数字矿山解决方案.docx

数字化矿山解决方案1 概述1.1 背景建国以来，中国矿业经过半个世纪的快速发展，已建成国有矿山近万座，集体矿山和其他非国有矿山20多万座，年开采矿石量超过50亿吨，从业人员2100多万，带动了300余座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城市的兴起，其中煤炭城市54座，煤炭产量位居世界第一。仅就煤炭生产而言，我国的生产水平和自动化程度就有高有低、参差不齐，既有几千座完全靠人工作业的年产几万吨的小煤井，也有几百座年产几十万或上百万吨的普采或高档普采矿井，还有上百个年产几百万吨的综合机械化矿井，甚至又有年产上千万吨的综合自动化矿井。由于煤矿井下作业处于地表深处，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，给我国煤矿生产造成了重大损失，也危及了煤矿工人的人身安全，尤其是对地面地物类和地下地质体对象掌握不清楚，了解不充分，并且对其变化规律没有充分的认识。所以，无论是开拓设计、巷道布置、采掘设计、接替安排，还是进尺计划都没有充分安全性、可靠性和合理性，由此也引发了像通风、防尘、运输、排水、支护、注浆、供电等系统的设计不合理、配套性不好、连动性不强、反映迟缓，造成避灾措施不利、系统抗灾能力差。根据各学科的特点和发展现状，我们认为要想从根本上解决煤矿的安全生产和高效生产问题，除了技术更新和技术改造外，更重要的是建立一个完整的矿山数字化系统，以实现地面地下所有时间空间对象的透明管理，使得矿区的气象、地形、水文、建筑、道路、桥梁、地面设施以及地下的煤岩层、断层、裂隙、陷落柱、水体、瓦斯和各类地下工程和地下设施尽在掌握中，从而使整个矿山从设计、生产到管理都能很好地兼顾工艺的先进性、设备的可靠性和生产的安全性，大幅度地提高抗灾能力和生产效率。随着计算机技术、信息技术、通讯技术、自动控制技术、3S（GIS、GPS、RS）技术、网络技术的发展，及在社会经济其他行业应用研究的展开，在美国前副总统戈尔提出“数字地球”概念以后，国内众多研究机构和学者相应提出了“数字矿山”的概念，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。由于矿山是一个以资源为开发对象的离散生产系统，因此，数字矿山即不是“数字地球”概念的简单延伸，也不是普通ERP（Enterprise Resource Planning）概念的简单复制，而是一个包含二者部分特性的崭新概念。1.2 数字矿山内含义所谓数字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，我们可以从两个层次上来理解数字矿山。一个层次是将数字矿山中的固有信息（即与空间位置直接相关的固定信息，如地面地形、井下地质、开采方案、已完成井下工程等）数字化，按三维坐标组织起来一个数字矿山，全面、详尽地刻画矿山及矿体；另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息（即空间位置间接有关的相对变动的信息，如安全监测监控系统、电力监控系统、胶带集控系统、人员定位监控系统等生产过程中的设备、环境、人员信息）组成一个意义更加广泛的多维的数字矿山。数字矿山是在井田范围内在统一的三维空间坐标参考下，对矿山每一特征点的固有信息和动态信息的展示和利用，也就是要再现矿井的本来面目。要实现这一目标，需要展示和处理庞大海量的多维数据，同时会涉及许多新技术的应用，包括GIS（地理信息系统）的应用，在此基础上，从事煤炭行业信息化的一些业内人士普遍认为“数字矿山”具有以下特征：1) 建设贯穿井上和井下的高速企业网络：“数字矿山”的建设与矿山信息化运行是以高速企业网（Intranet）为基础。100M/1000M高速光纤网络是确保“数字矿山”实施和海量矿山数据在企业内部、外部快速传递的前提。2) 建立矿井基础数据采集和更新手段：采集矿井基础原始数据和及时更新是保证“数字矿山”基础数据共享的前提。多源异质和动态变化是矿山数据的基本特点，所以必须以矿山测量（RS、GPS、数字摄影测量、常规地面测量和井下测量等）、地质勘探、（钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、工业传感（指各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备、仪器采集系统，如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动监测、机械信号与故障传感、工业电视等）和文档录入（法规、法令、文件、档案、统计数据等）等为综合手段，来建立精确、动态和全面的矿山综合信息采集与数据更新系统。3) 建立矿井基础数据及模型：基于3D-GIS和3D-GMS的空间构模技术以及数据挖掘技术对原始数据进行“加工过滤”来建立煤矿井田地表地形、地面工业广场、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真三维整体模型与重点细节模型；同时考虑采掘工作面场景、机电设备、通风设施、电缆管线等模型的建立与可视化。