基于二三维与全景一体化的数字矿山综合管理平台研究与应用*

疏礼春

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，1000133.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·机电与信息化 ★

基于二三维与全景一体化的数字矿山综合管理平台研究与应用*

疏礼春1,2,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，1000133.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013)

针对当前数字矿山综合管理平台多采用三维建模方式实现矿山场景及监测监控数字化现状，提出了基于二三维与全景一体化的数字矿山三维综合管理平台，介绍了该平台的架构、功能以及关键技术，最后阐述了该平台在王坡煤矿的实际应用情况。实际应用表明，该平台实现了矿山企业减人增效和提升安全的效果。

数字矿山 二三维与全景一体化 综合管理平台 数据融合

近年来，二三维GIS在数字矿山系统建设中有着广泛的需求和应用前景。数字化矿山的核心任务是建立统一的矿山时空框架，整合各类矿山数据资源，建立数字化的矿山空间数据仓库和集成化的矿山实景三维空间模型，关联矿山各类软件系统与数据流程，为矿山设计、生产作业、安全管理、应急救援等提供基础平台和决策支持。

利用二三维地理信息系统和全景系统作为支撑工具，构建二三维与全景一体化的数字矿山综合管理平台，将矿山地形地貌、地表设施、井巷工程、矿山地质等空间构造在平台中真实再现，同时将矿山监测监控、生产自动化、风险预控、生产调度管理、地测管理等系统的实时和动态监测监控数据、生产数据、设备信息、人员信息、管理信息等植入平台，从而构建成能真实反映煤矿复杂生产环境和状态的实景三维数字矿山，实现动态监测监控、信息跟踪、多系统互联互动和数据融合分析等功能，为矿井的日常监测监控以及调度管理提供信息支撑，各专业部门能够通过综合管理系统获取本部门所有与安全生产有关的信息，在突发事件下为决策者提供全面的应急决策信息支持，最大程度地降低发生事故的概率和减少事故造成的损失。

1 数字矿山综合管理平台架构设计

数字矿山综合管理平台架构包含数据资源层、数据中心层以及平台功能层3层，其架构图如图1所示。

1.1 数据资源层

该层为平台提供数据源的4类系统，包括监测监控类系统、生产自动化类系统、安全生产管理类系统、地测类系统。通过制定的煤矿监测监控异构系统集成规范，利用TXT或XML文件作为数据接口，平台能够实时动态采集各类监测监控系统数据；通过OPC接口方式，平台能够实时动态采集生产自动化类系统数据。通过ODBC接口方式，平台实时采集安全生产管理类、地测类系统数据。

图1 基于二三维与全景一体化的数字矿山综合管理平台架构图

1.2 数据中心层

该层主要包括实时数据库、关系数据库以及空间数据库，开发针对各类系统的数据采集及解析软件，通过OPC方式采集的数据存入实时数据库，TXT或XML文本文件数据存入关系数据库，井上和井下空间三维建模及全景影像数据存入空间数据库，数据中心层可对煤矿上级单位提供多种形式的数据接口。

1.3 平台功能层

该层以二三维地理信息系统和全景系统为支撑工具，开发了矿区地理信息三维可视化、安全生产监测预警、多系统联动、数据融合分析等功能模块。整个平台可供调度室集中监测监控和生产调度管理使用，同时可通过权限管理给各个专业部门提供所关注的信息，还可以与其他生产设计和经营管理类系统互联互通。

2 数字矿山综合管理平台数据中心

数字矿山综合管理平台的数据中心建设包括信息采集与处理系统、存储生产自动化类系统的实时数据库、存储监测监控类和管理类系统的关系数据库以及存储模型文件的空间数据组成。

