《数字矿山概论》第5章-矿山信息集成管理与共享利用

第5章矿山信息集成管理与共享利用,安全工程学院2017,5.1矿山信息集成框架,5.1.1矿山信息集成的空间框架1.空间基准与坐标系在测量中，常用的坐标系为空间大地坐标系和平面直角坐标系。（1）空间大地坐标系空间大地坐标系采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置。,(2）平面直角坐标系,平面直角坐标系是利用投影变换，将空间大地坐标通过某种数学变换映射到平面上，这种变换称为投影变换。投影变换的方法有很多，我国采用的是高斯投影。我国规定l：l万、1：2.5万、1：5万、l：10万、1：25万、1：50万比例尺地形图，均采用高斯投影.,(3）基准所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面。在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数，如参考椭球的长短半轴，以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。(4）坐标系变换与基准变换经常要进行坐标系变换与基准变换。所谓坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换，基准变换是指在不同的参考基准间进行变换。,(5）高程,地面点到大地水准面的垂直距离，称为正高程。,如图所示，P0P0。为大地水准面，地面点A和B到P0P0的垂直距离HA和HB为A、B两点的绝对高程。地面点到任一水准面的高程，称为相对高程；A、B两点至任一水准两P1P1的垂直距离HA和HB为A、B两点的相对高程。,2.中国常用坐标系,我国测绘工作中，常用的坐标系主要有WGS-84坐标系、1954年北京坐标系、1980年西安大地坐标系和2000国家大地坐标系。国务院批准自2008年7月1日启用我国地心坐标系即2000国家大地坐标系，英文名称为ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，英文缩写为CGCS2000。,5.1.2矿山信息集成的时间框架,客观的矿山信息并不是一成不变的，会随着时间的演化自然或人为地发生变化。矿山空间数据的时间特性使得矿山空间数据形成空间数据系列。矿山空间数据实时获取与快速、高效的更新技术，以及如何动态、一致地管理空间数据系列，是数字矿山工作者面临的艰巨任务。,5.2矿山信息管理与更新,5.2.1矿山信息资源整合与规划现代企业信息服务技术，在技术结构上已从传统的基于需求分析来定义功能模块、进行软件开发、提供孤立的信息服务，改变为分析企业战略、组织结构，梳理业务流程，在此基础上对业务流程进行流程建模和对组织结构进行结构化建模，并在企业应用集成环境进行业务系统或模块集成，在企业门户中进行信息资源集成管理和共享服务。,1.矿山空间信息资源整合“数字矿山”建设中，很重要也很困难的一个问题是对现有各部门、相关行业、相关领域的信息资源最大限度地集成与利用，即对现有信息进行改造与开发。（1）矿山信息资源整合的原则鉴于矿山信息资源整合的复杂性，具体实施时应遵循的基本原则是：统一标准，统一框架；一库多用；分步改造；力求标准；数据、文挡和质量控制同步考虑。（2）信息资源整合的内容从数据库标准、数据格式、文档形式和数据质量控制等方面人手，对现有数据库进行标准化、空间化改造。,（3）信息资源改造流程对现有数据资源、进行标准化、空间化改造的基本流程如下：数据库平台选择：采用C/S或B/S结构进行数据库的网络化改造，采用大型关系数据库系统作为平台。数据标准化改造：包括数据分类、编码、空间数据配准（统一到同一种坐标系）、数据格式转换等。数据库结构改造：包括调整和改善数据库结构、建立属性数据（含统计数据）与空间数据关联。数据质量控制：包括数据几何精确性、逻辑一致性、数据完整性、数据时间性与更新等。数据划分与提交：区分集中共享、分布无偿共享与分布有偿共享，并确立用户级别。建立数据库服务器及相关文档：将改造过的数据导人数据库，建立数据库服务器，提交数据库改造报告、数据字典及使用说明等相关文档。,（4）信息资源整合的关键技术,2.矿山空间信息资源规划（1）矿山信息基础设施规划设计：包括网络基础设施、信息安全基础设施。(2）矿山基础数据库规划设计：包括矿山基础地理信息数据库、人力资源数据库、设备信息数据库、煤矿地质数据库、通风、瓦斯数据库。