4) GIS技术是系统集成支撑平台：以3D-GIS为集成技术，融合全矿井自动化系统，在统一的时空参照下，调度和控制各专业子系统，确保系统高效运行。5) 开放的软件平台：矿井基础数据的检索、展示和利用需要统一的具有开放性能的平台软件来承载，要求系统的开放性是保证“数字矿山”良性发展的前提，一是系统本身的数据格式向第三方集成商开放，二是系统要兼容主流的GIS空间数据格式和模型数据格式，三是系统内部各模块之间通过接口可以互相通讯。6) 建立各专业专家分析系统，为煤矿安全生产经营管理提供决策支持：以采、掘、机、运、通为主线的各子系统构成了煤矿生产系统，在基于3D模型、可视化技术与虚拟现实技术全面展示矿井的同时，基于3D-GIS空间分析功能，对采、掘、机、运、通各子系统的工作原理进行仿真模拟，在此基础上建立各专业的专家系统，为煤矿安全生产经营管理提供决策支持。1.3 矿山信息化存在的问题从上世纪80年代中期起，计算机在我国矿山得到应用，经过近30年的发展，矿山信息化建设及数字化矿山取得了长足进步。但仍存在一些问题，如信息化建设缺乏系统的整体规划，功能单一、各系统数据各自独立、互不共享，利用率低等。l 缺少安全监测信息与生产环境信息的结合。l 没有构建安全与生产综合管理系统。l 均采用平面图形，难以展现矿井三维立体的安全生产综合信息。l 信息系统的集成性差，存在着严重的“信息孤岛”的现象。1.4 数字化矿山建设的必要性1) 构建数字化矿山信息系统平台的迫切性矿井已建立了多个信息子系统，根据生产的需要还将建立给排水自动控制、压风制氮监控、掘进监控等子系统。如果还没有建立统一信息平台，将会造成更严重的信息独岛问题，使以后的系统集成更加困难。所以，应该立即进行矿井信息化的统一规划，首先建立信息系统平台，将矿井各方面的子系统集成到一个平台上，实现矿井综合信息的管理和共享。2) 矿井安全与生产综合管理的需要矿井的生产地质条件具有很强的地理空间关系并随时间发生变化，尤其对于多煤层开采、条件复杂的矿井，采用平面设计、在平面图中展示生产系统、安全监测系统、通防系统和生产设备等内容已不能满足安全生产管理的要求。将数字化矿井上升到三维可视化矿井是必然的发展趋势。本项目建立的系统平台不仅可实现矿井井巷工程的三维显示、三维设计，而且使地测系统、安全监测系统、生产管理系统、通防系统实现三维及综合可视化，可以全面提升集团公司和生产矿井的安全生产管理与调度指挥水平。3) 数字化矿山建设是行业发展趋势，越早投入，越早受益数字化矿山建设在国家科技部的倡导下，企业积极跟进。当前，数字化矿山和三维可视化信息系统的应用已得到普及和推广，是煤炭行业发展的必然趋势。因此，尽快建立数字化矿山系统平台，可以尽早地获利于集团公司和矿井的生产管理。同时也为今后其他矿井的信息化建设提供样板，并为构建集团公司多矿井综合信息管理平台打下基础。4) 提高矿井在应急情况下的快速响应能力系统平台可以集成瓦斯安全监测、人员定位信息、综合自动化监控信息等，有自动报警功能，可及时提示来自多方面的监测信息。在应急情况下，可以立即查询到包括地质、工程、人员、生产状态、设备运行状态等相关信息，为抢险救护、调度指挥提供决策的依据。5) 提高矿井的信息化管理水平和企业形象通过系统平台的使用，可以有效解决信息孤岛问题，使各矿井多系统的信息得到充分的共享和利用。实现在三维立体图上综合查询矿井安全、生产、人员、工程、地质等多方面的信息，全面反映了矿井的总体状况，不仅方便于安全生产的管理，同时也非常适合为来自企业内、外各级领导、专家和参观人员介绍矿井的概况，充分展现矿井在安全生产管理方面的科学性和先进性，提升矿井科技进步的企业形象。1.5 建设目标随着计算机技术在采矿业的不断应用，采矿业正由经验型、传统型向科学型、定量分析与处理、自动化方向发展。我们根据矿山生产的实际情况，将下一步数字化矿山建设目标定位于：以计算机及其网络技术为手段，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表达和深加工，并应用于各个生产环节的管理和决策之中，以实现矿山生产的系统优化，达到提高资源的综合利用率、降低生产成本、实现利润最大化的目的。高效快速的推进矿山网络化、数字化、智能化、信息化、综合自动化在煤矿的整体应用。数字矿山的具体目标如下：1、实现数据自动化采集更新，全自动建立全矿井三维场景；2、解决信息孤岛，实现各部门数据共享使用；3、平台灵活开放，方便后期系统扩展、接入；平台覆盖整个网络，高度融入各子系统；4、实现对重要设备的状态监测和故障分析，可以实时查看设备运行参数。采用三维动画、文字、声音、光效等各种手段表现设备状态；5、实现对主要设备的控制，在权限允许的情况下，系统可以远程控制设备的开停；6、建立各种专业分析库，实现生产计划、生产安全调度的最优华。给煤矿生产提供科学的决策依据。2 建设内容数字矿山就是要站在整个矿山的高度、全面的数字化和信息化，按照数字矿山的内涵就是在井田范围内统一的三维空间坐标参考下，对矿山每一特征点的固有信息和动态信息的展示和利用，也就是要再现矿井的本来面目，要实现这一目标，需要采集、表现、管理和处理庞大海量的多维数据，所以数字矿山不能一蹴而就，必须总体规划，分布实施。