基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统应用

程宝军 陈跃朋 张天山

（郑煤集团新郑煤电有限责任公司，河南 新郑 451100）

随着网络化、信息化技术的不断应用与发展，我国煤矿信息化水平也在逐步提升，但在煤矿信息化的应用过程中还存在许多问题[1-2]。例如：没有统一的建设要求与架构标准，导致子系统建设比较独立，重复建设；没有统一的数据标准和接口协议，导致数据共享困难，形成信息孤岛；在横向业务上没有疏通生产业务流程，导致生产矿图经常通过交换图纸进行信息更新，造成数据更新不及时，影响决策分析；在纵向上没有充分发挥GIS 技术在矿图管理中的作用，没有将设计与管理有机衔接，即各专业设计的矿图成果不包含属性信息，导致管理部门利用矿图进行信息查询和综合集成分析的要求等。

为了解决“信息孤岛”“重复建设”“缺乏国家与行业标准，信息资源难于共享，缺乏快速联动”等现状，煤矿急需一套能够解决数据统一、数据共享的一张图系统。以新郑煤电公司为工程背景，提出基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统建设，解决煤矿自动化与信息化的深度融合，实现各类数据的共享与联动，为矿井智能化建设与智慧化应用提供了良好的应用，不仅提高了矿井安全保障及智能化应用水平，同时通过各自动化子系统的集中管控，为矿井减人提效奠定了基础，产生良好的经济效益、社会效益和安全效益。

1 工程概况

河南省新郑煤电有限责任公司属郑州煤炭工业（集团）有限责任公司直管骨干矿井，核定生产能力为300 万t/a。矿井井田东西最宽4.60 km，南北最长13.5 km，井田面积48.961 3 km2。主采二1 煤层，平均煤厚5.5 m，倾角3°～15°，采煤工艺为综合机械化放顶煤。矿井采用立井单水平上、下山开拓方式，其中主井垂深463 m，副井垂深488 m，西风井垂深281.5 m，北风井垂深258.5 m。矿井采用两翼对角式通风，通风方法为抽出式，由主、副井进风，北、西风井回风。

目前新郑煤电已建成办公网、4G无线通信网络、万兆工业环网和综合自动化控制系统，完成了安全监测、人员定位、瓦斯抽采、水文监测等监测监控系统和调度通信、应急广播等通信系统的升级改造。同时完成矿井综合自动化控制系统建设，实现皮带、压风、提升等系统的集中控制，搭建统一工业视频平台和新郑煤电App。但在矿井自动化建设、安全监测类系统建设与视频监控类系统建设上都建立很多子系统，这些子系统都是独立的，系统间缺乏数据融合与联动、数据共享与交换、大数据分析与应用，特别是基于位置服务的联动应用。

2 一张图系统概况及基本架构

2.1 系统概况

一张图是以矿井采掘工程平面图和地面工业广场图为底图，融合各专业图纸，实现一张图上查看、管理各类矿图及各类信息。一张图包括：综合一张图、地测一张图、安全一张图、通防一张图、机电系统一张图等专题图，各个图层可以任意选择；把与矿井生产有关的人员、设施、设备及环境等生产运行信息在一张图上进行展示，在一张图上可以调取井上下所有地点视频画面、设备运行参数及故障报警、区域人员、安全隐患、安全监控、水文测点等信息，形成全矿井综合生产信息一张图的综合应用[3-4]。

基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统是以综合一张图为基础，建立智慧矿区标准规范体系，采用最新的空间信息、云计算平台、物联网、大数据及移动互联网等技术，面向新郑煤电公司建立综合一张图、共享云服务、新型安全管理体系及大数据分析平台，实现协同调度、集中管控及科学决策。