(3）数字矿山需求分析和业务模型规划设计：要求以规范化、标准化的方式表达需求分析各阶段和过程的结果，尤其关注需求分析各阶段内容与实现技术的衔接；需求分析应准确把握矿山生产、管理、经营、保障的业务现状，以及相关行业和支持部门的业务现状和发展。全面完整抽象出符合矿山发展和可以得到支持的业务模型，既要考虑矿山的业务现状模型，又要考虑数字矿山环境现代矿山的业务模型。,(4）矿山公共信息平台规划设计：包括数据交换中心、平台系统支撑环境、业务模型系统支持、办公自动化支持、系统接入方式支持和系统扩展、增值应用开发支持、站式门户网站系统支持、一站式业务系统门户网站下的业务基础支持系统设计、服务系统设计、应用系统设计、个性化服务和定制、智能代理、目录服务、虚拟企业服务和社区服务；业务系统的安全控制和访问设计（含商业秘密和隐私的保护），业务系统的管理设计。统一的安全控制平台设计安全控制模式、体系和系统安全控制设计和数据备份、容错、容灾系统设计，系统管理设计。(5）矿山信息资源标准建设：构建中国数字矿山emXML或eXMML数据标准体系。,(6）数字矿山业务系统和管理系统：建设包括集团公司管理系统、通用管理系统、生产管理系统、辅助生产管理系统、矿区社区管理系统、办公自动化系统、客户关系管理、工业控制和生产现场管理系统、会议电视系统、决策支持系统、门网站系统、接入系统、用户服务系统等。(7）数字矿山建设工程风险评估和分析：风险管理包括了安全行为的整个范围，包括物理、技术、管理控制和进程，它导致解决安全问题合理的性能价格比。(8）数字矿山系统集成方案：包括说明支持应用系统的软硬件平台选择、集成方式。(9）数字矿山投资效益分析：从社会效益和经济效益两方面对数字矿山的建设进行全面的效益分析和评估，特别是可预见效益的投入产出分析。,5.2.2矿山信息的管理模式,基于信息网格技术，可以在矿山现有信息基础设施的基础上进行信息资源整合，构建矿山统资源集成信息服务平台，进行分布式矿山信息管理、共享与计算。信息网格是要利用现有的网络基础设施、协议规范、Web和数据库技术，为用户提供一体化的智能信息平台，其目标是创建一种架构在OS（操作系统）和Web之上的基于Internet的新一代信息平台和软件基础设施。,5.2.3矿山信息的更新方式,矿山信息的更新分为空间信息更新和非空间信息更新两个方面。1.空间目标综合通过空间目标综合技术建立多尺度空间数据库，同时完成由多源空间数据、大比例尺空间数据自动更新小比例尺空间数据库，是空间数据库更新和整合的主要技术，在矿山空间数据更新方面同样适用。,2.数字合并数字合并是将不同的数据源合并为一个新的、最优的数据集的算法过程，新和优表现在空间和属性两个方面。3.遥感影像更新利用遥感影像对新旧数据源进行快速变化检测并提取变化特征对象，可以实现空间数据的快速更新。,5.3矿山信息分类与编码,面对海量的矿山信息，如何将它们进行有机的组织和有效的存储，以便数据库管理和检索应用，直接影响到矿山数据库乃至数字矿山的效率和功能。只有将矿山信息按定的规律进行分类和编码，使其有序地存入计算机，才能对它们进行高效、有序、无错的管理与利用。矿山信息的分类与编码是MGIS开发、数字矿山工程建设的基础与首要任务，包括矿山信息的分类、矿山信息的分类编码和矿山信息的空间编码3个重要方面。,5.3.1矿山信息的分类,矿山信息包括空间信息与非空间信息两部分。非空间信息是矿山所有与具体空间位置无关的信息的总称，如财务信息、工资信息、人力信息、经营信息等。空间信息则是矿山一切与具体空间位置及地理空间分布有关的各种要素的图形信息、属性信息、统计信息以及时空关系的总称，包括地质信息、测量信息、设计数据、生产信息、安全信息等。,矿山空间信息可以分为3类。（1）矿山基础信息：矿山基础信息是矿山最基本的地理信息，包括各种井上、井下测量控制点、高程点，地面水系、植被、地形、地貌、地物、地名以及某些属性信息等。表现形式有地形图、地貌图、地籍图、测量控制图等。矿山基础信息反映矿山的基本面貌和状态，并作为各种专题信息、综合信息空间定位的背景、框架和载体。矿山基础信息具有空间性、统一性、精确性、基础性和时效性等特点。,（2）矿山专题信息：矿山专题信息是指与采矿活动直接相关的各类专业信息。如采矿要素的空间分布及其规律，包括地层结构、矿体储量与分布、井巷设施、采掘工作面、机电运输、瓦斯运移、水文动态等，表现形式有地质剖面图、矿体底板等高线图、储量分布图、采矿设计图、采掘工程平面图、机电布置图、通风网络图、水文地质图等。