数字化矿山建设应用

数字矿山河南理工大学计算机学院河南省高校矿山信息化重点实验室数字地球

数字矿山概念

数字矿山功能内涵

数字矿山的层次结构

数字矿山关键技术

井下数字矿山建设内容数字化矿山建设的三个层次内容提要数字地球(TheDigitalEarth:DE)

1998年1月31日，在美国加利福尼亚，科学中心美国副总统戈尔(ALGore)发表的题为“数字地球：二十一世纪认识地球的方式(TheDigitalEarth:Understandingourplanetinthe21stCentury)”的演讲中正式提出。

1998年6月11日，江泽民，中国科学院第九次院士大会和中国工程院第四次院士大会的讲话中再次提及数字地球，提出了构建数字中国（DigitalChina，DC）的战略构想。数字地球涉及的大部分理论、技术、数据和应用都与现有的直接相关，只是从更高的层次、系统论和一体化的角度来组合和应用已有和正在发展的理论、技术、数据和能力。

数字矿山的提出地理信息科学(GeographicalInformationScience:GISci)是在计算机技术和通信技术的支持下，以航天遥感技术(RemoteSensing:RS)、地理信息系统(GeographicalInformationSystem:GIS)、全球定位系统(GlobalPositioning

system:GPS)

为主、以GIS为核心的一门学科.数字地球产生的科学技术基础：地理信息科学

数字地球的意义我国的战略目标是“赶超型”的，数字地球对我国在以下几方面尤其具有重大的意义：①充分利用现有数据和信息资源的最佳途径，并为信息高速公路提供必需的信息资源。②科技领域在国际上占有一席之地的历史性机遇。③实施SD战略的重要手段、信息资源的主体核心、知识经济时代的制高点。

由于数字地球将在GC、SD、高效农业、环境、资源、人口、灾害、科研教育、商贸等几十个领域发挥重要作用，因此在中国、美国和世界其他国家都引起了高度重视。数字矿山的提出

有以下几种观点：①可以嵌入海量地理数据、多分辨率、三维的对地球的表示(戈尔)。②虚拟地球(美国1998年6月23日数字地球研讨会)。

③对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球方面的问题(中国部分高级学者)。数字地球的含义数字矿山的提出①信息获取、处理和应用是数字地球的三个重要组成部分。②数字地球的核心思想是用数字化手段统一性地处理地球问题、最大限度地利用信息资源。③数字地球主要是由空间数据、文本数据、基于INTERNET的操作平台和应用模型组成。数字矿山的概念

数字矿山的特征与数字地球是一致的，只是尺度和范围上不同。

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，建成一个矿山信息模型，描述矿山中每一点的全部信息，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。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。数字矿山的任务和核心

“DM的核心是在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织各类矿山信息，将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合。DM的任务是在矿业信息数据仓库的基础上，充分利用现代空间分析、数据采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术，为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具。”数字矿山的特征

数字矿山应该具有6项基本特征:以高速企业网为“路网”；以采矿CAD（MCAD）、虚拟现实（VR）仿真（CS）、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”；以MGIS为“调度”。DM的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率，以至无人采矿和遥控采矿。11

1)以高速企业网为“路网”

DM的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础，逐渐建立宽带、高速和双向的通讯网络，确保海量矿山数据在企业内部、省内与省际矿业网络快速传递。同时，还必须与NII（NationalInformationInfrastructure）与DC（DigitalControl）建设相协调，以利于矿山产品、经营等社会化信息在Internet上的快速传递，便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。因此，高速企业网技术是关键之一。数字矿山的特征122）以MCAD、VM、MS、SC、AI与SV为“车辆”

为满足不断扩展的矿山需求，必须开发适合不同用户层次、具有不同功能的矿山应用系统和软件模块，即需要制造多品种、多型号的“车辆”：如采矿CAD、采矿仿真技术、各类科学计算工具（如有限元、离散元、边界元和有限差分模型等）和3D可视化工具等。随计算机性能的不断提高和并行计算技术的采用，矿山业主和技术人员不仅可以对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，而且可对矿工进行虚拟岗前培训，提高矿工的安全意识、防灾减灾能力和作业工作效率。数字矿山的特征133)以矿业数据和应用模型为“货物”DM的核心是数据仓库。DM数据仓库由两部分组成，就象人的左右心室：一侧为数据仓库，管理海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息；另一侧为模型仓库，管理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型，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。数据仓库所管理的海量数据与模型仓库所管理的矿业模型，就是可以被各类“车辆”在DM“路网”上运输的数字“货物”。数字矿山的特征14

