神華新街礦區三維數字化管理平臺的建設研究

車仁浦

（神華新街能源有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000）

★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

神華新街礦區三維數字化管理平臺的建設研究

車仁浦

（神華新街能源有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000）

神華新街礦區是神華集團公司 “十二五”和 “十三五”期間規劃建設的億噸級現代化礦區，新街礦區數字化礦山的建設是神華集團公司發展戰略的重要組成部分，也是新街現代化礦區的特色之一。神華新街礦區三維數字化管理平臺的建設是新街礦區實施數字化礦山建設的重要組成部分，旨在推進新街礦區數字化和信息化的建設進程，促進高水平數字化礦區的建設，在煤炭企業升級和行業發展方面起到引領和示范作用。

神華新街礦區 三維數字化礦山 管理平臺

AbstractShenhua Xinjie Mining Area is a planning modern mining area with annual output of 100 million tons coal during“Twelfth Five－year Plan”and“Thirteenth Five－year Plan”，while the construction of digital mine is the important part in the development strategy of Shenhua Group，and is also one of characteristics of Xinjie modern mining area.Moreover，the development of 3D digital management platform for Xinjie mining area is helpful to the construction of digital mine，with an aim of boosting the construction process of digitization and informatization of Xinjie mining area，promoting the construction of high－level digital mining area and giving a leading and demonstrating effect for the coal enterprise upgrade and the industry development.

Key wordsShenhua Xinjie Mining Area，3D digital mine，management platform

1 引言

神華新街礦區位于內蒙古鄂爾多斯市南部，面積約700 km2，煤炭儲量超過130億t，煤炭品質和賦存狀況都比較好，適合大規模集中開采。目前，礦區開發處于前期準備階段，各種開發方案、研究論證和技術探索正在緊張進行之中。2011年2月，國家發改委下發文件，明確要求神華新街礦區的建設要以高度集中的礦井群為依托，充分利用現代信息和自動控制技術，通過數字煤礦和智能煤礦的建設打造高產高效、綠色環保、節能減排、本質安全、和諧發展的現代化億噸級礦區，為我國煤礦現代化建設做出應有的貢獻。

建設數字礦山是煤炭企業實現產業升級的必由之路，神華新街數字化礦區的建設是神華集團公司發展戰略的重要組成部分，也是新街現代化礦區的特色之一。信息技術的迅猛發展有力促進了中國煤炭行業的數字化建設進程，但由于煤炭行業自身特點，數字礦山建設的先進技術往往不能與煤炭企業進行有效的融合。另一方面，由于一個礦區不同的礦井數字化水平層次不齊，自動化和信息化應用系統集成度差，大多數仍停留在單項作業與應用的水平上，信息孤島的普遍存在很難實現礦區整體數字化。所以，數字礦山在我國盡管經過10多年的發展，仍舊處于研究應用的起步階段，這對神華新街礦區的數字化建設是一個挑戰，同時也提供了一個極大的空間。

神華新街礦區三維數字化管理平臺的建設是新街礦區實施數字礦山建設的重要組成部分，旨在推進神華新街礦區數字化和信息化的建設進程，促進高水平數字化礦區的建設，在煤炭企業升級和行業發展方面起到引領和示范作用。神華新街礦區優越的地理條件和四井一礦、三井一礦的布置方式為礦區的專業化管理、集約化管理和數字化管理提供了良好的平臺。神華神東礦區在數字化建設方面的經驗是神華新街礦區數字化建設的有力支撐平臺，神華集團公司 “勇于進取，堅持改革創新”的企業文化是神華新街數字化礦區建設的動力源泉。