具体步骤如下：第一步：建立矿用数据的自动采集和更新系统；第二步：搭建矿用监测数据中心，可以灵活使用、管理各种监测监控数据，使各子系统数据实现高度融合；第三步：搭建矿用空间数据中心，可以灵活使用、管理各种固有数据（地质、测量等数据）；第四步：基于两个数据中心，构建各种专业算法库；第五步：构建数字矿山基础信息平台。采用三维、二维、组态等各种形式来表现数据；构建基础信息平台的另一个作用是：搭建一个开放的集成平台，以后用户可以在此平台上方便的接入其他子系统。第六步：构建数字矿山专业应用系统。3 数字化矿山体系结构3.1 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时以高速企业网为基础，在数字化体系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、高速和双向的通信网络，确保海量矿山数据在企业内部、甚至是与IP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。因此高速企业网基石是数字化矿山建设的关键之一。3.2 三维数据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GIS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。在三维的矿山3D原库中，用关联和拓扑的方式组织相关的原库。主要提供矿山信息的拓扑查询、分析与应用及许多采矿安全问题和模拟、分析与预测等，均以矿山3D实体的属性、几个与拓扑数据的统一组织为基础，因此，可以立足矿山3D数据的矢栅集成，完成矿山3D拓扑描述、表达、组织与维护。3.3 数据挖掘数据挖掘是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示数据与模型，智能、快速地从其数据仓库中重新组织并生产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。3.4 中间层处理中间层处理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GIS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试图，即在同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OA、CDS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、作业安排与检测、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。3.5 三维基础数据及业务环境的提供者VR（虚拟现实）、3DGM（三维地学模型）、虚拟仪器、MGIS（矿山GIS）。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，采用三维地学模拟进行数据与模型的过滤和重组。通过三维地学模型，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、矿体与采矿区巷道及开挖空间矢栅整合的真3D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VR（虚拟实现）和并行计算技术，并嵌入虚拟仪器，各类专业应用模型，并开采沉陷计算、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虚拟分析。形成各个基础的三维模型库，应用模型库。为同一的OA、CDS一体化中心提供业务视图环境和业务管理方式。3.6 信息管理中心建设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，形成一体化的信息管理中心，在可视化的环境中，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。3.7 安全体系整个应用体系都是在构建在安全体系中的，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考虑，一是硬件平台，即提供三维空间网络QOS的同时，如何保证系统服务的可靠性和稳定性；二是软件平台，即身份的统一认证，授权，加密，审计和监测等方面。3.8 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，各层之间按照运用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额支撑体系。在三个层次贯穿于整个四级网络体系中，并形成三个系统。每个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，为矿局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。