GIS信息系統在榆樹灣煤礦的應用

【摘要】GIS信息系統，是機電一體化技術、計算機技術、3S技術等與網絡信息化相互結合在煤礦企業的成功應用。以通信網絡為傳輸系統，利用現場的信息采集、數模輸入、檢索查詢與數據分析處理，通過專家會診系統，實現煤礦安全監控與生產調度。以達到煤礦安全高效、和諧發展的目的。概括起來，GIS信息系統主要包括三部分內容，即設備運行智能化、辦公系統自動化、安全管理數字化。

【關鍵詞】GIS信息系統；機電一體化；3S技術；安全監控

1.榆樹灣煤礦礦井概況

榆樹灣煤礦隸屬于榆神煤炭有限公司，是榆林市市屬最大，自動化、信息化程度最高地方礦井。2012年被授予省級兩化融合示范企業。

煤礦井田面積88.9平方公里，資源儲量18.04億噸，可采儲量13億噸，平均煤厚11.62米，為近水平煤層。礦井采用斜井開拓方式，井田煤質優良，具有特低灰、低-特低硫、特低磷、富油、高發熱量、熱穩定性好的特點，是良好的氣化用煤和動力用煤。

煤礦采煤方法采用分層覆巖再生頂板大采高綜采，裝備一個設備全引進綜采工作面和兩個連采工作面，服務年限106年。設計生產能力為初期800萬噸/年。

2.榆樹灣煤礦數字礦山工程總體目標

（1）基于建設數字化礦井的理念，利用先進的信息技術手段，立足高標準、高起點，遵循先進、實用可靠、科學經濟的原則，在榆樹灣煤礦建立礦井監測、控制、管理一體化的、基于網絡的集成系統，以實現全礦井各生產環節的過程控制自動化、安全生產綜合調度指揮和業務運轉網絡化、行政辦公無紙高效化。

（2）提升榆樹灣煤礦安全生產的自動化水平，提高安全裝備及自動化系統設備的可靠性，可用性，確保生產安全和高產高效，減少井下作業人數，提高榆樹灣煤礦礦井安全水平，提高企業經濟效益和市場競爭能力。

（3）通過應用軟件，在GIS和WebGIS技術支持下，全面統一煤礦專業地理信息系統平臺，集成共享地測數據（即采掘工程平面圖），實現榆樹灣煤礦生產計劃、生產安全調度、生產過程控制最優化，并能實現對關鍵設備的狀態監測和故障分析。進一步建設無人采掘系統、ERP系統、專家決策系統、人工智能系統，最終將榆樹灣煤礦建設為在生產管理中基本實現“生產過程自動化”、“安全監測數字化”、“企業管理信息化”、“信息管理集約化”的數字化礦井。

3.榆樹灣煤礦數字礦山工程建設原則

（1）先進性、成熟性

使用先進、成熟、實用和具有良好發展前景的技術，既能滿足當前的需求，又能適應未來的發展實用性，選用的設備應是經過實踐檢驗的成熟產品。

（2）可靠性

綜合自動化系統的可靠性是系統具有實用性的前提，確保能高效、穩定適應煤礦特殊環境的連續工作。

（3）安全性

綜合自動化系統是基于網絡體系的，其安全性將是系統建設的核心技術，而用戶對網絡安全的要求又相當高，因此安全性原則非常重要。監控系統中主要有以下幾大安全問題：

1）數據的私有性（保護監控系統的數據不被侵入者非法獲?。?。

2）授權（防止非法侵入者在監控系統上發送錯誤信息）。

3）訪問控制（控制對網絡資源的訪問）。

4）安全措施應包括：防病毒、防黑客、防止非法或越權訪問、傳輸加密、安全策略控制等。

4.榆樹灣煤礦數字礦山工程系統組成

榆樹灣礦井將建設成高產高效的現代化大型煤礦。建設一個以計算機網絡為基礎，以信息共享為手段，形成集數據采集、生產控制、辦公自動化、決策支持、多媒體應用和Internet服務于一體的綜合自動化系統。系統可將企業的生產過程控制、優化、運行、計劃與管理作為一個整體進行控制與管理，提供整體解決方案，以實現企業的優化運行、優化控制與優化管理。提高煤礦的生產運行狀況、安全水平、事故災害預測預報以及生產業務管理水平。

