基于3D GIS和物联网的智慧矿山三维可视化系统设计与实现

黄智煌，邬 娜，仇巍巍

（1. 北京汇智通科技有限公司，北京 100089；2. 泰瑞天际科技（北京）有限公司，北京 100089；3. 自然资源部信息中心，北京 100830）

0 引言

伴随着智能科技的飞速发展，智慧矿山的概念应运而生。智慧矿山将3D GIS、物联网、大数据、云计算等技术融合应用于矿山行业[1]。基于3D GIS和物联网的智慧矿山三维可视化系统作为智慧矿山的重要组成部分[2]，通过三维建模技术，将物理世界中的矿山实景1：1完全“复制”到数字化世界，在数字化世界对矿山进行全方位展示和分析。集成人员定位、视频监控、环境监测等多种物联网实时感知数据，将三维实景与矿山日常生产管理紧密结合。通过智慧矿山三维可视化系统应用，矿山企业和监管部门可对矿井工程、矿井设备运转、矿井环境等情况进行实时掌控，在三维场景实现矿山的可看、可查、可控，为矿山安全生产和管理提供技术支撑和辅助决策，切实提升矿山生产安全和管理的信息化水平。

1 智慧矿山建设中的问题

目前，矿山生产自动化系统、环境监测系统及通信系统等各种专业的工业软件应用已趋于成熟，为智慧矿山建设提供了基础条件[3]。但随着智慧矿山不断发展和建设，也逐步暴露一些问题。

（1）当前，中国矿山信息化建设已经初步完成，矿山生产或监控等工作运用了相应的监管和维护信息系统。传统的矿井监控系统基本上实现了网络化，对井上、井下的设备实施监管和控制[4]。但不同信息系统采集的数据没有统一标准，各类监控数据无法进行集成和汇聚，大部分数据留在单独的信息系统[5]，导致“信息孤岛”现象，信息系统采集的数据无法发挥潜在的价值[6-7]。

（2）虽然很多矿山企业已经开展了智慧矿山建设，但是大多数企业主要利用人工建模技术对矿区进行三维可视化展示，只做了三维可视化的“表面工程”，并没有将三维场景与相关数据进行关联整合，使得矿区的三维可视化建设停留在初步阶段。

（3）及时的应急救援对于矿山具有非常重要的意义，科学的灾害预防也是不可或缺的。目前，智慧矿山建设中的应急救援更多侧重眼前的应急救援管理，如物资管理、逃生路线预演等，而忽略了过去的经验教训。通过对历史事故进行复盘分析，可以实现应急救援管理的“查缺补漏”，及时发现救援过程存在的问题。还可以对事故历史数据进行大数据分析，如分析灾害事故的发生是否与特定因素存在关联，为科学预防矿山灾害提供有力支撑。

（4）智慧矿山面向矿山企业及政府监管部门，涉及较多的用户角色层级，且各个角色层级对信息系统与数据权限的需求不一致，客观上增加了信息系统的复杂程度。系统如没有合理的用户逻辑设计，不但不会提升矿山管理效率，反而会增加系统维护的工作量和相关支出[7]。

2 系统设计

2.1 总体架构

为打造高效、经济、绿色、安全的智慧矿山三维可视化系统[8]，系统架构设计时，本文充分考虑了智慧矿山建设存在的问题，解决现有问题，完成基于3D GIS和物联网的智慧矿山三维可视化系统架构设计，如图1所示。

图1 总体架构

系统总体架构分为设备层、数据层、服务层、应用层4个层次。设备层主要实现矿山环境的实时监测，由环境监控传感器、生产控制设备、通信网络设备、人员定位设备、视频监控设备等构成，可实现对井下生产过程、设备运转情况及井下环境的全面感知。数据层实现多源数据融合，由基础地理数据库、遥感影像库、数字高程模型库、三维模型库、矿山业务数据库构成，为服务层提供数据支撑。服务层主要提供一系列标准的数据服务，如矢量数据服务、栅格数据服务、模型数据服务、实时监控数据服务及专题数据服务等。应用层明确系统实现功能，具体包括三维浏览、安全监控、安全监管、重大危险源管理、应急救援管理、综合统计及权限管理等功能模块，为管理者提供支撑服务。

2.2 功能设计

系统基于3D GIS技术构建，具有真实感强、地理位置精确等特点。可以浏览整个矿区的地上地下三维实景，并可在真实地形地貌上进行空间分析。通过融合物联网安全监控实时数据，管理者在三维可视化场景中即可掌握矿区实时运行情况，并提供应急救援管理及统计分析等功能。系统具体功能设计如图2所示。