2 平臺建設目標與建設原則

2.1 平臺建設目標

數字礦山建設的核心是在統一的時間坐標和空間框架下，科學合理組織各類礦山信息，將礦山地表及地下的人類工程活動信息全部數字化之后，構建由計算機網絡來管理的技術系統，其終極目標是實現礦山的綜合自動化。因此，神華新街礦區三維數字化管理平臺的建設將吸收和借鑒行業信息化和自動化方面先進的技術成果，結合新街的實際情況進行應用并力求創新，充分利用采礦科學、3S技術（GIS、GPS、RS）、三維建模與可視化技術（VR）、空間數據庫及網絡通信技術、人工智能技術和科學計算技術，對礦山地面及地下的空間元素進行真三維數字化描述，建立二維／三維集成一體化的空間基礎數據庫，實現三維交互可視化與三維空間分析基礎功能，結合生產實時自動化監控系統，利用三維精細化空間模型及空間分析功能為礦山規劃、開拓設計、生產安全管理、集成調度指揮、輔助決策以及應急救災提供技術平臺和強大工具，促進礦山企業信息化升級，為礦山安全、高效、綠色和可持續開采提供有效保障。

2.2 平臺建設原則

平臺的建設應遵循以下3個原則：

（1）先進性原則。采用先進的技術、新裝備和新工藝，通過三維數字化管理平臺的建設，有力助推神華新街礦區數字化建設，并在煤炭企業中起到引領和示范作用。

（2）開放性原則。神華新街礦區三維數字化管理平臺是一個供礦區各個生產系統進行統一操作的基礎環境平臺，一個礦區的開發建設者及生產者共同操作的公共平臺。平臺的建設要在符合當前通用標準的前提下兼容多種數據源。接口的設計盡可能采用國際通用標準或行業慣例，具有高度的開放性，充分保證平臺內所有子系統最大限度的信息共享，同時提供可持續的擴展能力。

（3）實時性原則。礦區三維數字化管理平臺的建設涵蓋了礦山企業生產經營的全過程，平臺的使用貫穿于礦山的整個生命周期，數據的實時監測、實時顯示和即時更新對礦山用戶進行科學分析和決策規劃具有重要意義。

3 平臺建設技術路線

神華新街礦區三維數字化管理平臺以提高礦山企業信息化管理水平、構建能夠真實反映企業復雜生產環境和運行狀態的三維數字礦山為目的，針對目前礦山企業存在的信息孤島、生產監控數據難以整合共享以及日常調度磋商缺少可視化平臺等現象提供相應業務功能，構建對礦山復雜環境進行三維再現的GIS平臺。神華新街礦區三維數字化管理平臺的總體架構圖如圖1所示。

圖1 神華新街礦區三維數字化管理平臺的總體架構圖

作為三維數字化礦山管理平臺，對平臺的數據實時性要求非常高，因此采用單一B／S模式顯然不能滿足要求。另外，隨著業務和流程的發展，還需要平臺能夠滿足各類應用的擴展開發，這就需要發揮C／S＋B／S模式帶來的擴展開發靈活性。基于對礦山用戶需求的綜合考慮，平臺建設決定采用基于Internet／Intranet通信方式的C／S＋B／S相結合的架構開發模式。在C／S模式下，部署可采用網站超鏈接的下載方式，維護更新采用服務器集中更新、網絡自動同步方式實現，解決部署和維護成本高的問題。同時，C／S模式可快速、高效、及時地滿足應急緊迫性的需求，為上級主管部門或相關技術部門領導監督管理提供了快速的信息服務，并且能夠充分利用PC硬件資源實現數學模型計算。C／S結構由數據層、空間數據引擎層、幾何造型三維建模層和應用層四層結構組成。B／S部分主要負責三維模型在Web上的發布，為客戶端提供三維場景和三維交互的人機界面。神華新街礦區三維數字化管理平臺網絡體系結構圖如圖2所示。

圖2 神華新街礦區三維數字化管理平臺網絡體系結構圖

4 平臺功能設計

神華新街礦區三維數字化管理平臺的建設以新街礦區真實的地理和地質信息數據為基礎，把地面可視資源與地下地質、巷道以及設備狀態等信息反映到統一的三維數字化平臺中，使煤礦井上井下情況直觀透明。礦區建設的參與者可以在這個平臺上按照不同的分工完成礦區規劃設計、施工管理、自動控制、應急演練、上級監管以及礦區形象展示等一系列活動，平臺的采用將對傳統煤礦的運行模式產生巨大的沖擊。神華新街礦區三維數字化管理平臺主要實現的功能如圖3所示。