矿局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。4 综合平台建设4.1 网络平台建设4.1.1 目前国内应用于煤矿的三种网络传输平台1) GEPON无源光网络传输系统主要优点：防爆性、抗干扰性强，运行稳定，价格便宜，树状结构，无源2) 基于多业务的MCTP（综合传输系统平台）网络主要优点：基于多业务的，接入方便3) 工业以太网传输系统主要优点：工业级产品，技术成熟，开放性好三种网络的对比：千兆以太环网双环网GEPONMCTP系统主干传输速率10/100/1000Mbps(单环)1000Mbps（每环）155-800Mbps冗余切换时间50毫秒20100毫秒20毫秒三网合一能能能成熟度成熟由企业网络发展而来，逐步扩展到骨干传输城域网应用中，门槛低，使用方便。成熟，2000年后迅速发展的宽带接入技术，地面应用主要是为了替代传统接入手段，实现FTTP。成熟网络结构支持星形（树形）、单环、双环和网络等复杂拓扑结构。支持星形（树形）、单环、双环拓扑结构。支持星形（树形）、单环、双环拓扑结构网络及保护方式系统采用双环结构，提供了快速的线路保护功能；增加功能设备时不需要重新配置，可实现即插即用。系统采用双环结构，提供了快速的线路保护功能；系统由于采用了无源的技术，单个ONT发生故障时不会影响其他ONT的运作。性能比较可靠；可实现即插即用，使用方便。系统采用双环结构，提供了快速的线路保护功能；系统属于有源设备，集中式集成，当发生故障时，整个MCTP节点设备可能瘫痪，增加功能设备时需要重新配置，较复杂。语音系统采用VOIP技术，实现高清晰实时多功能的语言传输，地面不需要传统的调度机，而采用软交换的方式，节省了投资，VOIP是目前语音系统的主流解决方案。采用VOIP技术，实现高清晰实时多功能的语言传输，地面不需要传统的调度机，而采用软交换的方式，节省了投资，VOIP是目前语音系统的主流解决方案。采用传统的调度机作业。视频系统井下采用视频服务器，地面不需要其他专用设备，采用去IP软交换，节省了设备；系统带宽大，可实现大量视频设备接入。井下采用视频服务器，地面不需要其他专用设备，采用去IP软交换，节省了设备；系统带宽大，可实现大量视频设备接入。需要将系统信息IP化后进行接入，需要额外的投资。与企业网的兼容性由于采用了全IP的解决方案，可以直接与现有的企业网实现直接连接。由于采用了全IP的解决方案，可以直接与现有的企业网实现直接连接。需要将系统信息IP化后接入；需要额外的投资。其他设备接入系统提供了丰富的以太网接口（可扩充），同时提供了其他总线接口，接入方便。系统提供了丰富的以太网接口（可扩充），同时提供了其他总线接口，接入方便。系统可以根据用户需求提供对应的接口，接入方便。系统性价比最高接入点多时，高较高4.1.2 基于网络化的数字化煤矿数字化矿山空间是整个系统的核心，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。在该空间中，如果加入时间的维度就可提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化、分析与决策支持的庞大系统，在3D数字化矿山空间表面上叠加影像、图片、监测监控数据、采掘资料、掘进及其它数据。它具有3D空间网络分析、多目标决策分析、采掘过程模拟等基本功能，并能实现辅助采掘勘探、交互式采矿设计与规划、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、排水模拟、开采沉陷动态展现、地表数据整合、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等应用功能。这些庞大的数据交换需要一个高速的网络传输平台。数字化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，做到信息数据与管理业务流程相互协调、相互融合。在应用处理过程中又分为数据层、业务处理层和业务管理层三个层面，为企业的业务管理和高层决策提供服务。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运营管理的支撑体系。整个矿山的各个体系都需要以高速的网络平台为基础。4.1.3 高速工业以太网建设工业以太网是基于IEEE 802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet)提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。是一种标准的开放式通信网络，不同厂家的设备很容易互联。这种特性非常适合解决控制系统中不同厂商设备的兼容性和互操作等问题。并且与计算机、服务器等接口十分方便。还可以与Internet连接，任何地方都可以通过Internet对企业生产进行监视控制实现企业管控一体化。4.1.4 网络传输平台电源设计1) UPS电源地面综合生产调度指挥中心：安装一套UPS，为三进三出全数字在线式智能交流不间断电源系统，电池延时时间不低于4小时，内置D级防雷装置。