4）以3DGM和数据挖掘为“包装”

为满足不同用户和不同目的的需要，必须对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型进行相应“包装”处理，即进行数据与模型的过滤和重组。三维地学模拟（3DGM）是DM的技术核心之一。它是基于钻孔资料、地震资料、开挖设计数据及各类物探、化探资料，来建立矿山井田、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3D模型。在此基础上进行矿床地质条件评估、地质构造预测、精细地学参量半定量分析、深部成矿定位预测、矿产资储量管理、经济可采性评估、开拓设计、支护设计和风险评估等，从而辅助矿山决策，确保矿山工程的科学、可靠与安全。数字矿山的特征15数据挖掘是利用基于知识的工程（KBE）技术和人工智能，从DM中的海量矿山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DM的实用化工具。只有当DM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，DM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。数字矿山的特征165)以多源异质矿业数据采集与更新为“保障”DM必须以测量（遥感RS、全球定位系统GPS、数字摄影测量DP、常规地面测量NS和井下测量US等）、勘探（钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、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）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。数字矿山的特征17

只有实现了矿业综合数据的动态采集与快速更新，才能为动态时效的3DGM与MGIS提供数据粮食，为遥控采矿或无人采矿提供信息保障。此外，还要在3DGM的基础上，基于统一的时空参照、元数据和编码，根据需要将上述多源异质数据进行有选择的融合和分类，形成无缝无斥的数据组织。数字矿山的特征186)以MGIS为“调度”DM是以MGIS作为矿山整体信息与办公决策的公共载体和总“调度”。在统一的时空间参照下进行采矿动态组织与管理，并调度和控制各类“车辆”与设备的使用和运行、“货物”的制造、管理与包装等系统功能。面向21世纪DM的MGIS系统应该是一个能为采矿业提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化、分析与决策支持的复杂巨系统。数字矿山的特征19它允许在2D或3DTIN表面上叠加影像、图片、测量数据、地震资料、纹理及其它数据。它应具有3DGM整合、3D空间网络分析、多目标决策分析、飞行模拟等基本功能，并实现以下应用功能：辅助勘探、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、地质统计、地下水模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、支持复垦规划、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等。数字矿山的特征数字矿山建设层次在建设初期，首先是要开发矿业地理信息系统(MiningGeographicalInformationSystem，MGIS)，并围绕矿山的重大技术需求和关键问题进行专业模块开发和应用。

第一层次：“无路无车”。第二层次：“有路无车”。注重了硬件投资，忽视了应用软件和信息资源的开发、应用和管理，导致没有形成符合本企业实际的软件体系。第三层次：“车货不一”。缺少全局性统筹规划，各矿在软件选型和数据格式方面各自为战。各个矿山之间，甚至矿务局内部之间数据格式不一，无法共享信息。第四层次“车货统一”；在各矿、局、省、全国按4种模式来组织矿业信息化建设，并且要按照DE和DC的要求和规则逐步建立DM。数字矿山功能内涵①实现全方位的数据存储、传输和表述。对矿区地貌和环境、总图布置、矿山地质、开采、加工和经营管理等数据(包括图、文、数字数据)，实现全方位的存储、管理和必要的传输，并能够根据数据的性质和需要提供各种必要的表述形式，如查询、制表，形成地图和二维、三维模型，等等。②优化方法在矿山生产经营与决策中发挥作用。例如，露天开采最终境界的优化、基于配矿和成本的采剥(掘)计划的优化(也叫开采顺序的优化)、最佳工业品位的确定、矿量品位计算、自动化调度、最佳设备更新寿命的优化等。

③

实现各种设计、计划工作和生产指挥的计算机化和自动化。如基于优化结果生成可行的设计与计划方案，基于GPS的露天矿计算机调度系统。④实现生产工艺的自动化。如选厂工艺流程自动控制；单台设备的数据采集、处理和相关控制；设备远程操作(也称无人驾驶)；全自动机器人矿样化验室等。数字化矿山的层次数字矿山系统的七个层次数字矿山关键技术从“硬技术”来看,“数字矿山”的关键技术主要有：高分辨率对地观测技术，精确传感技术、海量数据存储和互操作、计算机宽带网络、虚拟现实等；从“软技术”来看主要有数据挖掘、地理信息系统、决策支持系统和系统集成等。1、高分辨率对地观测技术“数字矿山”的建设需要大比例尺、高精度的数据，目前民用卫星对地观测的最高分辨率可达到1m，这与我国1∶1万比例尺地形图相对应，可以满足大多数矿山用图的需要。对地观测技术将逐步实现多时相、多角度和高分辨率化，构筑数字矿山空间数据。高分辨率的卫星影像还可以作为其它非空间数据的载体和框架，用于实现这些数据的空间定位。