2.1 实时动态数据采集与处理

信息采集与处理软件主要包含基于文件、OPC、ODBC三种方式的数据采集与处理软件。采用文件交换方式采集矿山安全监控、人员定位、产量监控、顶板压力等监测监控系统数据；采用OPC方式采集综采监控、带式输送机监控、主副井提升监控、供电监控、洗煤厂监控等生产自动化系统数据；采用ODBC方式采集风险预控、生产调度、地测等管理系统数据，监测监控、生产管理、地测系统数据解析后进入数据中心关系数据库，生产自动化系统数据解析后进入数据中心实时数据库，三维模型数据直接存入空间数据库。整个信息采集与处理过程包括数据读取、传输、接收、存储、缓存、安全等环节。

(1)数据读取。信息采集与处理软件实时监视煤矿各个系统按照数据集成规范提供的接口数据，并对数据进行格式校验和错误检查，而后交由数据上传模块进行发送。

(2)数据传输。采用高效的网络异步通信技术对实时采集的数据进行传输，传输模块重点考虑时间同步性和断点续传。当数据读取模块发现有数据来源，立即把这些数据通过网络发送至数据接收模块。

(3)数据接收。数据接收是采集数据的关键环节，在数据接收模块需要重点考虑数据的并发处理能力和高效性，采用多线程的并发数据处理模式。数据接收模块收到数据后按照数据集成规范进行解析，然后采用批量方式集中写入到数据中心各对应的数据库中。

(4)数据存储。数据存储采用能大规模响应的网络数据库，从各个系统采集过来的数据会安照一定的规则存储到数据库中，重要数据会存储5年以上，为了节省存储空间，采集软件会把一些过期或无用的数据定期进行自动清理以加快系统的运行速度。

(5)数据缓存。数据传输时具有数据缓存能力，能够保证不会因通讯故障等原因而导致数据的中断或丢失。

(6)数据安全。数据在传输过程中采用加密机制，防止数据被篡改对系统存在潜在威胁或攻击。

2.2 静态数据采集与处理

静态数据主要包括井上井下全景影像数据、图纸文档数据以及三维模型数据等。全景影像数据采集包括地面影像数据采集和井下影像数据采集，地面采用背包式全景采集相机进行采集，根据矿山工业广场平面图事先规划采集点，采集点主要布置在矿区的道路上，采用GPS坐标进行采集点的定位工作。由于井下无GPS信号，巷道全景影像数据采集采用坐标基点的方式，然后在自主研发的三轮车上安装里程计，采用定点的方式进行采集。工作面、掘进头及硐室等采用三脚架全景相机的方式采集。采集完的全景影像数据，采用自主研发的数据生产软件进行全景影像与地面坐标点的匹配数据生产工作。图纸文档及三维模型数据采用FTP方式直接上传到对应的数据库存储即可。

3 数字矿山综合管理平台功能设计

数字矿山综合管理平台通过融合矿区的地理信息、井上井下场景、地质体及动态监测数据等多维度信息，进行统一的动态监测，实时动态感知矿山安全生产态势，主要功能模块如下：

3.1 矿区地理信息三维可视化模块

该模块通过加载矿区高精度地形数据，将矿区地形地貌、矿区所处地理位置及其周边地形地貌清晰再现，融合交通道路、河流、植被、村庄等，可为矿区后期的整体规划、设计和维护提供基础地理数据。在矿区地形图上显示矿界以及井下采掘图在地面的逆投影，从地面就可以看出井下巷道的布置、采空区、工作面等位置，为矿区的规划设计提供决策参考。通过井上井下对照，可以查询出井下任意巷道位置对应地表的垂直位置坐标，为井下救援打孔时定点定位提供支持。

3.2 井上井下场景三维可视化模块

该模块基于矿区现有的地面工业广场图纸，整合现场采集的数字化信息，构建实景三维矿区场景，工业广场以及井上井下设施等均按照实体建模，井上井下重要位置用三维实景的形式呈现。该模块提供场景编辑和维护功能，用户可以根据需要调整设备位置、添加新设备、更新掘进巷道和回采工作面位置等，对照井下生产进度来调整场景保持对应一致。