（1）煤礦綜合自動化系統：榆樹灣煤礦在礦井前期建設已經完成綜合自動化系統的建設，為數字礦山打好基礎。數字礦山綜合自動化平臺包括：礦井電力監控系統（地面變電站監測子系統、井下變電站監測子系統）、綜采工作面監控子系統、井下排水泵房監控子系統、井下膠帶機運輸控制子系統、主通風監控子系統、瓦斯抽放站監控子系統、井下無軌膠輪車輔運信集閉系統、礦井原煤產量監測子系統、礦井水處理系統、壓風機監控子系統、鍋爐監控子系統、洗煤廠監控子系統、生活水處理站監控系統、地面生產監控系統、地面消防監控系統、日用消防泵站監控系統等。

（2）煤礦安全生產監測系統：榆樹灣煤礦在礦井前期建設已經完成，數字礦山建設將各個子系統整合到平臺，包括安全監測監控子系統、井下人員管理子系統、束管監測子系統等。

（3）視頻監控及顯示系統：工業電視監視系統、大屏幕顯示系統等。

（4）礦井調度通信指揮系統：礦井行政通信系統、礦井調度通信系統、礦井無線通訊系統等。

（5）煤礦信息化網絡系統：管理信息網絡系統、礦井綜合自動化網絡系統（地面工業環網、井下工業環網）、生產調度中心與數據中心服務器群組與數據存儲系統、網絡安全系統、綜合布線系統、機房工程等。

（6）煤礦生產經營管理平臺軟件系統：安全生產管理信息系統（調度、機電、地測、安全及兩化等專業系統）、OA系統、目標經營管理信息集成軟件系統、榆樹灣煤礦信息門戶等。

5.系統簡介

如圖1所示，從層次上整個系統可以劃分為三個層次：設備層、信息集成層、管理決策層；包括兩個支撐系統平臺：一是以太網絡系統平臺；二是數據庫管理系統平臺。以太網絡（包括用于企業管理的普通以太網絡和用于工業控制的工業以太網絡）是所有系統傳輸平臺；數據庫（包括地質、測量、采礦、生產等）是所有決策管理的基礎數據平臺。這兩個平臺的先進性、高效性、可靠性、安全性就決定了整個系統的先進性、高效性、可靠性、安全性。

整個系統的建設可GIS和WebGIS技術支持下，全面統一地理信息系統平臺，地質、測量、采礦、供電、通風、安全等專業數據統一存儲管理于后臺數據庫管理系統、實現專業應用軟件組件式開發的方案，基于礦井生產技術層、管理層以及集團管理決策層多層面管理集成開發安全生產專業應用系統。真正實現圍繞地測數據動態變化而達到生產技術專業應用數據的共享與交換。

系統實現的技術目標主要體現：（1）硬件為基于千兆以太網（包括管理信息網絡和工業以太網）傳輸系統和實時可靠的海量數據平臺；（2）軟件為統一架構地理信息系統平臺與數據存儲、集成開發專業應用軟件兩方面上。就軟件方面而言，地理信息系統平臺是核心，統一數據存儲是系統運行的血液，專業應用軟件是生產技術管理的現代化工具，經營管理信息系統是領導決策服務的工具，四部分相互銜接，構成示范煤礦整個應用系統軟件內容。為此，軟件系統整體架構必須是瀏覽器/服務器+客戶端/服務器體系結構，即C/S+B/S結構為基礎，即基于WEBGIS的專業系統，進而實現全礦井、多管理層面的數據共享與交換。

6.關鍵技術特點

（1）數據采集、處理與存儲技術

數字礦山工程建設的關鍵是地理信息系統，并將面對的是具有多源、多維、動態、異質、異構、海量數據特點的礦業生產經營過程。其數據應具有無邊無縫的分布式數據層結構，能融合地上和地下、歷史和現時、多源、多比例尺、多分辨率的各種矢量和柵格數據。

數字礦山工程建設的多數據源決定了數據存儲的復雜性，主要涉及的關鍵技術有海量數據存儲技術、空間數據庫和數據倉庫技術。基于其數據的復雜多元化，必須采用合理的技術組織才能提高海量數據的存儲、管理效率和質量。既可以利用GIS本身的數據管理和分析功能，同時也可以采用Oracle和SQL Server等大型工業標準數據庫管理軟件建立礦山地理信息系統的數據中心，對復雜多源礦山信息進行有效的、合理的存儲、管理與分析。