地面环网交换机UPS电源：每台交换机安装一台UPS，1KVA不间断电源，可延时四小时。井下环网交换机UPS电源：每台交换机安装1套井下矿用隔爆型不间断电源，供电时间不低于4小时。2) 电源接入设计：地面交流用电是220V/127V交流，工业以太网交换机所需的是24V直流电，因此应用了220V交流转24V直流的赫斯曼RPS30模块。4.1.5 井下无线电漏泄通信系统建设矿井巷道为带状的非自由空间，破坏了地面上无线电电波在自由空间的传播规律，地面无线电波通信在井下巷道中传播受到限制，从而矿井巷道被视为无线电波传播的禁区。利用泄漏电缆及中继放大器技术，解决了无线电波在井下巷道非自由空间不能远距离传输的难题。泄露通信系统就是在巷道中铺设一条开放式的射频同轴电缆，射频电磁波信号沿着它一边传输一边想周围空间辐射，从而该电缆起着传输线和天线的作用，在电缆周围形成一个连续无线电波漏泄场，使巷道任何截面都有足够的无线电波场强。实现漏泄电缆天线和流动天线之间的双向逆耦合。使流动台和基站之间复杂的远距离电磁波传播转化为流动台与漏泄电缆之间简单的近距离传播。无线电漏泄通信技术完全适应煤矿矿井下巷道、装备和作业的特点，所以必须在井下应用无线电漏泄技术来解决井下移动人员的无线通信等问题。该系统由基站部分、传输通道部分（漏泄电缆、双向中继放大器、终端器（手持话机）和移动台组成。该系统以基站为中心树状组网，每500米一个标准段，用双向中继器连接，三向中继器实现树型分支，系统可以像积木一样构成“圣诞树”通信网络。每个基站有四路输出，可实现双向通信。井下人员随身携带的无线电泄露手机通过无线电泄露系统可以随时跟地面综合生产调度指挥中心联系，保证在遇到突发事情时井下人员可随时呼叫综合生产调度指挥中心管理人员。4.2 综合生产调度指挥及控制中心规划建立综合生产调度指挥控制中心，负责全生产的总监视和控制将是很有必要的。生产调度指挥中心由大屏幕显示墙、显示器、工程师站和操作员站组成。中心安装的DLP箱式背投显示单元拼接而成的大屏幕拼接墙，可选择显示矿山的工艺流程，生产过程监控信息、矿床模型信息、主要生产指标完成信息、瓦斯经济活动分析以及各生产关键部位的数字视频信息等，显示信息可随意切换。平在大屏幕拼接墙两侧，设置液晶显示器，用来实时显示生产关键部位的视频信息，对作业进行实时监视。操作员站和工程师站包括工业控制计算机、高性能数字硬盘刻录机、矩阵切换主机、各种信号切换和控制设备等；分别对通风、排水、供电、束管、瓦斯浓度、提升、人员定位系统、工况工作面监控系统、微机供电保护、信集闭等系统进行监控和控制；控制选择需要在电视墙上显示的信号。监控网络同矿山的管理信息网无缝连接，反映到电视墙上的信息，也可以显示到有授权的计算机上，领导和有关人员可以方便快速地查询。4.3 基于3DGIS系统的数字化矿山基础信息平台4.3.1 DGIS数字化矿山基础信息平台综述GIS即地理信息系统(Geographic Information System)，是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科。以GIS为平台，构建数字矿山DM（Digital Mine）是对所有与矿山有关的数据信息进行数字化，可以实现信息处理、检索、输出的自动化、可视化、与地理关系的一体化，以便矿山进行计算机辅助设计、矿产资源预测和矿山生产的动态管理等，以达到充分合理开发利用资源，谋求矿山开发的最佳社会经济效益和环境效益的目的。“3DGIS数字矿山基础信息平台”是整个数字矿山软件的核心。3DGIS是一个工具箱，其中包含用于采集、存储、管理、处理、分析和显示地理数据的一套计算机软件工具。该平台负责矿井基础信息的存储、组织管理以及专业表现算法封装。平台为可视化表现提供专业的算法支持，为上层专家系统及专业分析提供矿用对象数据支持。数字矿山基础信息平台必须以3DGIS的数据规范为基础组织管理数据，以3DGIS可视化平台为数据的集成支撑平台，利用专用的空间建模算法，实现矿井的可视化表现。这一块主要实现矿井基础信息的可视化表现，通过2D矢量图和3D模型实现矿井的直观表现。因此，数字矿山基础信息平台、3DGIS可视化支撑平台和专业分析软件包构成了数字矿山基础信息平台的主要核心内容，基本搭建成数字矿山的基础应用框架，基于该框架可以开发各类应用系统的开发，所以数字矿山建设必须构建数字矿山基础信息平台。4.3.2 基础信息的内容和层次矿井生产系统的各专业子系统都包含设备的属性信息、空间信息、系统运行过程的工况信息，数字矿山要构建所有子系统所包含基础信息的数据模型，必须对矿井的基础信息进行整理和规范化梳理。按照子系统数据构成成分划分为固有信息和动态信息；按照数据的产生时机划分为矿井基础信息、专业专家分析信息、矿井经营管理信息；按照煤矿不同的人员角色可把使用数据的用户分为决策层、管理层、操作层，不同角色的人员使用数据的角度不同，所以要对矿井采集到的信息记性分级处理，提供给相应的用户基础信息的层4.3.3 基础信息的采集目前3DGIS数字矿山系统支持三种方式的基础数据采集：、(1)自动识别CAD图纸，生成三维图形(2)根据地测数据库，自动生成三维图形(3)根据采掘工程平面图，手动采集数据生成三维图形。