采集手段：数字摄影测量系统，借助全球定位系统(GPS)技术可以进一步提高遥感、遥测数据的精度。数字矿山关键技术2、海量数据存储和互操作

海量数据的存储技术;空间数据，如巷道底板等高线及储量计算图，以及各矿山各钻孔勘探结果、采掘工程实际揭露等资料、大比例尺的电子地图；非空间的，如有关矿山人口、经济、管理、资源、发展等方面的数据。异构数据的共享、动态调用需要互操作技术。

互操作包括两层含义：狭义上说，它是在保持信息不丢失的前提下，从一个系统到另一个系统的信息交换能力；从广义上讲，它是指不同应用（包括软、硬件）之间能够动态地相互调用，并且不同数据集之间有一个稳定的接口。

OGC(OpenGISConsortium)提出的OpenGIS是异构系统之间进行互运算、互操作的规范。数字矿山关键技术3、计算机宽带网络

现在的宽带网络技术已基本能满足数字矿山的要求，但Internet的带宽无法满足“数字矿山”的需求。目前美国已开始建设10G/S字节的传输速率，并把千G级传输速率作为下一代Internet技术的关键。要传输海量数据，进行科学计算，宽带网络便成为“数字矿山”是否能走向实用的关键。数字矿山关键技术4、可视化、虚拟现实技术

可视化是实现“数字矿山”与人交互的窗口和工具，有助于发现隐藏在其中的信息，为决策支持、宏观管理提供更加有力的依据。虚拟现实技术是近年来出现的高新技术，它综合集成了计算机图形学、人机交互技术、传感与测量技术、仿真、人工智能、微电子等科学技术，生成一个逼真的，具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互的动态世界，人们可以对虚拟的实体进行操作，它为人类观察自然、欣赏景观、了解实体提供了身临其境的感觉。数字矿山关键技术5、数据挖掘(DataMining,DM)

关键问题：怎样从“数字矿山”的海量数据中提取人们感兴趣的数据，发现数据之间的关系，甚至是潜在的、未知的数据特征，以提供决策支持的需要。数据挖掘将人工智能、统计、计算机及数据库等技术紧密结合，其方法和技术可以分为六大类：1）归纳学习方法；2）仿生物技术；3）公式发现；4）统计分析方法；5）模糊数学方法；6）可视化技术。数字矿山关键技术“数字矿山”中的数据大多包含空间数据，存储在空间数据库中，它们比一般的关系数据库和事务数据库具有更加丰富和复杂的语义信息。空间数据挖掘是指从空间数据库中提取出用户感兴趣的空间模式与特征，空间与非空间的普遍关系及其他一些隐含在数据库中的普遍的数据特征。利用空间数据挖掘技术，提高“数字矿山”的智能化水平，使“数字矿山”真正成为智能化的空间咨询和决策支持系统。数字矿山关键技术

地理信息系统的空间信息表达和直观表现能力，能帮助人们更好地建立大局观和模拟直接感受。

GIS处理的地理对象，从本质上说是三维连续分布的，而且这些地理对象往往具有时间的属性，实时态，所以需要3DGIS、4DGIS来精确地描述处理这些地理对象。在技术方面，一是基于Client/Server结构，如基于组件式软件技术的ComGIS具有可编程和可重用的特点，推动GIS软件的系统集成化和应用大众化；另一个是InternetGIS或WebGIS，目前实现WebGIS的方法主要有Java编程法、ActiveX法、公共网关接口(CGI)、服务器应用程序接口法(SeverAPI)、插入法(Plugins)等。基于宽带网开放式、分布式、互操作地理信息系统是实现“数字矿山”的关键技术之一。6、地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)数字矿山关键技术7、决策支持系统(DecisionSupportSystem,DSS)