图2 功能设计

3 关键技术

3.1 三维场景构建

为更真实地再现和还原矿山场景，通过不同的建模手段分别构建组成三维矿山场景的模型要素。三维矿山场景按照地理空间分类包括地下、地表、地上空间。针对矿山地下空间，需要精准表达地下巷道、采矿区、生产设备以及巷道和地上建筑物的关系。系统基于巷道工程建设图、井巷平剖面图等信息，利用3D MAX人工建模及参数化建模方式构建地下空间，可以准确表达更多模型细节。针对地表空间，需要真实表达地形地貌，系统利用DOM、卫星影像、高精度航片及DEM，构建三维地形场景，表现矿区的地表空间。利用高精度航片及DEM真实表达矿区的地形地貌；利用次高精度的卫星影像及DEM表达矿区外围的地形地貌。同时，利用POI对各个矿区及重点地区进行标记。针对地上空间，需要构建的模型主要包括井上工业广场建筑物、室内结构及设备。运用3D MAX，以矿山平面布置图为基准，通过实地拍摄采集数据，获取建筑物的结构、纹理，对道路、建筑和工矿场地进行三维建模[9-10]。三维矿山场景构建流程如图3所示。

图3 三维矿山场景构建流程

3.2 物联网融合

随着物联网技术在矿山中的发展，很多矿山已经具备各种物联网安全监控子系统，如井下环境监控、视频监控、人员定位子系统等，管理者在井上监控室即可实现对矿区井下环境的全面感知。但多数子系统独立存在，采集的物联网数据也是单一、孤立的，缺乏有效的空间融合及信息汇聚，无法发掘潜在的数据价值。通过构建数据集成与融合平台，实现物联网数据全部集成，可以很好地解决此问题。基于物联网的智慧矿山三维可视化系统将各类监控信息进行融合展示，发掘信息之间的潜在关联关系。同时，对物联网数据与三维场景进行融合和联动，一个真实的可视化环境既可以直观了解整个矿山的运行及安全情况，又可对某个设备或人员进行监控和管理，从宏观和微观维度支撑矿山管理。基于物联网的智慧矿山三维可视化系统实现了矿山的优化管理，减少人员成本，提高矿山设备的工作效率，降低安全事故的发生几率[11]。

4 系统实现

系统基于SuperMap平台，采用B/S架构，使用JAVA语言，服务器操作系统采用CentOS 6·0，客户端使用IE浏览器。

基于前述制剂生产特点，如没有信息系统的帮助，单靠一两个统计和财务人员手工操作，制剂成本核算盲目追求理论上的按品种的产品成本等完全成本核算方式，不但核算工作量太大，而且容易产生偏差误导决策。随着信息技术的不断发展，信息系统在医院财务管理中的应用越来越广泛，医院制剂的生产和核算信息化必将成为改善制剂管理的有力手段。一方面，制剂部门配备专门的制剂库存管理软件，实现对制剂物资的高效管理；另一方面，系统软件逐一计算每种药品的材料及费用，从而实现单个制剂成品的成本核算。

4.1 三维浏览分析

通过对矿区及井下巷道等设施进行三维建模，对路网、影像及矢量等多源数据进行整合，构建具有统一空间基准、满足矿山管理和智慧矿山建设所需的室内室外、地上地下一体化的三维场景。系统提供二三维一体化的展示方式，在二维场景中可清晰看出矿区的地理分布情况、矿区范围及巷道分布；在三维场景中可综合展现矿山的实景全貌。可从宏观视角俯瞰整个矿区的实景，也可从微观视角查看每个设备的细节。矿区地上地下三维场景展示如图4所示。系统还提供测量、标绘、空间查询、模型属性查询、三维空间分析等功能。

图4 矿区地上地下三维场景展示

4.2 安全监控

为消除“信息孤岛”问题，智慧矿山三维可视化系统集成各个安全监控子系统，并作为统一入口。系统将设备实时运行数据与三维模型关联，在三维场景中显示安全监控设备分布情况、实时状态信息及预警情况。

（1）环境监控。在三维场景中集成各个环境监控子系统，以地图或列表形式展示监控设备的分布情况，瓦斯监控如图5所示。也可直接点击三维场景中的设备模型，查看设备信息，如瓦斯超限的地点、时间、浓度、报警级别和联系电话等信息。

