煤矿智慧矿山三维智能管控系统设计与实现

2021-07-29安鱼飞

中国煤炭 2021年7期

安鱼飞

(中煤航测遥感集团有限公司智慧矿山分公司，陕西省西安市，710199)

1 系统需求分析

煤矿智慧矿山三维智能管控系统运用三维建模将煤矿的矿区地表环境、勘探钻孔、采掘、通风、运输、排水、机电以及“六大系统”的设备等大量的煤矿生产场景构建三维模型，直观真实地反映各管理要素的空间位置关系和数据关系，直观动态地反映全矿安全、生产、经营状况，为安全生产管理者提供动态辅助决策支持。

系统基于动态三维模型建模技术，融合煤矿安全、生产、经营的结构化和非结构化数据，构建包含煤矿井上下一体化的矿井采、掘、机、运、通各专业模型，实现全矿井“监测、控制、管理、保障”的一体化动态管理。真实反映各管理要素空间的位置关系，动态监测与控制煤矿的矿区地表环境、地质勘探、开采与掘进、设备管理、工业广场等数据与变化情况，提升煤矿安全、生产、经营管理水平，提升生产效率，为数字化煤矿、智慧矿山建设提供有力支撑[1-2]。

系统能够利用卫星数据和数字高程模型制作井田地面三维模型、地面工业广场模型；利用二维矿图转换井下三维采掘工程模型；同时能够制作大型机电设备模型、各类分站传感器模型等。系统地分析储量、生产调度、安全监控、人员定位、视频监控、通风、排水、运输、智能工作面、压风、供水、应急救援、通讯等20余个子系统，能够实时了解井下设备布置及实时采集数据，并在三维管控系统中展示和管理[3]。

2 系统架构设计

2.1 总体架构

煤矿智慧矿山三维智能管控系统综合利用虚拟现实与仿真、GIS、数据库、网络通信及硬件集成等技术实现矿山生产环境、生产系统、人员和设备状态的实时高仿真显示，为矿山的集中监控提供一种新的解决方案。系统总体架构主要包括监测监控层、网络传输层、数据中心层、业务应用层4个层面。煤矿智慧矿山三维智能管控系统总体架构如图1所示。

图1 煤矿智慧矿山三维智能管控系统总体架构

(1)监测监控层。该层主要包括采掘生产一线的自动化系统和监测监控系统，包括各类控制系统、传感器和分站等，要求协议开放，便于集成，主要承担末端数据采集与控制。

(2)网络传输层。该层主要包括工业环网、通讯网络、无线网络、音视频传输网、安全监测网等，主要承担数据传输与网络应用。

(3)数据中心层。该层主要在建设数据仓库的基础上提供信息存储和数据融合服务，确保数据一致，并建立关联度高的资源、生产、安全等领域信息的完整检索机制，形成一致标准的主流信息，保证各专业领域信息服务的完整性；融合结构化数据和非结构化数据，以不同级别的索引建立标准化数据间的关联；在时间深度和业务宽度与跨业务广度这3个维度中建立具备相当厚度的数据体，以地理分析和数理分析为工具提取共性信息和关联信息。

(4)业务应用层。该层在智慧矿山标准规范及信息交换共享的基础上，依赖一张图管理、三维GIS、综合集成系统等构建煤矿业务应用，并协同管理。三维GIS平台集成安全监测监控、人员定位、视频监控与自动化控制等系统，实现数据展示、数据分析与位置服务，并实现场景的三维可视化、综合集成、智能管控与报警联动，提供综合监测、安全管理等业务应用。煤矿智慧矿山三维智能管控系统分为集团端应用和矿端应用，集团端应用主要有三维一张图管理、智慧矿山集成平台、大数据分析。矿端应用主要有调度指挥、信息管理、生产监测、应急救援指挥等。

(5)终端用户层。该系统可以应用在集团公司、业务处室、下辖机构、关联单位等。分层、分级别、按照使用权限管控安全和生产数据。集团公司用户主要管控公司各业务处室、下辖煤矿的生产安全汇总数据。公司业务处室管控各下辖煤矿的某一类数据，如各矿的生产技术类、安全管理类数据等。下辖煤矿管控本矿的所有安全生产数据。关联单位，如运输合作单位等，管理与其业务相关的数据。