2.2 整体技术架构

基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统的技术架构如图1。

图1 系统架构图

（1）数据感知层

数据感知层是通过各个分站及移动设备集中采集井上下现场视频监控数据、安全监测数据、自动化生产信息等各类实时数据信息[5]。

（2）传输层

井下采集的实时数据信息通过工业环网、视频环网、4G 无线网络等进行统一传输。

（3）数据层

数据层就是按照标准将感知层采集的各类数据信息进行分类存储。

（4）平台支撑层

平台支撑层是根据实时采集的数据信息及业务需求，提供相对应的基础应用与分析服务。

3 矿井一张图及管理平台建设

矿井一张图及管理平台建设是整个基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统的基础，主要包括矿井一张图基础建设、一张图管理平台研发以及全息一张图服务[6-7]。

3.1 矿井一张图建设

矿井一张图是一个集空间数据（含图层数据）存储、共享、获取、更新的空间数据管理系统，是基于设计协同平台基础上，提供空间数据管理、图层配置应用的数据应用系统。其应用结构如图2。

图2 一张图应用结构

3.2 管理平台建设

矿井GIS 一张图管理平台的核心是二三维一体化的位置服务。在此基础上，利用数据综合服务平台、GIS 平台、协同设计平台和协同管理平台提供的工具，矿井一张图管理平台能够实现一张图集成融合、协同设计、管理和决策分析。其基础功能主要有交互展示、信息数据管理和更新、二维GIS、三维GIS 以及诸如报警联动与安全态势分析等各类分析功能。

4 系统应用及效果分析

4.1 系统应用情况

自系统建成应用5 个月以来，系统登录次数约13 000 人次，主要业务系统总操作频次约14 万次；主要业务流程数据（生产、安全类）新增量为65万多条，其中安全管理40 560 条、一通三防1326 条、机电运输11 023 条、生产技术2784 条、调度管理7012 条、地测防治水2475 条；监测类（安全监测、人员定位、水文等）数据采集量为1378 万条；功能涉及到各个模块，数据涵盖地测、生产、调度、机电、通防、安全、经营、后勤等各专业。上述大量数据的集成、规范、汇总，实现了平台大数据融合分析应用。

4.2 应用效果分析

（1）经济效益

新郑煤电公司基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统为矿井安全生产管理工作提供先进的信息化平台，将大量孤立、分散的独立子系统进行了集成，实现矿井从上到下、矿井内部各部门之间的数据的来源唯一、自由流转、协同共享。消除人为误差，提高了决策的准确性和可靠性，工作效率得到大幅度提高，同时也大大降低劳动强度和成本，具有良好的经济效益。

（2）社会效益

新郑煤电公司基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统的研究与应用，基于综合三维空间数据、交互式的管理理念，建成全矿井一体化的新型智能管控系统，大幅度提高煤矿安全生产管理水平和工作效率，保障矿井的安全高效生产。

系统实现了煤矿现场基础管理中的地测防治水、生产调度、安全信息监测监控、生产自动化、管理决策等业务数据在矿井内部的横向与纵向流通，并依据三维空间数据实现了矿井安全生产智能诊断模型、安全生产大数据分析模型、预警报警分析等模型的建立，使矿井安全生产管理实现了集中控制、协同调度管理，为矿井领导层正确决策提供科学依据，为矿井的安全生产提供了有力保障，同时也为实现新郑煤电的智慧矿山建设奠定了坚实的基础，具有良好的社会效益。

5 结论

（1）“基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统”项目是新郑煤电公司安全生产管理的支撑平台，基于大数据、计算机网络、分布式协同GIS 一张图、透明化矿山等技术，将煤矿各部门涉及生产、安全、经营等信息系统主要数据进行整合，统计分析评估安全生产与运营状况，为领导决策提供数据依据，建成全矿一体化管控的新型安全生产管理体系。

（2）基于GIS 一张图与三维空间数据智能化矿山管控系统，已经基本解决新郑煤电公司智慧矿山建设中的关键技术和难点问题，为其他生产矿井的推广应用积累了技术基础和建设应用经验，解决了高度一体化管控的智能煤矿、智慧矿山建设的部分关键问题，为领导层正确决策提供科学依据，具有较大的推广应用价值。