多源异构和动态变化是矿山数据的基本特征，所以必须根据不同的数据来源建立不同的采集系统；对于固有信息采集，可以对地质勘探和矿井测量产生的地质、测量、水文、钻孔等基础数据通过整理或图纸矢量化等手段获取，建立地测信息化系统管理和更新矿井固有信息；对于矿井环境、人员等动态信息，可以通过井下人员定位系统和井下综合监控系统采集；对于矿井生产过程中产生的动态信息通过建立安装胶带运输、提升、通风、束管、供电、水泵等控制系统等集控系统采集，集控系统的自动化程度与装备的智能化水平相关。4.3.4 搭建煤矿监控数据中心从数字矿山的角度看，煤矿先后安装的了综采工作面监控系统、皮带运输监控系统（皮带保护+PLC控制系统）、变电所微机保护系统、井下水泵自动控制系统、通风监测系统、提升数字化系统等是矿井生产过程中环境、设备、人员状态实时数据的采集系统，但是这些来自不同厂家的系统所采集的数据组织方式、存储格式不一样，并且这些数据客观上存在一定的关系，所以需要对这些数据进行整合，建立一个监控数据中心，全矿井综合自动化平台对各监控子系统采集的数据进行了集成，按照统一的格式进行了管理，然后制定数据发布机制，为其他系统共享、挖掘、增值利用这些数据建立了通道。可见全矿井自动化系统平台本身已经建立了一个监控数据中心和数据的访问机制，数字矿山基础信息平台可以无缝地访问监控数据中心的数据，通过数据映射机制建立与空间数据关联，最后通过可视化平台形象地把矿井数据展示出来。监控数据中心与监控子系统的系统软件接口及标准的信息协议是系统整合能否实现的关键。对于各个现场子系统，接入组件支持业界普遍认同的一些标准接口接入。 OPC接口OPC（OLE for Process Control）是被工控领域广泛遵循的一种标准，它规范了应用程序与现场设备或数据源之间数据存取的接口协议，它是基于微软的组件技术（COM/DCOM）设计，采用客户/服务器（C/S）体系结构。它既可存取本地OPC服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的OPC服务器，并且具有高效、安全的特点。它是目前存取现场数据最理想的方法。 DDE/NetDDE接口NetDDE是基于网络的动态数据交换（DDE）技术解决应用程序之间数据的动态交换。也采用客户/服务器体系结构。它既可存取本地DDE服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的DDE服务器，它比OPC在速度和安全性方面要逊色。但对一些动态刷新系统它仍不失为一种简单有效的方法。 ODBC接口现场控制单元（子系统）可将一些对实时性要求不高（如统计等）信息周期性地通过数据接口写入指定的共享数据库（如MS Access或MS SQL等）的表中，综合自动化系统通过数据库接口获取相关信息。 FTP传送现场控制单元（子系统）将实时数据周期性地写入指定的文件中，文件的结构符合统一的信息描述，子系统通过FTP上传至管控服务器设置好的FTP服务器。4.3.5 搭建煤矿矿用空间数据中心矿用空间数据中心主要是指在井田范围内以空间三维坐标为基础组织起来的井上、井下地理空间基础信息。主要包括空间煤层、岩层、地表、地质构造、巷道以及构成采、掘、机、运、通生产系统的矿用设备、材料、配件、设施在井巷或地表空间布置位置和拓扑关系。在煤矿这些空间数据采集是以地测信息系统中地质数据库和测量数据库为基础采集和整理的，数字矿山基础信息平台与主流的地测系统兼容，可以直接访问地质数据库和测量数据库，从而为井巷系统和煤层、岩层等地质体等空间信息建立打下了基础。井巷系统建立起来，实际上建立起来了矿井井下的空间参考，以井巷导线点建立起来的井下空间参考作为采掘机运通等生产系统布置的坐标参考。数字矿山基础信息平台空间数据中心主要内容分两个层次管理基础数据，一个层次面向关系数据库，管理和组织矿井对象的几何基础数据、空间拓扑规则和几何网络信息；另一个层次管理矿井对象，面向平台其他模块提供矿用对象使用维护功能。 基础空间信息的组织管理矿井生产系统由设备、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、枚举等数据库操作。 矿用对象组织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，其他生产系统基于该机制使用对象，进行二次开发。4.3.6 构建煤矿各种专业算法库数字矿山不仅要实现数据采集和可视化表现，而且要实现数据的增值利用，需要在基于基础信息平台对采掘、供电、运输、通风、给排水等各生产子系统的工作原理进行仿真模拟，不断开发专业分析软件包，为煤矿安全生产经营管理提供决策支持。这一块任务需要与按生产系统专业结合，开发适用的专业分析功能。4.3.7 数字化矿山基础信息平台构架数字化矿上基础信息平台制定标准的接口规范采集融合来自不同矿井业务系统的空间数据和属性数据等基础信息，需要统一组织管理。