2.2 功能架构

煤矿智慧矿山三维智能管控系统在具有真实坐标位置的三维环境中，动态仿真、直观展现煤矿工业广场、勘探钻孔、采掘工程、通风、机电、运输、通讯、安全监测、人员定位、给排水等多个要素，并接入以上管理要素的实时数据和变化情况，动态掌握全矿的安全、生产、经营的实时状态，同时最大限度地挖掘和发挥煤矿数据的潜能和作用，并贯穿于煤矿规划、生产与安全管理等全过程，实现矿山的科学决策与现代管理。煤矿智慧矿山三维智能管控系统功能架构如图2所示。

图2 煤矿智慧矿山三维智能管控系统功能架构

煤矿智慧矿山三维智能管控系统以协同应用为目标，集成接入煤矿综合自动化数据，监测与控制各自动化设备，实时监控井下瓦斯、水、火等安全隐患和温度、氧气、一氧化碳等环境数据；集成自动化系统和信息化平台实现远程控制，对各类安全隐患进行实时报警和预警。煤矿管理人员可以通过煤矿智慧矿山三维智能管控系统进行生产调度指挥，对各类安全隐患按照应急预案及时处理，也可用于矿井灾害的应急抢险救援[4]。

3 系统设计与实现

煤矿智慧矿山三维智能管控系统运用矿井三维地理信息数据集成技术，包括三维数据处理、三维漫游浏览、资源储量管理、生产仿真与管理、通风动态管理、“六大系统”监测、事故模拟与分析以及应急救援指挥等模块[5]。

3.1 三维数据处理

该模块进行煤矿数据管理与处理，构建煤矿三维基础平台，运用煤矿三维GIS实现煤矿地表、工业广场、勘探钻孔、煤层、采掘工程、机电设备、通风、排水等生产管理要素数据处理并三维建模，支持随采掘情况变化的模型位置动态实时更新。

3.1.1 矿区环境三维可视化

矿区环境三维可视化是利用卫星遥感影像、无人机航拍正射影像图、数字高程模型建立矿区地表模型，使用无人机倾斜摄影建模技术建立工业广场、地面建筑和其它地理要素模型，然后在三维GIS中建立三维场景[6]。工业广场模型界面如图3所示。

图3 工业广场模型界面

3.1.2 采掘工程与煤层三维建模

采掘工程与煤层三维建模是利用采掘工程平面图建立采掘工程、井下硐室模型，并可随着采掘工程平面图的更新动态更新模型，构建可采煤层、采煤工作面等模型和断层、陷落柱等地质环境模型，基于已有勘探钻孔资料、煤层底板等高线等制作钻孔三维模型和煤层三维模型[7]。以煤矿采掘工程平面图或井下巷道测量导线点数据为基础，通过转换构建井下三维采掘工程模型，根据采掘工程图及生产接续计划等制作工作面、采空区等三维模型[8]。钻孔三维模型和煤层三维模型界面如图4所示，采掘工程模型界面如图5所示。

图4 钻孔三维模型和煤层三维模型界面

图5 采掘工程模型界面

3.1.3 机电设备建模

机电设备建模是构建综采、通风、供配电、排水、运输等系统的主要机电设备模型，包括地面风机模型、井下机电硐室、水泵房、井底车场、回采面、综采设备、带式输送机、各类供水管道、压风管道模型等。液压支架和刮板输送机模型界面如图6所示。

图6 液压支架和刮板输送机模型界面

3.2 三维漫游浏览

3.2.1 基本操作功能

(1)图层管理。图层管理包括对地理空间要素分层管理、开关图层、设置图层属性等。

(2)空间查询。空间查询包括地图上设定一个点位进行查询、地图上在指定的位置画一个圆查询圆内的地物要素、三维场景中在指定的区域绘制一个矩形框查询相关的地物要素。

(3)热点定位。热点就是在三维场景点定位后，这个点就具备了鼠标操作的各种事件。例如：某个设备在图形上定位后，鼠标移到这个设备上，点击热点图标，就可以查询该设备的相关信息。

(4)主要素检索。主要素检索就是对用户所关心的信息如巷道、钻孔、工作面、监测点等进行查询搜索的功能，查询的结果可以在三维场景中定位，同时也可以展示相关的属性信息。

3.2.2 信息查询功能

信息查询功能能够实现各类设备、管路、设施静态信息查询，包括安全监测、人员定位、压风压力、注水压力、水仓仓位、电力开关参数、带式输送机参数状态、仓位等各类工业自动化实时状态参数查询。