數據處理技術是實現數字礦山成功應用的關鍵，它主要有地理信息系統技術、三維可視化技術和信息提取與決策處理技術等。在礦山地理信息系統應用中，地理信息系統理論與技術的研究不同于普通GIS，因為普通GIS處理的空間數據主要是指地球表面空間位置為參照的自然、社會和人文經濟景觀數據，而礦山地理信息系統需要處理地表以下的不確定數據。正是如此，它具有專業的數據模型與數據結構以及相應的數據標準化體系與元數據體系。

（2）分布式空間數據庫和WebGIS技術

分布式數據庫及分布式處理是數據管理的發展趨勢。礦山各專業部門可以建立專業數據庫，以發揮各自在數據采集、更新和處理方而的特長，避免集中式系統帶來的管理困難和網絡擁塞。這些分散計算機經互連網絡連接成為多計算機系統，采用分布式計算技術和互操作技術實現資源共享。超媒體網絡GIS（WebGIS）和互操作規范（OpenGIS）分別是實現同構系統（相同軟件平臺）和異構系統（不同軟件平臺）分布計算和互操作的工具。

（3）三維虛擬環境可視化技術

礦業活動具有三維空間特征和動態特征，數字礦山建設應實現三維實體的實時顯示、虛擬井下和地面生產活動實景的功能?；?DGIS平臺的真三維礦山數據模型是數字礦山建設的基礎工作之一，將三維虛擬環境可視化技術引入到三維礦體模型，可以實現三維地形和三維礦體的生成和仿真，有助于更好地理解礦體的空間信息及礦體與地表地形之間的空間位置關系，提高空間分析功能。

數字礦山工程建設涉及到的是地下及地上三維空間的動態變化問題。虛擬現實技術如能夠對整個地層環境及局部地質構造進行多維、多視角、多分辨率顯現，對礦區生態環境的動態變遷能進行實時監測和時空模擬，對井下監控系統進行實時監測和動態預警，對礦山安全系統能進行災情模擬（避災分析）等，那么整個礦山地理信息系統將成為一個布局相當合理、結構極其優化、安全、高產、高效的良性循環運作系統。其中涉及很多關鍵技術，具體如下：

1）碰撞檢測技術

虛擬環境漫游是礦山三維可視化應用的基本功能之一，它利用高性能的計算機創建使觀察者具有身臨其境的沉浸感和良好的人機交互能力，有助于啟發構思的信息環境，進而達到參與者在虛擬環境中獲取知識、形成概念的最終目標。

為增強真實感，在虛擬環境中進行漫游時，必須進行碰撞檢測（Collision Detection）。有了碰撞檢測，才可以避免諸如觀察者飛入地下或者觀察者穿墻而過等不真實情況的發生。目前，有多種方法可以實現碰撞檢測技術。系統是從觀察者的角度出發，研究運動中的觀察者與靜態的虛擬環境之間的碰撞檢測算法。

2）三維交互技術

在礦山三維可視化系統中，三維交互主要包括空間對象的查詢、虛擬環境漫游以及空間物體的操作和分析等。其中，空間物體的操作和分析又包括剖面處理和虛擬鉆孔。

3）圖形加速技術

為加快圖形的繪制和顯示速度，在礦山三維可視化系統中主要研究兩種技術：一種是拋棄內部體元的方法，另外一種是利用OpenGL的顯示列表技術。

（4）安全生產圖文一體化綜合管理技術

在引入地理信息技術（GIS）和辦公自動化技術（OA）手段的基礎上構建安全生產圖文一體化管理信息系統，實現榆樹灣煤礦數字礦山的網絡管理與應用。

安全生產圖文一體化管理系統是一個以業務辦公為主的系統，它除了具有一般的礦井安全生產等專業業務處理功能外，還需要提供大量的查詢功能，并且有些信息需要發布到互聯網，包括災害預警分析與應用等。