这些基础信息在世纪使用过程中是按照生产系统（井巷系统、通风系统、供电系统、皮带监测系统等）、矿用对象（井巷、地质体、设备、配件、材料、设施等）、基础数据（地质、测量、钻孔、监控、管理等数据）的层次向下挖掘利用的，所以数字化矿山基础信息平台必须面向关系数据库管理矿井基础信息，按照基础数据、矿用对象、生产系统的层次从上到下管理矿井基础数据，开发以监控数据中心和空间数据中心为核心内容的基础信息存储管理引擎、矿用对象管理中心和丰富的专业分析算法（通风解算、供电网络整定分析等），这样就构成了数字化矿山的基础库。基于该基础库和3DGIS可视化平台开发二维和三维空间建模算法，通过3DGIS平台支持的渲染引擎可视化矿井，以这些内容为基础采用计算机软件面向服务和面向组件等主流技术二次开发API，这样就构成了一个数字化矿山的应用开发框架。基于该框架，结合实际需求来发安全生产管理、生产调度等应用系统。平台有以下功能： 空间数据采集系统空间数据采集系统基于数据中心，以2DGIS为支撑平台，按照煤矿产生系统构成和业务布置流程，以可视化交互的方式完成空间数据的采集。采集好的空间基础数据为3D建模准备好了数据，主要目标是做数据。 企业管理器企业管理器作为企业数据管理配置中心，一方面从矿用对象的角度组织数据目录，另一方面煤矿生产系统的角度组织数据目录，2种模式从不同的角度管理数据，为定义数据、配置管理、查询检索、集成融合实时数据、可视化以及信息的挖掘分析提供工具，主要目标是管理数据。 企业应用平台企业应用平台同样基于数据中心，把煤矿生产系统以3D模型和2D图形的形式展示出来，并实现信息的查询、漫游、定位及2D和3D数据的联动，用户可通过企业管理器和配置与全框架综合数字化系统实现平滑集成，能够实现矿井设备、人员、环境状态的实时展示，同时根据客户需求，基于平台提供的二次开发API开发客户化的应用系统，从而实现使用数据的目标。1) 地形建模如下图所示，不用下矿井，就可以清楚的了解到整个矿区的地形，为煤矿资源开发打下良好基础利用。2) 三维地质建模将复杂的地质构造以三维的形式显示出来，便于有关技术人员对煤炭资源的合理分析和开发。3) 巷道建模非常直观的在电脑屏幕上显示出巷道的模型，巷道的构造，便于煤矿的开采。4) 生产系统建模整个巷道的生产，机器的运作都以三维的形式显示出来，实现更加有效和合理的开采。5) 三维虚拟漫游漫游实现了领导不用去现场就可以感受到身临其境的感觉。l 地面漫游：l 井下漫游：6) 二维数据和三维数据联动定位4.4 安全生产监测系统安全生产管理监测系统是煤矿生产、安全方面的一个实时监测系统，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，强大、灵活的数据查询，满足了各级管理人员的业务需求。该平台提供可视的实时报警、定位、测距等，管理者通过综合检测系统可视化管理空间对数字化矿山各种业务和信息进行管理。整个系统可以控制整个矿井的正常运行和人员管理。4.4.1 数字化提升系统在矿井上安装基于PLC控制数字化提升系统。基于PLC控制的矿井数字化提升系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和上位机监控系统组成。1) 动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力。2) 液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力。提升机启动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。3) 四象限频调速器：是动力装置的能量供给单元，通过它将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。4) 数字化操作台：设在井外提升房，专门控制提升系统，可以清楚的看到矿车。操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。5) 触摸屏监控系统：是操作员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。为保证提升机运行的高度安全性。触摸屏监控系统设置在综合生产调度指挥中心的操作台。6) 报警系统：该系统采用声光报警，同时显示到上位机监控系统和操作台上。上位机监控系统：PLC与触摸屏以及变频器等之间采用网络通信，进行各种参数设定、显示提升机位置、速度的设定显示以及报警显示。监控内容主要包括：超速监视、过载监视、松绳监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、深度指示器失效监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路或安全回路实现抱闸停车保护。4.4.2 井下轨道信、集、闭系统 系统的组成井下轨道信、集、闭系统由中心站、控制分站和各种检测、执行设备组成。井下轨道信、集、闭系统的主机和通讯器、控制分站都配有各自的系统软件和各种专用软件，在反映各矿轨道配置及运输流程的各种数据表格的支持下，完成整个运输监控及生产及管理的各种功能。中心站设在地面综合生产调度指挥中心，通过主控制机显示井下机车运行状态，并实现对所有设备的检测和控制，以实现可靠的人工或自动调度。