基于卫星技术的露天矿山数字化信息系统的应用研究

刘海卫，王 洋，吴光玲

（河北省建筑材料工业设计研究院，石家庄050051）

基于卫星技术的露天矿山数字化信息系统的应用研究

刘海卫，王 洋，吴光玲

（河北省建筑材料工业设计研究院，石家庄050051）

简要阐述了国内外露天矿山信息化建设的发展现状，分析了卫星技术、导航定位技术、遥感技术在露天矿山信息化建设中的应用需求与发展前景，论述了基于卫星技术等新技术手段建设数字化矿山综合信息系统的建设思路、实施方案以及对促进矿业及相关产业可持续发展的重要意义。

数字化矿山；卫星技术；导航定位技术；遥感技术；综合信息化系统

1 露天矿山信息化建设国内外发展现状

国外矿山生产部门和相关支持企业在矿山业务中大量运用卫星遥感、导航与通讯技术，不断创新技术手段，研发综合服务平台，开展业务化运行模式，形成了完善的产业链，带动了相关产业经济的增长，产生了巨大的利润，持续不断地推动着矿产行业的迅猛发展。

近年来，伴随着中国经济的腾飞，中国矿业也得到迅速发展，部分大型矿山企业也逐步走上了机械化、现代化、自动化的道路。但总体而言国内大部分矿山企业在矿产资源管理和矿业开发领域仍存在一些认识误区，矿业在发展过程中还存在不少问题。主要表现在大部分企业规模偏小，小型矿山的数量过多，先进技术的利用程度不高，大型机械设备较少，机械化、自动化程度较低等方面，从而导致劳动生产率不高，矿产资源开发利用效率较低［1］。在矿山管理方面，许多矿山对开采进程难以实现实时有效的跟踪和监控，对矿区开采进度、工程车辆、工程人员不能形成有效管理，基本上是干到哪里算哪里，盲目无序的生产方式带来事故的大量发生，效益难以提升。总而言之，矿山整个生产过程中缺乏系统有效的现代化、信息化管理手段，大多数凭经验进行，没有从长远规划、资源综合利用、环境治理、安全保障等综合角度去考虑，导致开采进程中资源大量耗费，造成人力、物力和能源的浪费，同时也带来了环境恶化和安全隐患［2］。

若要改变现状，必须转变管理思想（放弃粗放式的管理模式），实现发展思路的转变是保证矿业可持续健康发展的首要前提，要从只注重矿业发展的速度和经济效益向更为重视矿业的长远发展、资源综合利用、环境保护和安全生产的方向转变，进一步加强矿产资源综合利用与资源节约的一致化、资源开采与环境治理的一致化、精细化管理与安全生产的一致化，最终保障矿业可持续发展与社会协调发展的一致性。

2 建设需求、发展趋势与前景

面对现代矿山科学开采和管理提出的新要求，目前国内大部分矿山企业在生产过程中的三个关键环节上不能得到满足，迫切需要来自遥感技术、导航技术、通讯技术等现代空间信息技术的支持，形成新的有效管控手段，从而达到提高矿山生产管理水平、提升矿产挖掘效率、全面监控生产过程的业务专题的目的［2-4］。

1）基础数据。以卫星数据指导的矿山生产的基础就是时效性较强的卫星数据，我国幅员辽阔，矿产资源分布广泛，生产流程各异，必须针对不同的地区、特异的矿种配合其生产流程调配相应的卫星数据。在矿区大规模生产背景下，卫星数据时效性问题带来的对生产过程、环境监测的影响越来越大。公开的免费数据源的时间分辨率和像素分辨率完全不能满足指导矿山生产的需要。因此，迫切需要自主卫星数据的支持，获得能够覆盖目标矿区、能够分辨和指导矿山生产的卫星数据。对于矿山变动比较大的重点区域，还要及时获得高清的卫星图像，对底图进行维护更新。