矿山专题信息是矿山基础信息的拓展，矿山基础信息是矿山专题信息公共的空间定位的背景、框架和载体。矿山专题信息具有空间性、统计性、专业性、时效性等特点。,（3）矿山综合信息：矿山综合信息是在矿山基础信息和矿山专题信息的基础上，针对特殊应用而叠加、复合、提炼生成的综合性矿山信息。包括矿山开采损害、矿区环境影响、矿区土地整治等，表现形式有矿井上下对照图、开采损害分布图、环境影响分布图、土地复垦规划图等。矿山综合信息主要表示矿区某一综合领域的多种要素的空间分布、趋势及其相互作用。矿山综合信息具有空间性、综合性、相关性、时效性等特点，是矿山基础信息、矿山专业信息的延伸和复合。,5.3.2矿山信息的分类编码,矿山信息的分类编码是以矿山信息分类为基础，将矿山信息分类结果用种易于被计算机和用户识别的符号体系表示出来，是人们统一数据、交换信息的重要手段。编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组有序排列的符号。代码般由数字、字符或两者混合构成。在设计时，可以在特定字段用字符或数字表示特定的含义。,1矿山信息的分类与编码原则,2矿山信息的分类编码技术,（1）图形信息的分类编码,(2）符号的分类编码传统的手工制图规范（煤矿地质测量图例，1989年版）较为系统地介绍了井下测量控制点、地层产状及接触关系、地质勘探、水文地质勘探工程等制图符号。计算机制图图形元素的线性、颜色、充填方式等丰富多彩。对如此种类繁多的符号进行分类编码同样十分重要。,(3）属性的分类编码,5.3.3矿山信息的空间编码,矿山信息的空间编码是对矿山实体对象的空间位置的一种反映，具体体现了实体对象空间轮廓的定位信息，且矿山空间数据检索与查询分析的基础。一方面，可通过查找空间码来直检索特定空间区域内的矿山实体对象，另一方面，可通过分析矿山实体对象的空间码来判断某矿山实体是否满足当前在询条件；此外，还可以通过比较矿山实体对象的空间码来判断矿山实体的空间关系，如是否相邻、相离或包含。矿山空间编码有基于高斯坐标系的无边界QuaPA编码方式和基于地心坐标系的SDOG编码方式。,5.4矿山空间信息的查询与共享,5.4.l矿山空间信息的查询模式空间查询的基础是空间索引。空间索引是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种辅助性的空间数据结构。常见的空间索引技术般是自顶向下、逐级划分，比较有代表性的包括BSP树、K-D-B树、R树、R树和CELL树等。目前大多数成熟的商品化GIS软件的查询功能都可实现对空间主体的查找，如查找空间实体和空间范围（由若干个实间实体组成）以及它们的属性，并显示出该空间对象的属性列表，井进行统计分析。,5.4.2矿山信息的共享利用,信息共享平台是解决矿山信息共享问题的关键。矿山信息共享平台的实现，其核心是构建基于数字矿山统信息模型cXMML或cmXML标准体系的矿山数据交换系统。1.矿山信息的共享模式矿山信息共享可以有集成共享、集中与分散相结合、分布式存储与集中共享、分散共享共4种基本模式。,(1）集成共享模式其特点是数据集中存放、集中管理、统一发布。各部门的数据统一提交到信息中心的服务器上，由信息中心对数据进行分类综合后，根据数据的公开程度分别在内外网上统一发布，以下载方式提供给用户。此种模式的关键是网站建设，其优点是数据不分类型，技术实现简单，缺点是共享方式单一，数据更新复杂。,(2）集中与分散相结合共享模式其特点是共享数据集中存放、专题数据分布式存放，信息共享平台帮助用户查询检索到所需数据并提供下载式服务，用户可以以共享数据库为背景建立自己的专业应用系统。此种信息共享模式的关键技术是分布式数据库技术和数据字典。其优点是不涉密的共享数据由数据中心数据库统一存储和节理，对于用户发送的请求可直接回复，专题数据由各职能部门的专题数据库负责管理和维护，用户的数据请求由信息中心在各专题数据库中统一查询和检索，检索到的数据由各专题数据库以各种方式返回给用户。缺点是信息集成度不高，对专题数据，数据中心只能起到“中介”的作用，且由于各专题数据库内容、架构、功能等的不同，信息，共享会受到影响。,(3）分布式存储与集中共享模式其特点是共享数据由数据中心数据库统一存放，专题数据由各职能部门专题数据库负责存放，用户的数据和功能请求发送到数据中心，数据中心根据请求在中心数据库及各专题数据库中组织数据，井处理成用户所需要的结果返回给用户。