利用现有的各种数据、信息，在综合、全面地分析后，为矿山的规划管理和可持续发展提供决策支持。

决策支持系统是在管理信息系统和运筹学的基础上发展起来的，决策支持系统利用数据库、人机交互进行多模型的有机组合，辅助决策者实现科学决策的综合集成系统。决策支持系统正在向智能决策支持系统、分布决策支持系统、群决策支持系统、高层决策支持系统、以及综合决策支持系统方向发展。数字矿山所需的是空间决策支持系统。空间决策支持系统是面向空间问题领域的决策支持系统，它支持复杂的、结构性较差(如半结构化或非结构化)的空间问题并对此进行求解。空间决策支持系统是决策支持系统与地理信息系统相结合的产物。数字矿山关键技术8、系统集成(SystemIntegration,SI)

“数字矿山”的数据、计算和应用具有分布式的特点，因此需要多数据库、多平台、多技术的集成。系统集成是一种思想、观念和哲理，是一种方法策略，是一种一体化的解决方案。采用集成平台作为“数字矿山”的框架结构具有很多优点：首先集成平台所具有的协调和反馈机制可以使整个系统形成一个有机的整体，完成单独部件不能完成的功能，从而增强系统的整体性。其次，在统一的集成平台的基础上，多种信息可以共享，信息融合和深层次挖掘可以产生大量新的有用信息。第三，减少集成的复杂度。第四，减少各子系统的重复部件，减少系统冗余，保持系统的一致性。第五，便于系统的维护和更新。

数字矿山关键技术此外，各种数据标准的建立、决策模型的管理、信息平台的开发、矿山运行管理技术、以及“数字矿山”的信息安全保障机制等都是“数字矿山”的关键技术。

数字化矿山关键技术攻关内容以功能划分的十大子系统数据获取与管理系统

矿床模型系统

地质模型系统

开采方案整体优化系统

计算机化设计系统

自动调度系统

矿区地理信息系统

选厂数字监控系统

管理及办公系统

决策支持系统

数字化矿山关键技术攻关内容矿床模型系统数字化矿山关键技术攻关内容地质模型系统数字化矿山关键技术攻关内容优化系统数字化矿山关键技术攻关内容设计与计划系统数字化矿山关键技术攻关内容GPS智能调度系统数字化矿山关键技术攻关内容矿区地理信息系统井下数字矿山建设内容井下数字矿山需要研究开发一套高度集成化、无极可视化、实时网络化和管控智能化的矿山开采、管理、决策的一体化系统（和平台），系统应以地下矿床资源信息、开采工程信息、矿岩力学信息等数据高度共享为核心，以真三维矿床实体模型为基础，采用可视化、集成化和智能化技术以及诊断技术，实现地下矿山开采的无害化和科学化。该系统应由以下子系统组成：

提升系统：除大型矿山用ABB公司的提升系统以外，应该注重使用中小型矿山数字化全自动直流提升系统；

供水系统：利用仪器检测各供水管路水压、流量等信息，通过网络和通讯技术，实时监控井下供水情况，及时解决出现的问题；井下数字矿山建设内容

排水系统：完成水泵房的数字化，建立自动控制系统，实现无人职守；

压风系统：数字化空压机的性能，提高补偿系数，实时控制空压机运行情况，实现高效节能的目的；

通风系统：利用仪器检测各通风管路风压、流量等信息，通过网络和通讯技术，实时监控井下压风情况，及时解决出现的问题；

运输系统：采用计算机网络及通讯技术，集中监视和控制井下运输水平的信号系统、铁路道岔等，解决目前井下运输自动化程度低的问题，提高矿山数字化管理水平；

调度系统：数字化重要岗位，实时监控其工作状况，采用相应对策及相应的措施，实现智能化调度系统；

通讯系统：采用泄电技术和小灵通技术，实现井下矿山无障碍通讯和人员定位；井下数字矿山建设内容

应急救护系统：利用智能检测技术，实现井下开采24小时实时连续检测和可视化远程网络管控一体化矿山安全预警和决策支持；

工程力学系统：对矿山开采引起的矿岩活动，如：变形、位移和应力变化等进行实时检测与分析，对可能发生灾害的位置、规模及时间进行预测、预报，达到维持矿山的正常生产秩序并确保人员设备的安全；

质量保证系统：建立高度自动化和实时的矿石自动检测系统，实现减员增效，并借助通讯和计算机网络技术，将检测系统网络化，实现单系统检测数据向控制中心