基于我国自主卫星数据源产品服务体系，利用大范围、高分辨率、多时相的遥感数据，建立覆盖目标矿区范围的，面向不同尺度、不同重要性、不同时间分辨率的数据体系势在必行。

2）矿山生产监控手段。目前主要是依靠人工实施对矿山生产的监控工作。随着矿山规模的增大，矿山设备数据越来越多、分布越来越散，数据的管理、信息的上报、指令的下达等工作任务就会变得越来越困难，同时矿山设备的调动和管理也相应越来越困难。因此，迫切需要“星—机—地”一体化技术、导航技术、网络技术的支持，建立由上而下的方便、快捷的数据分发通道；建立由下而上的矿山设备信息上报通道，为矿山的运行和监控建立数据支撑环境。

3）业务运行系统。目前各业务主题系统化、自动化水平比较低。大部分矿山开采工作多凭经验进行，缺乏从规划设计、采掘进度、环境治理等综合角度去考虑，需要基于卫星数据的统一规划设计、控制采掘进度、矿山环境保护等问题；同时目前矿区开采进程难以实现实时有效的跟踪和监控，结合北斗（或GPS）导航和通讯系统，可以实时监控开采过程，实现矿区开采进度、工程车辆、工程人员的精细管理和控制；目前的粗犷型管理模式下，对矿区开采工作的规划、实施及治理难以实现准确评估，需要在实时更新的底图数据的基础上对生产过程规划、环境治理等进行合理的评估。在矿山管理越来越精细的前提下，矿山采掘过程规划、设备/人员精细化管理、环境评估的应用专题的数据质量要求也越来越高，信息处理瓶颈问题也越来越突出，迫切需要在空间单元的基础上，运用融合空间、时间、数据、信息的系统承载技术，全面升级系统，加速提高矿山运行系统的管理效益。

因此，建设基于卫星应用的矿山综合信息系统，以矿山开采生产管理信息化建设为需求牵引，以提高矿山生产全生命周期的科学规划、科学生产和科学治理为目标，充分利用目前的先进技术手段，整合卫星数据的资源，采用数字化、信息化、网络化等技术手段，建设对矿山地/测/采技术管理、生产监控、车辆信息管理与调度指挥、日常生产管理、生产场景模拟仿真等过程的数字化、可视化、实时化与准确化的生产辅助管理指挥平台，以支撑生产管理人员和技术人员开展工作［5］，实现对矿区全生命周期一体化、生产过程可视化、监控调度实时化、生产信息透明化的先进生产指挥管理能力，建设切合国家绿色环保与经济快速发展的双重要求的、体现信息时代特征的“数字矿山”与“绿色矿山”。

3 技术构架

矿山信息化系统采用四层架构模式，分别为支撑环境（软件支撑环境、硬件设备平台等）、数据层（基础数据、业务数据等）、服务层（可视化服务、计算服务、数据服务等）及应用层（满足矿山开采生产指挥管理业务的应用系统和应用模式）［5］。如图1所示。

按照上述基础构架方案与数字化矿山建设需求，针对矿山信息化系统提出如下技术思路：

1）根据矿山生产的需要，搭建国产卫星接收处理系统。基于国产卫星数据，优化和改进已有的各个生产流程，实现遥感数据指导的采掘规划、配矿管理、车辆指挥、环境评估等业务；实现矿区大范围普查和动态监控，实现对矿区地理环境变化、突发事件应急指挥、重点设备跟踪监控等工作内容的信息持续获取和管理。

图1 数字化矿山建设技术构架Fig.1 Technology frames of digital mine

2）以卫星定位技术与CDMA/GPRS/3G等主要通讯手段和设备为骨架，构建覆盖矿区的监控通讯网络，实现对矿区内生产车辆、重要生产设备及设施的实时监控、调度和指挥。

3）以无线视频监控为主，根据需要在矿区内布设监控点，并将监控图像与矿山精细场景融合，实现对矿区内生产人员、生产设备、重要点位等情况的实时监控和报警，并能够有效应对突发事件。

4）以三维地理信息系统GeoVis为矿山信息化系统的时空环境承载框架，实现集团化矿山分布的三维展示、矿山三维精细场景仿真、采区智能生产监控、数据综合管理等内容。

数字化矿山建设总体思路如图2所示。

图2 数字化矿山建设总体思路Fig.2 General idea of digital mine

4 矿山信息化系统构成

依据对矿山信息化系统的建设需求与建设目标的分析，本系统由四部分构成，即卫星数据获取/处理系统（矿区生产环境数据服务-无人机数据获取）、地矿信息模拟仿真与开采技术管理系统、矿区智能生产管理系统、集团化数字矿山信息化管理平台［5］。