（1）礦區地面監測。神華新街礦區面積較大，煤田、石油天然氣田、鈾田重疊賦存。根據國家能源局的文件，礦區煤炭開發只有神華一個主體，礦區地面管理任務很重。自2011年初國務院同意授予神華集團公司新街礦區探礦權以來，有關方面在礦區進行了一系列的開發建設活動，修建了鐵路、公路、經濟開發區，還進行了大規模的勘探活動，已經對未來新街礦區的煤炭開發造成了很大的困難，目前看來還有進一步加劇的趨勢。應利用國家有關部門提供的衛星及航空遙感影像，根據礦區管理的需要，在本三維管理平臺上對礦區地面設施的變動情況進行實時監測，準確記錄礦區環境的變化情況，為礦區的依法管理提供技術支持。

（2）生態監測。神華新街礦區地處沙漠，人煙稀少，地表水相對豐富，植被覆蓋率較高，生態環境相當珍貴，同時也相當脆弱。礦區開發過程中，生態保護將是環境保護的重要基礎，這不僅是當地政府和農牧民群眾的基本訴求，也是國家有關部門和各級地方政府的關注重點，是涉及地企關系和社會穩定的大問題。高度集中的礦井布置為減少礦區土地占用、提高植被覆蓋率創造了條件，保水開采和礦渣、廢水的零排放是新街礦區建設的基本選擇。從目前的實際情況看，由于開發活動的日益加劇，對當地生態環境已經造成影響，加強生態環境監測與管理已經迫在眉睫。利用遙感技術手段對礦區植被覆蓋變化、水體變化、地面沉降情況等進行監測，利用三維平臺進行輔助管理，是本平臺的又一重要功能。

圖3 神華新街礦區三維數字化管理平臺功能模塊結構圖

（3）礦區規劃設計。按照平臺研發單位與相關設計單位達成的三維管理平臺數據接口協議，將地面設施規劃和井下設計導入平臺，直接形成地面工業園區的三維立體模型和井下巷道及相關設施的三維模型。根據設計的進展情況，按照授權實時輸入新的設計方案，并對原方案進行自動修改。該平臺使井上井下情況直觀透明，為后續的建設和生產提供支持，尤其是在設計方案對比和審查方面，三維數字化平臺的作用更加突出。

（4）地質勘探及資源管理。通過和地質勘探部門達成的數據接口協議，將鉆孔、水文、地質構造等地質勘探資料錄入三維管理平臺，在平臺上自動形成三維地質模型，準確反映地下煤炭資源的賦存狀況及相關的圍巖、水文等信息，指導煤礦的規劃設計、工程建設、煤炭儲量管理、安全管理和生產活動。煤礦開采以后，三維平臺表達的信息將隨著地勘和其他各項工作的不斷深入而愈加精確，這將促進井下煤炭資源的精細化管理，并擴大三維管理平臺的使用范圍。

（5）施工管理。按照新街公司的管理模式，依托工程項目管理軟件和先進的測控技術，在三維管理平臺上，實施設計管理、施工計劃管理、質量管理、安全管理和驗工計價，直觀顯現和記錄工程的進展情況和工程形象，尤其是對隱蔽工程實行全面的影像記錄和跟蹤，全面提高工程質量和工程管理能力。

（6）自動控制。借鑒電力、化工、冶金等行業的成功經驗，在礦區建立統一的生產過程自動控制平臺，通過井上井下各子系統的標準化設計和國內外最先進的傳輸定位技術的采用，逐步實現煤礦井下和地面生產過程的自動控制，這是神華新街礦區數字化建設的核心，也是實現礦區本質安全、提高煤礦生產力水平，打造現代化礦區的基本途徑。在礦區開發初期，以三維管理平臺展現的地面建筑和巷道設計為依托，建立礦區的生產過程自動控制模型，通過在平臺上的不斷模擬演練和優化完善，形成完整的礦區生產過程自動控制模式，指導礦區自控系統的設計和建設。礦區建成后，作為礦區生產過程自動控制平臺的一部分，配合礦區生產過程自動控制軟件，運行礦區的自動化控制系統。

