SURPAC MINEX GROUP(简称SURPAC)公司的SURPAC数字化矿业软件应用于资源评估、矿山规划、生产计划管理等各个阶段，甚至矿山闭坑后复垦设计的整个矿山生命期的所有阶段中，SUAPAC软件系统整合了三维立体和块段模型的建模工具，可将三维建模、土建工程设计、工程数据库构建等完全图形化操作，并解决复杂工程中境界优化的施工管理;澳大利亚Micromine公司开发的Micromine软件系统已经在世界上一些大型矿山上应用，Micromine软件可辅助用户进行勘查数据的解译、生成三维模型、计算矿产资源储量和进行矿山设计;MineSight软件是美国Miniec公司开发研制的矿山建模与规划软件，可应用地质、测量、采矿设计及生产计划安排等各类矿山和矿石矿物工作中，具良好的3D图形功能和图形用户界面、实用性强等特点;图1 MineSight软件示例Fig 1. MineSight SoftwareVULCAN软件是澳大利亚MAPTEK公司开发的勘探三维GIS软件，它是一款真三维空间信息软件系统，广泛地应用于市政管理、矿业环境、三维空间信息模拟和可视化及分析，其核心功能是:地质建模、矿业设计与规划、矿业生产资源开采、地质统计学、地下水模拟等;加拿大LYNX GEOSYSTEM公司开发的LYNX软件系统采用棱柱体体元建模方法，可以对钻孔、测井记录、三维格网结构、TIN模型等数据进行综合管理，广泛应用于矿山、地质三维建模及可视化等方面。22 国内发展现状自上世纪80年代中期起，我国一些设计单位引进国外的采矿软件，进行消化吸收，但由于国外矿山管理体制的不同，加上矿用软件的通用性差、费用高、语言障碍等原因，推广存在一定的难度。近些年来，有色、冶金、煤炭、建材等行业在矿业软件的研究方面都有一定的投入，特别是在管理信息系统开发与应用方面取得了较好的社会与经济效益。但是，工程技术信息处理方面的应用软件的研制进展缓慢，与企业的实际需求存在较大的差距2。到目前为止，我国已在地质、测量、采矿等各个专业，开发了一些以解决具体专业问题为主的应用软件，在实际应用中收到了较好的效果。鞍山黑色冶金设计研究院是较早开发采矿CAD软件的单位之一，他们开发的“露天矿采剥计划CAD软件包”，利用CAD技术来编制露天矿中短期采剥进度计划，形成分层平面图或剖面图，完成露天矿采剥进度计划的计算机模拟编制并输出工程图表，汽车运输线路辅助设计，建立地质及经济块段模型，境界优化，矿岩量的统计与计算，由地质剖面图生成地质平面图等。虽然软件开发的水平和质量不是很高，但却从CAD技术在矿床开采中的实际应用上朝实用化方向取得较大进展，解决了工程实际问题。北京有色冶金设计研究总院先后引进了加拿大、美国、英国、澳大利亚等公司的矿床建模系统软件，主要用地质统计学方法来分析地质勘探资料，建立空间的矿体模型、岩石模型、品位模型、地面模型等，并辅助输出各种平、剖面图，为矿床开采设计提供依据。长沙有色冶金设计研究院曾研制出一套地质CAD软件系统，它主要用来生成各种地质剖面图、分层平面图、地质界线连接与矿体圈定等，辅助工程技术人员对地质资料进行图形化管理。图2 国内采矿软件建模示例Fig.2 Building Model by Software made by China中南大学经过多年努力在九十年代初期开发出了DM & MCAD软件系统4，5，它完成由地质钻孔资料、地质图形开始到辅助设计的计算机化，能绘制各种地质平、剖面图和采矿工程设计图，可在计算机上实现采矿设计，成功应用于十多个单位，但由于当时矿业不景气，最终也放弃了。中国矿业大学、马鞍山矿山研究院、西安冶金建筑学院等科研院所，在计算机应用方面也做了很多工作，如境界优化、采矿方法选择、露天矿采掘计划编制、露天矿开拓方案选择等方面。另外，东北大学、北京科技大学、长沙黑色冶金设计研究院(中冶长天)等科研院所在冶金矿床开采辅助设计方面也做了一些研究、应用和推广工作5-7。3 国内研究的不足自上世纪80年代中期以来，我国在数字采矿软件方面还是做了大量研发工作，也取得了一定的成绩，但由于1994年的税制改革以及其它各方面的原因，使得我国有成千上万座矿山出现亏损，矿山不愿再为信息化付出过多代价，从而使采矿软件的研究与开发工作处于低潮，甚至停止不前，造成大量的人才流失，研究工作出现“断层”。直到二十一世纪初期，随着经济的发展、科学技术的进步、矿山信息化对于生产管理的重要性日益凸显，人们才重新重视起计算机在采矿中的应用及发展。但由于信息技术的飞速发展，此时出现在人们面前的是更高层次概念数字矿山。数字矿山的概念一经提出就是一个庞大的概念、巨型系统，由于它的复杂性，加上我国没有人才和知识的积累，使很多单位或个人对此望而止步。纵观我国在数字采矿方面的研究史，存在以下问题:（1）理论不足。过分强调数字矿山的概念，缺乏基础理论、关键技术的研究。