信息查询可按照数据层级查询统计分析，以曲线、报表、图形等方式展示。在链接了各生产子系统实时工业数据库后，可查询各子系统动态变化信息，并可通过自动化子系统实现各类机电设备的远程控制。信息查询界面如图7所示，井下主排水系统监测界面如图8所示。

图7 信息查询界面

图8 井下主排水系统监测界面

3.3 资源储量管理

该模块不仅管理矿区范围内各可采煤层资源储量、各采煤工作面资源量数据及统计数据、各工作面回采资源量及剩余资源量等，并结合原煤产量自动计算工作面回采率，同时也管理可采煤层、工作面、断层、陷落柱等地质要素，各地质体可独立操作，便于空间分析计算和制图输出。资源储量管理界面如图9所示。

图9 资源储量管理界面

3.4 生产仿真与管理

该模块直观展示矿井生产信息并可基于三维模型进行实时管理，形成生产动态采掘工程三维模型，动态展示与管理工作面回采的实时位置和进尺等信息以及巷道综掘的实时位置和进尺，并动态生成各类生产报表。该模块可以和智能工作面的自动化控制系统集成，三维展示智能工作面的实时生产数据。在三维模型上动态管理综掘、回采、运输、排水、通风等系统的实时生产情况，方便领导辅助决策分析。三维模型可根据调度管理报表的数据动态更新，反映最新的回采进尺和综掘位置[9]。生产管理及工作面回采进尺管理界面如图10所示。

图10 生产管理及工作面回采进尺管理界面

3.5 通风动态管理

该模块能够三维动态显示矿井通风系统信息，用户可以查询进回风路线、实时风量大小、测风站、局扇、通风构筑物及风机所在位置、风机实时运行参数等。井下通风监控三维管理界面如图11所示。

图11 井下通风监控三维管理界面

3.6 “六大系统”监测

实现煤矿“六大系统”中各个系统数据的信息管理、动态模拟和实时查询，以及各系统监测指标的即时分析计算和预警分析等，为矿井安全生产提供技术保障[10]。

(1)安全监测监控系统。以采掘工程三维模型为基础，自动导入传感器三维模型位置，通过软件服务接口接入安全监测监控系统的实时数据和报警数据，自动生成报表，与其它系统实现关联分析，实现矿井安全的三维态势感知。监测传感器模型及实时监测监控界面如图12所示。

图12 监测传感器模型及实时监测监控界面

(2)人员定位系统。以采掘工程三维模型为基础，自动导入人员定位基站、人员和车辆的实时位置，统计显示全矿井井下人员总数、各盘区人员分布，不仅能够实现查询人员信息(姓名、部门、入井时间、卡号等)、下井累计时间、回放人员历史轨迹，而且能够实现下井超时报警、人员求救报警。该模块不仅能够实现考勤管理，可以按班组、工种等要素统计考勤，而且可以实现车辆超速报警、人员历史轨迹三维动画回放等功能。人员实时位置和人员历史轨迹三维显示界面如图13所示。

图13 人员实时位置和人员历史轨迹三维显示界面

(3)紧急避险系统。可在三维采掘工程模型中集成管理紧急避险系统，包含安全出口、撤离方向和安全避灾逃生路线、永久避难硐室及救生舱位置，并且可以接入显示避难硐室内的安全监测信息和设备信息。紧急避险系统三维空间关系展示界面如图14所示。

图14 紧急避险系统三维空间关系展示界面

(4)通讯联络系统。集成接入矿山通讯网络系统，实现三维管理有线电话网络路线、电话布置、电话信息以及移动通信设备、语音广播等设备仿真及属性信息查询。通讯联络系统三维管理界面如图15所示。

图15 通讯联络系统三维管理界面

(5)压风自救系统。集成接入显示矿山压风自救系统，动态显示压风管路、自救设备位置、设备运行参数及属性查询。

(6)供水施救系统。集成接入显示矿山供水网络系统，动态显示供水路线、水泵等设备位置、设备运行参数及属性查询。

3.7 事故模拟与分析

该模块运用三维巷道模型进行空间拓扑分析，模拟事故现场的灾情影响范围，计算逃生路线和模拟救援策略，辅助应急救援指挥。该模块包括井下水淹分析、井下爆炸事故模拟分析等功能。

(1)井下水淹分析。该分析模拟井下某位置发生透水事故时，以出水点标高为基准，按照涌水量及时间模拟不同时间淹没的井下巷道区域，统计区内井下人员数量。

(2)井下爆炸事故模拟分析。该分析模拟井下煤尘或瓦斯浓度超标以及发生爆炸时的破坏程度，根据划定的空间范围计算范围内巷道内体积，结合该煤尘或瓦斯浓度在此区域内爆炸产生破坏换算的TNT当量，预估该次爆炸对选定范围内巷道的破坏程度。