（7）安全監測。通過礦區測控系統的設計，將礦區所有安全信息，顯現在三維平臺和相關的管理軟件之中。其中一部分作為礦區自動控制的測控信息源融入礦區生產過程自動控制體系，其他部分直接傳入公司生產指揮中心，并按照問題的性質和緊急程度分類進行處理。

（8）職工培訓。通過本平臺新員工可迅速了解礦區和各大生產系統的基本情況。另外，員工可根據自身業務需要，在本平臺上進行各種專業化模擬訓練。

（9）應急演練。根據礦區應急預案，在三維平臺上模擬發生事故，啟動應急救援機制，實施救災活動，記錄演練過程，分析演練成果，改善應急管理。通過三維系統的模擬演練，可使演練過程更加直觀有效，演練過程更加靈活，大大降低演練成本和演練風險。

（10）救災指揮。礦區如果發生較大事故，三維管理平臺可以幫助各級政府領導和參與救災的各方面人員快速直觀了解相關事故情況，分析事故原因，統一思想，制定救災方案，控制掌握救災過程，動員各方面資源，實施搶險救災，提高救災工作的針對性和有效性。

（11）礦區展示。對于新街這樣的現代化礦區，各級領導的視察和行業內外人士的考察參觀活動將成為常態。利用三維管理平臺，通過三維動畫演示短片的制作，根據不同人群的需要，從不同的側面，形象生動地展現礦區的面貌和形象。同時可以減少人員下井次數，降低煤礦風險，保證煤礦生產效率。

5 結語

神華新街礦區三維數字化管理平臺將礦區井上井下的實際狀況在統一的空間坐標體系下進行了直觀形象的展示，尤其使煤礦井下各種要素及其空間關系一目了然，在一定程度上消除了人們對煤礦的神秘感和畏懼感，使行業內外各個專業人員在同一平臺上探討問題，促進煤炭工業與其他行業先進技術的融合，推動煤炭企業的科技創新。在實際運行中，平臺的使用者可同時在不同的地點按照各自的用戶權限進行相關操作，設計單位可遠程修改設計，集團總部可通過平臺實時對礦區的生產運行情況進行查詢監督等。由于本平臺正在開發之中，有些功能已經實現，有些功能還在開發之中。隨著神華新街礦區數字化建設的進展，不斷產生的新需求還會促進平臺的進一步開發和完善。

［1］ 郝天軒，魏建平，楊運良，張福旺 .數字化及可視化技術在礦井通風系統中的應用 ［M］.北京：煤炭工業出版社，2009

［2］ 劉元明，田偉，單紹磊.基于物聯網技術的新礦集團能源監測系統平臺研究［J］.中國煤炭，2012（5）

［3］ 張新長，馬林兵 .地理信息系統數據庫 ［M］.北京：科學出版社，2005

［4］ 王吳宜 .基于煤礦企業的礦山物聯網應用技術研究［J］.中國煤炭，2012（2）

［5］ 車仁浦.關于新街數字化礦區建設的構想 ［J］.神華科技，2012（1）

［6］ 吳立新，汪云甲，丁恩杰等.三論數字礦山——借力物聯網保障礦山安全與智能采礦 ［J］.煤炭學報，2012（3）

［7］ 焦玉書，牛京考，蔡鴻起.建國60年中國采礦科學技術進步與展望［J］.中國冶金，2010（2）

［8］ 譚得健，徐希康，張申 .淺談自動化、信息化與數字礦山［J］.煤炭科學技術，2006（1）

（責任編輯 路 強）

Research on construction of 3D digital management platform for Xinjie Mining Area of Shenhua Group

Che Renpu
（Shenhua Xinjie Energy Limited Liability Company，Erdos，Inner Mongolia 017000，China）

A

車仁浦 （1956－），男，黑龍江五常人，研究生學歷，高級工程師，現任神華新街能源有限責任公司總經理，主抓神華新街礦區的數字化建設工作，曾參與煤炭港口、矸石電廠、焦爐余熱電廠、焦爐煤氣電廠、焦化廠、甲醇廠、焦油加工廠以及煤礦建設等多項研究。