此种模式的关键技术是分布式数据库技术、数据字典和数据融合技术。其优点是所有数据均由数据中心统发布，数据集成度高，便于综合利用，用户不仅可以将共享数据下载建立自己的专业应用系统，而且中心可以根据用户需求在信息共享平台上直接定制自己的功能需求，得到所需结果，以满足大多数公众的信息共享需求。缺点是对中心服务器端要求高，技术难度大，除具备数据查询检索功能外，还必须具备数据处理、数据融合等功能。,(4）分散共亨模式这是种基于元数据的信息交换平台，它是将任意格式的数据存储在任意个分布式数据服务器上，而将其元数据登录到元数据服务器，分布式数据服务器通过Internet/Intranet连接，可以随数据量增大、新数据库加入和共享用户的增加而随时扩展，用户可以通过C/S或BIS分别指定数据，登录元数据，查询元数据且下载所需数据。其优点是信息共享平台通过元数据和网络管理分布在不同部门的不同类型、平同格式的数据，使这些数据可以在不同部门和职务系统之间进行交换和共享利用，简便易行；其缺点是对用户要求较高。,2.矿山信息共享的标准体系,信息共享，标准先行。标准体系及其推广应用的严重滞后，是当前制约矿山信息共享和数字矿山工程实施的关键之一。在我国信息化建设的“统筹规划、国家主导、统一标准、联合共建、资源共享”的20字方针中，标准化与信息共享是核心。,3.矿山信息共享的政策法规,信息共享政策法规可以分为与信息共享的技术管理有关的政策法规、与信息共享的经济管理有关的政策法规、与信息共享的社会管理有关的政策法规等3类。,4.矿山空间信息共享的技术模式,（1）基于直接访问模式的互操作方法直接访问是指在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了繁琐的数据转换，而且在一个GIS软件中访问某种软件的数据格式不再要求用户拥有该数据格式的宿主软件，更不需要该软件运行。直接数据访问提供了一种更为经济实用的多源数据共享模式。,(2）基于公共接口访问模式的互操作方法通过国际标准化组织（如ISO/TC21l）或技术联盟（如OGC）制定空间数据互操作的接口规范，GIS软件商开发遵循这一接口规范的空间数据的读写函数，可以实现异构空间数据库的互操作。,5.5矿山数据挖掘与知识发现,5.5.1可挖掘的矿山知识与作用矿山数据挖掘就是从海量的矿山数据中挖掘、发现对矿山系统内在的、有价值的矿山信息、规律和知识的过程。可对矿山的安全、生产、经营与管理发挥预测和指导使用。,1.可挖掘的矿山知识,（1）概括知识概括性知识既可以选择矿山作为挖掘对象，发现矿山生产与经营之间的概括性知识，也可以选择特定事件如安全事故（顶板突水、瓦斯突出等）为挖掘对象，发现特定安全事故发生的概括性知识，从而为事故预防提供支持。（2）关联知识如煤层厚度及底板标高变化等因素都与矿井构造的发育有关，大断层与小断层也有相关性，地下开采与地面塌陷之间的相关性非常显著，采煤设备运转状态与工作面安全状况也密切相关。,(3）序列知识根据空间实体随时间变化的情况，应用矿山数据挖掘技术预测将来的值，发现和利用序列规则，如预测矿产资源储量变化、资源开采动态过程中的地表变形等，都可以采用数据挖掘技术作为支持。(4）分类知识典型的分类方法是基于决策树的分类方法，如矿山事故的分析，围岩稳定性分析，矿山地质条件的分类等。(5）异常模式对实时矿山生产设备运行状态监测、矿山安全监测信息进行数据挖掘处理，发现异常模式，往往能够对可能影响生产和安全的因子进行提前识别，发现设备运行异常、安全监测指标异常（如瓦斯浓度、顶极压力等），为及时采取有效对策提供支持。,2.矿山知识的作用,（1）有利于矿山生产的优化设计利用矿山空间数据仓库系统，建立矿床三维地质模型，为矿山生产的优化设计提供理论和信息知识上的支持，提高矿山的设计信息化与客观化。（2）提高矿山信息系统的空间智能分析水平将数据挖掘技术与MGIS相结合，能够从大量的矿山数据中发现隐含的、更加概括的各种矿业领域的知识规则，比如，对矿床的二维或三维信息进行处理，可挖掘出矿床的分布区分规则、矿体变化演变规则、矿床与围岩、地质构造等其他地理要素的关联规则、矿床的品位或矿体的空间聚类规则等知识。,（3）推动矿山企业信息化向高级阶段进军通过对数据和信息资源进行深层次的开发与利用，分析研究，从中找到那些潜在的、规律的东西，不仅知其然，还要知其所以然，这就是“基于知识”的生产管理与决策。在矿山信息化的高级阶段，数据挖掘技术是其得以实现的核心技术。将所得的知识运用GIS