3.3 矿山地质体三维可视化模块

该模块通过对矿山现有勘探、钻孔、采掘工程、水文地质等地学数据进行整合分析，生成三维地形、地学构造、煤层空间拓扑专题数据，结合地质学算法拟合生成实景三维矿体和地质构造模型；用户可在地表上任意地点剖切查看地下的岩层和煤层构造等，以分层抽取方式展现煤层和岩层等地质层次，并能够可视化展示陷落柱、积水区、断层、地质瓦斯含量等地质构造位置及空间分布，并可查询井下任意位置周边存在的陷落柱和积水区等地质构造，对在该区域进行掘进和回采作业的班组进行预警提示。

3.4 安全生产动态监测预警模块

该模块通过对矿山标准化数据集成规范，将现有系统的数据和信息从不同的专业系统和不同的应用平台进行整合，同步提取各系统中实时动态监测数据以及隐患报警数据，具有监测点数据大幅度变化预报警提示功能。结合数据显示和定位等服务功能，在监测点报警的同时能快速定位到报警位置以及周边三维场景，并自动触发对该隐患信息相关联的信息，逐项排查，确定问题发生的原因，实现隐患数据的综合监测分析，帮助调度人员和管理者寻找解决方案。

3.5 生产工艺流程仿真模块

该模块依托矿山实际的生产工艺，采用虚拟现实技术，综合应用三维动画和同步语音等技术，以动态可视化的形式再现井下采煤、煤流运输、通风、洗煤、绞车提升等工艺流程，为矿山各个专业员工的安全培训提供可视化教材。

3.6 数据融合分析模块

该模块对井下环境监测易报警位置进行自动筛选、重点监测以及特征分析，为相关部门和工作人员采取针对措施提供决策支持。该模块对井下传感器校验报警数据与真实报警数据进行自动辨识，并根据矿井采掘图生成井下巷道网络拓扑图，结合井下巷道3D GIS数据、实时动态环境监测数据以及井下作业人员位置等信息，动态规划井下避灾路线，自动图文提示最优避灾路线及长度。

3.7 多系统联动模块

该模块实现安全监控、人员定位、视频监控以及扩播系统之间的联动，自动提示瓦斯报警、CO超限信息、人员信息以及视频监控画面，报警信息自动传送到扩播系统进行广播，通知特定区域人员撤离，并在井下逃生指示牌中显示避灾路线。

3.8 辅助决策模块

在统一的时间与空间框架下，以安全、生产和管理为主线对信息进行全面、有序、高效整合、挖掘和分析， 实现矿区地理信息、矿山地质体以及井上井下场景三维可视化、生产工艺流程仿真、安全生产综合监测预警以及数据与场景融合，满足矿山企业通过一个平台进行全矿生产过程的集中监测监控和调度管理的需要。各个专业部门通过平台可以掌握本部门关注的监测监控、设备实时运行状态以及生产管理信息，通过多个系统融合的数据以及多维度的挖掘分析进行监测监控、井下避灾和应急演练等辅助决策。

3.9 基础数据管理模块

该模块实现井下设备资料的管理，包括设备基础信息、部署位置、厂商资料和主要技术资料等，为设备维修提供基础。

3.10 运维管理模块

该模块实现井下巷道及机电设备的检修和维护记录以及监控中心值班信息的管理，包括维修和改造信息管理、维修改造计划、维修改造记录以及统计维修改造信息等功能，可以自动生成运维报表，并可进行导出和打印。

3.11 应急管理模块

该模块实现应急物资管理、应急队伍管理以及应急预案管理，支持新增、编辑、删除、查看详情等功能，支持文档的上传和下载。

3.12 图档管理模块

该模块实现矿山设计和维护阶段相关的各类纸质或电子图档资料的管理，包括项目准备阶段文件、监理文件、施工文件、竣工验收文件、竣工图、地下设施竣工测量成果以及电子文件等，并提供上传、存档、查看和下载等功能。该模块能够提高图档管理工作的效率，确保各种工程图纸和各阶段文件的完整性管理，便于查阅和使用图档资料。与此同时，图档可与具体的三维模型挂接。