（2）视频监控。通过在三维场景中集成矿区视频监控设备，管理人员可对矿区所有监控视频进行查看和管理。关联监控摄像头与三维场景中的摄像头模型，在三维场景中实现点击查看监控摄像头与自动播放实时视频；监控摄像头也可以列表形式展示，点击监控摄像头名称，在三维场景中自动定位该摄像头位置，同时自动播放实时视频。

（3）人员定位。系统通过接入人员定位子系统，基于精确的位置服务，在二三维场景中实现人员的实时定位、分布情况、动态图展示等功能。具有历史轨迹查询功能，通过搜索或直接选定人员姓名，查询人员在指定时间范围的运动轨迹详细信息，同时在三维场景中进行轨迹图回放展示，便于事后追溯。

（4）网络监控。网络连接对于智慧矿山三维可视化系统非常重要，通过网络将设备监控信息实时传入系统，管理人员实时掌握生产情况及预警信息。系统通过对接网络连接监控接口，能够在三维场景中直观展示正常联网煤矿数量、断网煤矿数量和故障异常数量，并进行统计和预警。

4.3 安全监管

安全监管功能根据各矿区的监测设备实时数据及上报的隐患告警信息，在三维场景中对所有矿区的隐患、告警信息进行统一展示及统计，实现全面管理矿区安全情况。相关人员在系统中可对告警信息进行实时查看。如出现重要隐患及告警信息，系统会发出警告声音并以短信形式告知相关管理人员，对隐患和告警及时处理。

4.4 重大危险源管理

4.5 应急救援管理

矿山井下工作环境和地质条件都较复杂，如果井下发生水灾、火灾等重大事故，系统的应急救援功能可以为指挥决策者及时提供事故发生地点、影响范围及井下人员、设备和救援物资的空间分布情况，为制定应急救援方案提供科学支撑。应急救援功能包括应急救援管理与应急救援指挥两个部分。

（1）应急救援管理。可查看历史事故的详细信息以及救援物资、救护队与医疗资源的分布情况。系统支持在三维场景叠加各类灾害的避灾路线，并以动态图形式展示，用于事故前培训及事故中指导。还提供缓冲区分析、最短路径分析等分析工具，用于快速分析救援队到事故地点的最短路径。

（2）应急救援指挥。用于事故启动及事故处理全流程跟踪，包括事故预警、事故进展、事故处理、事故报告、事故归档等完整流程。在事故处理过程中可随时记录事故处理进度，同时对事故处理进度进行存档。在指挥过程中可生成事故报告，查看事故煤矿的人员定位、视频、瓦斯信息，并能快速调取和记录最近事故地点的人员定位、视频和瓦斯信息，并能进行救援物资的空间搜索和查询。

4.6 综合统计

综合统计功能将各矿区产量、可采储量等生产能力信息及隐患、告警等安全监管数据进行统计和分析，将统计结果以图表结合的形式进行直观展示。通过综合统计功能，管理者能够更加直观、快速地了解矿区运行情况及安全隐患的发生频率，可对隐患告警发生频率较高的矿区进行重点监控和管理。

另外，系统对接了矿山从业人员信息，可按工种、性别、学历等进行统计，通过统计发现潜在的问题。也可对从业人员的健康情况进行统计分析，例如，按照工种及职业病进行叠加统计，可得出不同工种的常患职业病，从而可更针对性地加强从业人员保护。

4.7 权限管理

智慧矿山三维可视化系统面向矿山企业及政府监管部门，涉及较多的用户层级，各个层级对数据权限的需求不一致。针对此问题，本系统设计了合理的用户权限级别，将系统权限分为政府权限和企业权限，按照所管辖范围查看辖区矿山、危险化学品等企业的三维场景及相关信息。

5 结语

基于3D GIS和物联网的智慧矿山三维可视化系统建设和应用提高了矿山的智慧化管理能力。从数据源头开始，以地理坐标为基准，通过不同建模手段，建立矿山三维实景，融合矿山业务数据，集成矿山物联网数据，使其与三维实景进行融合和联动，真实而精确地展示矿山地上地下三维实景场景。同时，将三维实景与应急资源等相关管理数据进行横向关联，建立基于三维实景的应急救援流程及历史事故复盘分析，借助三维实景可真实再现事故现场，为应急救援流程优化及经验教训总结提供科学依据。系统可以对矿山进行三维可视化管理、安全监控和应急救援管理，为矿山的智慧化生产经营和安全管理提供技术支撑[12]。