矿山信息化系统构成框架如图3所示。

图3 矿山信息化系统构成框架Fig.3 Frame of mine digital information system

4.1 卫星数据获取及处理系统

利用卫星采集的航拍数据快速构建矿区三维场景，结合小型无人机航拍技术获取矿区精细场景高分辨率的航拍数据，为数字矿山管理平台、矿山精细场景构建模块提供数据基础，掌握矿区挖掘变化情况［2，4］。包括卫星数据接收/处理模块、无人机航迹规划/数据更新模块、数据分发模块三部分，主要功能如下：

1）卫星数据接收/处理模块：根据矿山生产规划，选择接收或购买矿山所在地的国产卫星数据，进行卫星数据的接收和处理。

2）无人机航迹规划/数据更新模块：在国产卫星数据基础上，结合矿区内无人机遥感数据，进行DEM提取，拼接生成矿山精细三维可视化模型［2］，用于指导矿山矿产储量分析及搭建虚拟现实模块，提供基础数据。

3）数据分发模块：根据集团矿山分布，自动或手工向各分公司及矿山分发所在地不同时期的卫星数据、无人机航拍数据［2，4］，用于对比分析。

4.2 地矿信息与开采技术管理系统

矿山地矿信息与开采技术管理系统是一套完整且全面的地、测、采地矿信息数字化解决方案，在遥感数据的基础上整合地矿信息数据，通过地矿信息处理、展示与真实信息的融合，全面实现了从矿床地质建模、矿山品位分布、矿层分布、储量计算、测量数据的快速成图、开拓系统设计、开采仿真、爆破设计、露天矿开采设计、配矿规划、采掘进度计划网络解算与优化到各种工程图表的快速生成等工作的可视化、数字化与智能化。极大地提高地质工程师、测量工程师、采矿工程师在生产管理过程中的技术信息交流水平和工作效率［3，6］。

1）数字化地矿信息软件平台

可采用目前国内矿山领域常用的几款数字化矿山软件平台，如Dimine、3Dmine、Surpac、Micromine等。上述数字化矿山软件平台基本上都可以实现地矿信息快速录入与管理、三维建模、采矿规划管理等主要功能。

2）采掘进度计划

矿山采掘计划编制是建立在矿山三维矿体地质数据库基础上的，通过计算各类矿物成分在矿体中的空间分布，宏观把握各矿物成分的空间分布规律，根据生产台段矿量及矿山生产能力，合理确定采场台段推进方向、推进速度和台段下降速度；通过在数字化矿山软件平台中对台阶推进速度进行反复调试与优化，以实现与矿山生产能力相匹配，为矿山生产配矿搭建良好的基础平台［5，7］。

3）生产配矿管理

基于矿山三维数字化地矿信息平台及矿山中长期采掘计划，构建生产配矿管理模块，根据矿山企业对矿石质量的要求，确定采场不同工作区域间的铲装比例，实现矿山生产中高品位矿石与低品位矿石、矿石与废石间的合理搭配，变废为矿，使矿山实现“零污染”和“零排放”。

4.3 矿区智能生产管理系统

1）矿区智能监控及安全生产综合调度系统

在露天矿山建立一整套包括矿区视频监控、车载终端监控、车载卫星定位、矿石品位监控、生产调度等在内的矿区智能监控及安全生产综合调度系统［8］，用于加强矿山生产管理，对采矿场范围内的生产状态和主要设备运行情况进行实时监控管理。实时监控的采矿设备包括钻机、铲装设备、矿车、推土机、破碎机等。

通过智能调度系统和车载智能终端，实现与配矿系统对接，根据生产计划发布调度指令，指挥矿山机械进行生产，并实时跟踪生产数据［9］。

2）虚拟现实模拟仿真系统

基于卫星遥感成像技术和虚拟现实技术，利用高精度DEM数据、无人机航拍数据、道路网等地理信息数据快速构建矿区高度逼真的精细三维场景［2］，使矿山生产场景真实再现于矿山生产调度中心大屏幕上，以三维可视方式如实地反映矿山地形与地貌、建构筑物、道路、设备运行状态等矿山日常生产场景的模拟仿真，为矿区可视化监控提供全幅场景动态监控手段，同时根据实时回传的卫星定位信息，模拟车辆生产实况，并加载安全监测、监控、报警功能。