4 数字矿山综合管理平台关键技术研究

4.1 井下地质体精细化建模及快速更新技术

研究通过地测的钻孔、采掘图以及测量等数据构建精细化三维地质体模型；研究通过地测管理系统自动更新平台中地质体、工作面以及掘进头等信息；研究通过地质体剖切查看井下断层的走向以及巷道顶底板在煤层和岩层的走向，为井下采掘工作提供地质三维可视化技术支持。

4.2 井下全景影像采集技术

研究井下低照度环境下全景影像的采集技术，研究无GPS信号情况下全景采集点与井下采掘图点对点匹配技术，研制基于防爆三轮车(加装里程计、全景相机和照明装置)的井下巷道全景采集装置，研制基于三角架、电动云台和单相机的采掘面、硐室全景采集装置，实现井下影像的高效采集。

4.3 井下全景与GIS集成技术

通过二维GIS软件转化煤矿采掘图为二维GIS图，通过研发全景数据生产软件在GIS图上绘制全景影像采集轨迹线，实现任意条巷道的全景点可平均固定到各条轨迹线上，实现全景影像与巷道固定位置的关联。

4.4 多系统之间的联动技术

在数据融合的基础上，通过二三维GIS空间信息自动计算井下重要位置瓦斯传感器周围一定距离的人员定位分站、广播以及摄像头的位置，当瓦斯报警或短时间上升幅度过大时，平台自动进行报警提示，同时关联广播通知区域内人员进行撤离，并自动弹出区域内视频监控画面。

5 数字矿山综合管理平台应用效果

山西天地王坡煤业有限公司生产能力为 300万t/a，井田面积为25 km2，地质储量为2.96亿t，属于高瓦斯矿井。矿井安装了安全监控、人员定位、紧急避险、通信联络、压风自救和供水施救等安全避险六大系统以及综采监控系统、主通风机监控、副井提升监控和选煤厂监控等生产自动化监控系统，具备平台建设条件。2014年5月，公司启动了数字矿山综合管理平台建设，2015年11月，该平台建设完成并进行了实际应用。该平台实现了公司井下地质体的精细化建模及三维可视化展示，建立了矿井9个标志性岩层，3个主采煤层的地质可视化，包含煤层中的断层、陷落柱、瓦斯含量分布以及煤层等高线等，并可进行地质体剖切，为井下采掘巷道布置提供决策支持。在二三维与全景一体化集成场景中实现15个系统联合监测、一张图监控、多系统互联互动以及数据与场景融合，达到了高效监测、自动定位报警地点以及自动提示可能报警原因等效果。通过实时动态采集的多系统数据进行融合分析，融合井下实时监测数据与巷道空间拓扑的避灾路线实时动态规划与发布，对设备耗能情况以及人员生产绩效进行了综合分析，实现了设备能耗以及人员绩效的可视化管理，为提高管理方式和方法提供了支持。

[1]毛善君．“高科技煤矿”信息化建设的战略思考及关键技术．煤炭学报，2014(8)

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(责任编辑 路 强)

Research and application of digital mine integrated management platform basedon integration of two or three dimension and panorama

Shu Lichun1,2,3

(1. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Chaoyang, Beijing 100013, China)

For the current situation that digital mine integrated management platform often use 3D modeling method for digitalization of mine scene and monitoring and inspecting, digital mine 3D integrated management platform based on integration of two or three dimension and panorama was proposed. The framework, functions and key technology of the platform were introduced, and the practical application condition of the platform in Wangpo Coal Mine was elaborated. The results showed that the platform realized efficiency increasing, payrolls downsizing and safety promotion.

digital mine, integration of two or three dimension and panorama, integrated management platform, data fusion

国家科技重大专项项目(2016ZX05045007)

TD-9

A

疏礼春(1981 -)，男，安徽安庆人，工程师，硕士，主要从事煤矿信息化类软件的设计及开发研究工作。