3.8 应急救援指挥

该模块可以模拟再现事故发生的过程，便于事故调查者观测和分析事故的发生过程和发生的原因，从而采取预防措施，防止类似事故的再次发生，防患于未然。模拟事故发生后，根据矿井生产系统的现状，可以快速生成安全避灾线路图，标有线路运行方向，实现三维动画显示。同时可以通过应急广播、调度电话、无线通信、人员定位卡等多种方式通知相关区域人员及时沿逃生路线撤离[11]。

4 关键技术

4.1 数据信息融合技术

数据信息融合技术是对煤矿生产、安全、管理数据的采集、统计和分析，主要的性能指标包括以下几个方面。

(1)统一的信息访问渠道。通过将内部和外部各种相对分散独立的信息组成一个统一的整体，使用户能够从统一的渠道访问其所需的信息。

(2)不间断的服务。通过网络和安全可靠的机制使用户在任何时间任何地点都可以访问企业的信息和应用，保证企业综合调度平台的稳定运行。

(3)强大的内容管理能力。对企业各种类型信息的处理能力，支持非结构化的数据及多种数据库格式数据，并可以搜索和处理各种格式的文档。

(4)个性化的应用服务。信息门户的数据和应用可以根据用户的要求来设置和提供，定制出个性化的应用门户，符合不同使用者的个人习惯，提高工作效率。

(5)与现有系统的集成。能将企业现有的数据和应用无缝地集成到一起，无需重新开发，节省了投资。

(6)高度的可扩展性。能适应企业新的人员和部门的调整和变化，满足企业业务调整和扩展的要求，解决企业与IT部门短时间内无法解决的技术需求问题。

(7)安全可靠的保障。通过安全机制保证数据的机密性及完整性，保障各项业务应用的正常运转。

4.2 三维GIS技术

三维GIS技术是对地理空间中的三维数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，直观展示真实地理世界，有强大的三维GIS分析功能。三维GIS技术是实现矿区地表、工业广场、煤层模型、采掘工程模型、设备模型等三维数据建模、管理、分析的主要技术，而且可以融合组态技术对井下设备进行在线状态监测。各类子系统控制设备通常是PLC、智能分站、传感器等，从而实现对各类生产、安全数据实时监测和实时报警。使用三维GIS技术进行建模，使其更加直观和更加真实，使用人员会感觉身临其境。同时可以连接设备监测控制系统，实现在三维仿真环境下的可视化管控，实现煤矿的地质数据、采掘工程信息生成三维GIS地图，以三维可视化角度来观察煤矿的生产过程，并将煤矿的井下生产场景、人员位置信息、矿井的出煤量以及井下各个监控点的瓦斯浓度信息在立体矿井图上清楚地展现出来[12]。

4.3 协同管理技术

协同管理技术是在统一工作平台、统一网络环境中，以煤矿生产安全管理为主线，以各部门业务流程及需求为对象，通过权限管理、资源状态管理、历史版本管理、用户数据冲突处理、数据审核等功能解决数据统一、协同工作、资源共享的问题，保证数据安全，可使多人同时在线处理各类图件及数据信息，提升专业配合，大大提高工作效率。

5 应用情况

2020年8月，该系统在陕西榆林能源集团有限公司杨伙盘煤矿(以下简称“杨伙盘煤矿”)、新疆焦煤集团1890煤矿得到了成功应用，实现了在统一的三维管控平台下，集成管理采、掘、机、运、通等系统的数据，综合动态管理煤矿的生产、安全和经营的三维动态管理仿真。实现了全矿井数据建模与管理、资源储量三维管理、采掘工程模型实时更新、三维通风模拟仿真、三维综合自动化平台数据监测、人员和车辆的实时位置三维展示、逃生路线分析等功能，实现了全矿井监测、控制、管理、保障的一体化动态管理。

在杨伙盘煤矿应用本系统以后，节省设备检测维护费用、安全监管费用、减员成本费用，提高设备运行效率和安全性、提高生产效率等产生经济效益约850万元/a；杨伙盘煤矿成为地方国有企业煤矿智能化建设的示范矿井，带动了周边煤矿智能化建设的整体水平，产生了较好的社会效益。