3）日常生产综合管理平台

质量管理：将伽马射线仪检测的矿石品位定时传递到生产调度控制中心，协助质量调度人员进行自动出矿品位登记和监控管理。

产量自动计量：自动记录每辆矿车的装车地点、卸车地点及运行路线，从而可自动计算出各车辆巡点、巡线、挖掘机产量、各运输矿车产量及运行吨公里等［8］。

生产状态查询：可以随时查询车辆编号、司机、班次、当前产量、月产量、油耗、单耗等详细信息，查询设备工作状态，例如：皮带运转情况（是否运转、时间等）、破碎机运转情况（班产量、日产量、时间）等［］。

交接班管理：系统自动记录交接班情况，司机上岗和下班时间，通过与车载监控系统接口，记录每位司机的车次、产量等信息。

维修及油耗管理：系统记录维修及油耗信息，通过手工输入或者外部接口，记录维修时间、维修车辆、维修内容等信息，以及每辆车的各种油品消耗信息。

智能IC卡加油系统：通过数字化改造原有加油站和加油车，司机手持IC卡自助加油，实现对油品、油站、加油车、加油量的全面管理，自动统计车辆油耗，生成各种报表［8］。

统计报表：根据矿山要求进行各班统计报表制作及任意时间范围内的相关查询统计处理（如生产调度图表、设备调度图表、产量报表、维修报表等）［8］。

安全统计分析：分析矿山安全生产工作情况。可以按“部门”或者“工种”和时间段分别进行统计分析。

4.4 集团化数字矿山信息化管理平台

集团化数字矿山信息化管理平台，基于数字地球，在统一的时间坐标和空间框架下，应用卫星技术实时采集矿区数据并快速三维可视化，实现集团下属所有矿山分布的可视化管理，综合查询各下属分公司上报数据，并提供强大的应用工具池：查询检索、统计分析、标注标绘、空间量测、空间分析，服务于集团决策管理层。

5 结论

基于卫星应用的矿山综合信息系统及矿业统计快速调查综合服务平台的建立，对于从根本上改进矿山开采生产管理，促进矿业健康、可持续发展，推进自主卫星产业化等方面具有重大意义［5］。

一是可以全面提升矿山管理水平，实现对矿区全生命周期一体化、生产过程可视化、监控调度实时化、生产信息透明化的先进生产指挥管理能力，切合国家绿色环保与经济快速发展的双重要求。

二是贯通了矿山管理业务系统全流程，实现了业务基础的根本性转变，将矿山管理变成看得见、找得到、指挥得动的空间化基础单元；将传统的管理模式升级为融空间、时间、数据、信息等为一体的，处理海量数据能力强、反映速度快、处理效率高的，基于自主卫星技术、导航技术的卫星应用的矿山综合信息服务平台，这是对现有业务模式的变革，真正意义上实现了卫星应用的矿山综合信息化。

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Application study on open-pit mine digital information system based on satellite technology

LIU Haiwei，WANG Yang，WU Guangling
（Hebei Design ＆Research Institute of Building Materials Industry，Shijiazhuang 050051，China）

The paper briefly reviews the current development of open-pit mine information construction at home and abroad，analyzes the application requirements and development prospect of satellite technology，navigation ＆positioning technology and remote sensing technology in open-pit mine information construction，discusses the general idea and executable scheme of the construction of digital mine integrated information system based on new technology such as satellite technology，and explains the important significance of promoting the sustainable development of mining industry and related industries.

digital mine；satellite technology；navigation and positioning technology；remote sensing technology；comprehensive information system

TD679

Α

1671-4172（2015）03-0004-04

刘海卫（1979-），男，工程师，硕士，采矿工程专业，主要研究方向为露天矿山开采技术及矿山管理、矿山数字化与信息化技术、爆破技术。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.002