如:矿山三维数据模型、数据结构、三维矿体建模技术、可视化技术、三维交互技术、矿山三维图形算法、海量数据的存取方法、数据标准、软件的体系结构、扩展接口等研究。（2）采矿软件系统性和集成性不强。目前采矿软件还停留在较低层次上，只针对解决某个专业的具体问题，且一般只解决局部问题，而采矿活动本身涉及多个专业，且各个专业之间相互关联，互相作用。目前集地质、测量、采矿等不同专业模块于一体的软件系统还很少见，大都是针对其中某项专业的单一功能模块，很难实现数据交换与共享，往往形成信息孤岛8。（3）内涵不深。目前我国的采矿软件仍停留在一般意义的CAD层面上，或者叫计算机辅助制图(computerA记edDrawing，cAD)层面上，缺乏数据的处理、分析、优化等功能。即设计人员准备数据并进行分析和计算，继而通过软件进行交互式绘图和显示，这实际上只是设计人员的思想用图形表达而己，谈不上可视化计算机辅助设计。（4）外延不广在信息化应用过程中过分强调数字矿山的目标状态，缺少着眼未来、分步实施的战略思想，缺乏软件系统的开发工作。（5）采矿软件独立知识产权少9。我国采矿软件大部分基于Aut0CAD下的二次开发，很少有从底层研制开发，大部分都没有自己独立的知识产权。（6）采矿软件市场商品化软件少9。我国大部分采矿软件往往是依据某一特定矿山来研制的，即“量体裁衣”，缺乏一般性和通用性，难于形成系统化软件，系统维护和推广困难，系统的服务、技术支持得不到保障。（7）研究不足。满足数字采矿软件应用需求的三维建模理论方法和技术需要进一步研究。当前主要三维建模技术都是面向地质应用的，较少考虑采矿应用，数字采矿应用需要三维模型即满足采矿设计的精准性和又满足地质属性查询的准确性。ABCDDBAC图3 ATP构模基本结构Fig.3 Basic structure of ATP modelABC4 未来发展趋势1999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。2001年，国际APCOM组织了首次“国际数字矿山”主题讨论，2004年4月中国科协青年科学家论坛第86次活动以“数字矿山与未来发展”为主题的论坛。许多采矿业发达的国家己经制定了数字化矿山的科研与发展规划，如芬兰采矿工业宣布了自己的数字采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设等专题13，14，瑞典也制定了向矿山数字化、自动化进军的“Grountecknik2000”战略计划15。数字矿山建设是一个复杂的系统工程，从实现上来看它是一个目标、一个方向而不是一项具体的任务和工作，所以数字矿山建设不可能一瞰而就，需要一大批科技工作者和工程技术人员分步骤、有计划的不断努力才能实现8。从数字矿山建设的目标和主要内容来看，目前数字矿山建设还处于基础阶段:实现矿山资源、开采方案优化、开采设计、生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化。基础阶段是实现数字矿山总体目标至关重要的一步，而数字采矿软件系统实现这一阶段的关键因素。在构建数字采矿软件系统时，要充分考虑其可扩展性、易维护性，以便于与数字矿山其它各子系统衔接，从而有计划、有步骤地稳步实施数字矿山战略。5 结语数字采矿是数字矿山最核心、最基础的部分。对于矿山来说最核心的、最重要的生产活动是采矿，但围绕采矿涉及到多个不同门类的分工，如地质、测量、通风安全、管理调度等，并且采矿工程本身就是工序繁多、管理复杂的生产过程，所以要真正实现数字采矿系统，需要进行深入研究，理清复杂系统内部关系、解决关键问题。数字采矿软件属于行业应用软件系统，它不仅仅涉及到计算机专业，还包括地质、测量、采矿等多个专业，需要各专业间相互配合解决系统开发过程中存在的关键技术。由于数字采矿软件系统开发的复杂性令许多软件开发商望而止步，或者半途而废。因此，针对数字采矿软件系统的具体需求，对系统的体系结构、数据模型与数据组织、关键算法进行深入研究，为真正实现数字采矿软件系统及其长足发展具有重要的意义。参考文献：1 古德生. 地下金属矿采矿科学技术的发展趋势J. 黄金，2004(l):1822.2 陈科文，古德生. 信息科技在采矿工业中的应用与展望J.金属矿山，2002(l):57.3 王青，吴惠城，牛京考.数字矿山的功能内涵及系统构成J，2004(1):710.4 陈建宏，邓顺华，王李管.交互式集成图形平台的露天矿模拟开采设计J.冶金矿山设计与建设，1996(2):78一82.5 董卫军，胡乃联.利用ADS技术开发露天矿采剥计划CAD系统J.有色矿冶1998(2):9一12.6 孙豁然，李旭升，何红胜，基于AutoCAD地测采CAD系统的开发与应用J.中国矿业，1997，6(2):67一71.7 董卫军，蔡美峰，王双红.有关采矿CAD开发技术的研究J.有色矿业，1999(l):4一6