监测井下运输车辆的运行状态，监控提供各设备运行状况，发送各种动作命令，指挥车辆运行，并采集各种生产过程数据。控制设在矿井下运输大巷，管理各个检测、执行设备，并执行中心站下发的各种命令，汇报各种监控信息。各种检测、执行设备设在轨道沿线，用于收集车辆的运行信息。井下部分都在工业以太环网内，通过高速工业以太网连接至地面综合生产调度指挥中心的中心站。 系统实现功能主控制机设置在地面综合生产调度指挥中心，液晶显示器显示设备作为井下机车监控系统的显示界面；根据信号设计布置和区间划分，系统具有区间连锁，敌对进路连锁，信号机、计轴器和转辙机连锁等“信、集、闭”功能；以具有16种工作模式的动态信号机指示机车运行，信号机的工作模式有：系统停、停车、准备、询问、谨慎前进、谨慎后退、谨慎左行、谨慎右行、响铃前进、响铃后退、响铃左行、响铃右行、前进、后退、左行、右行；为了达到行车安全的目的，信号机的开放和关闭具备严格的条件限制，具体有如下要求：当开放的进路信号机内方的第一对计轴器收到车到报告时，及时关闭信号。信号机关闭后，不经办理，不得再次开放。当信号设备及其电路发生故障时，有关信号显示自动转换为安全状态并在界面上醒目报警提示。能保证调度操作人员能随时关闭开放的信号机。系统通过对经过轨道计轴传感器车辆的感应输出信号进行采样、处理，能显示各列车位置、机车车皮车辆数、车速以及行车方向，区段占用情况，使机车运行状态一目了然；每台机车安装能发送出不同编码的无线发讯机，在大巷监控点安装接收装置（通讯分站），以定点接收反映不同的机车编码信息反映机车概况，信息包括机车号、车类、作业申请方向信息，实现运输调度自动化；系统通过对轨道计轴传感器过车数量的综合统计，能对所过车辆数量做到自动统计分析，在指定的统计点能显示车辆通过总数、当前机车数、当前车辆数，并生成报表供辅助运输管理部门查询分析，以便合理调整运输方案，提高运输效率；对井底车场及运输大巷的主要道岔实行集中系统控制，道岔执行设备具备就地、集中两种操作方式；分站对控制执行设备定期巡检，在故障条件下能够自动解锁执行设备；主控系统预留与矿信息系统的数据接口，以便融入矿局总信息系统，在矿局信息系统终端的计算机上可以根据授权远程浏览当前运输状况、历史重演记录、生产报表查询。4.4.3 井下工况工作面监控系统煤矿采掘面历来是煤矿生产的重点管控区域，综合综采工作面的生产进度、设备设施情况、人员情况都是煤矿管理人员需要随时了解和掌握的。需要在巷道内皮带安装视频监控，井下机车也要安装机车信、集、闭系统，在井下采面安装视频监控系统。由于采面情况复杂，综采机割煤时会有煤块飞落，线缆有被砸断的可能，采面处于不断移动的回采作业过程，支架会不断移动，是线缆移动不方便，综采机高电压高功率，加上高压变频器，现场电磁干扰特别厉害，会影响到监控工程的相关传输。所以煤矿将采用无线网覆盖的工作面监控系统。系统由井下无线基站、本质安全型无线防爆数字摄像机和井上监控中心组成。在矿井的综合采面两侧安装无线基站，综合采面安装本质安全型无线防爆数字摄像机用于各个角度的录像。无线基站接入井下工业以太网。摄像机所记录下来的视频信号经无线网传送到无线基站，无线基站通过工业以太网将视频信号传送至井上监控中心，井上监控中心设在综合生产调度指挥中心，可通过大屏幕实时监控井下综合采面的工作情况，可任意切换画面。4.4.4 井下变电所微机保护系统 系统结构该系统对井下采矿区变电所的监测监控主要对采矿区变电所内部的环境进行实时视频监视，对采矿区变电所内部的高压配电装置、低压馈电开关进行实时监测监控。该系统把井下采矿区变电所内部的视频信息和高压配电装置、低压馈电开关的数据信息通过工业以太网传送到地面监控主机，监控主机再把数据信息进行分析处理，然后再将相关数据信息保存在数据库中，以便日后浏览查询。（1） 地面监控中心采用工业计算机，高性能的控制与功能强大的工业控制组态软件相结合，设在综合生产调度指挥中心，完成对井下变电所现场运行状态的远程监视、监测；实时记录数据到数据库，能够对历史记录进行分析、处理与统计；能够生成变电所每台开关的电量统计日报表、月报表、年报表，能够实现多种查询功能；支持局域网，可配置多屏幕、多画面显示；也可实现双机热备功能；故障定位，配置有声光报警功能提示，能够精确显示井下故障设备的位置及故障情况。地面监控中心与井下分站用工业以太网进行通信。（2） 远程传输信道及井下分站地面监测中心与井下分站之间有工业以太网，通信传输介质为光纤，井下分站到测控单元采用屏蔽双绞线通信。在井下分站中装有光纤转换模块，把信号转换为光信号，通过光纤传送到地面监控中心，再把光信号转化为电信号传送到监控主机。（3） 测控单元测控单元由高压配电装置和低压馈电开关担任，高压配电装置和低压馈电开关内装配有综保装置，使其具有测量、保护和通信能力。综保装置采用先进可靠的工业级16位单片机作为CPU，实时交流采样，直接测量电网二次侧交流信号，用液晶或仪表的LED指示灯实时显示电参量和故障性质。每个测控单元通过分站将各种数据上传，并执行由地面监控中心发送来的控制指令。 系统实现功能l 实现采矿区变电所内所有高压配电装置、低压馈电开关信号量、模拟量的实时采集。l 实现现场高压配电装置、低压馈电开关断路