數字礦山工程建設是將GIS、MIS與自動化系統等一體化管理與應用，實現真正的圖文表格一體化；真正實現（不是通過兩個獨立的窗口互相切換）圖文一體，同時可以更加靈活地實現圖數互訪（在基礎圖形、基礎屬性、設備參數互訪），另外安全生產圖文一體化綜合管理中的工作流程引擎技術也十分關鍵。

（5）信息集成應用技術

數字礦山工程必須達到各類信息高度集成，比如基于采掘工程平面圖的綜合自動化集成、安全監測監控集成以及各類專業應用集成。高度集成的標志就是處理信息規范化、信息采集的及時性，準確性與完整性；集成范圍上，集成了所有供應鏈上所有環節的各類信息；在時間上，集成了歷史當前和未來的信息；管理數據來自于統一的信息源，高度共享，并有權限和安全設置；管理部門可根據統一的數據源進行決策，徹底解決“信息孤島”的問題；為此，信息集成應用技術十分關鍵。

（6）工業以太網絡技術

工業以太網系統是一個包含多個產品的多功能系統和網絡平臺，主要產品有：工業級以太環網交換機（核心）、隔爆型工業以太網交換機、本安型網絡智能分站、隔爆兼本安型不間斷電源箱等等；可以掛接配套的產品譬如：子系統控制主站、本安兼隔爆攝像機、子系統監測分站、本安型無線接入分站等等。

在礦井特別是井下構建基于工業以太環網的模式，具體實現方法是將具有國際先進水平的工業型以太環網交換機放在隔爆箱體內，使其具有能安裝在煤礦井下具有爆炸危險環境中使用的功能，將連接其它生產、控制、監控設備的節點（稱為分站）進行改造后使其具有與以太網聯接的功能。采用智能化的接口設備，與各種生產、安全監測監控設備連接，實現I/O遠程控制。也就是將系統的各種分站中的各種總線式數據傳輸接口改為具有TCP/IP協議功能的網絡接口，每臺隔爆型以太網交換機通過RJ45（RS485）接口或光接囗與一臺或數臺分站相聯，隔爆型以太網交換通過光纜相互聯接，與地面核心交換機組成工業以太環網。各種傳感器或其他設備連接在網絡的分站上，從而實現網絡結構的礦井綜合監測功能。

在數字礦山工程綜合自動化系統設計中，根據“管控一體化”的思想，采用三層網絡結構，并結合自動化、信息、計算機、網絡、通訊的新理論和新技術，利用世界先進的自動化產品、網絡產品和工業控制組態軟件、數據庫軟件，使礦井在“采、掘、運、風、水、電、安全”等生產環節全面實現信息化，并將通過安全生產與經營管理平臺及基于WEBGIS軟件平臺實現煤炭生產、管理的各個環節統一在一個網絡平臺上，形成統一、完整的有機整體。

通過構建一個遍布全礦區的工業以太網，使各礦井的信息能夠進入控制調度中心，控制調度中心的信號能夠到達現場設備。開發智能全數字安全監控器設備（簡稱數字監控器），使整個礦區的活動都處在數字監控器的監控保護之下，并能接入工業以太網進行遠程操作。同時，礦井的現有PLC、數字監控器和終端口的控制執行器構成礦井的監控子網，它以智能全數字安全監控器為核心，監視系統的運行狀況，支持現場連接計算機進行可視化監控；各終端口的攝像頭、集中控制室的服務器和顯示屏以工業以太網為基礎，構成工業電視視頻監控系統，滿足安全監控的需要；各礦井通過主干網連接到集中控制室，構成完整的礦區工業以太網，實現遠程監視礦井機電設備的工作狀況、遠程控制系統的運行、遠程校正控制器參數，并對系統故障進行預測。進而依托統一的工業以太環網平臺和統一的軟件平臺，把煤礦的各種生產、安全、輔助等各種系統進行系統集成和集中控制，實現系統聯動及各種生產及安全系統的專家決策和數據挖掘，從而實現減人提效。

7.數字礦山的意義

更為重要的是應用了工業以太環網和數據庫技術之后，煤礦設備、生產、安全、人員、管理、銷售的海量信息都能傳送、存儲到調度中心。目前這些信息不僅僅只用于各自的存儲報表、繪制歷史曲線或報警上，并充分發揮這些信息的作用，使這些信息有所增值，也能找到不同信息之間的內在聯系，從而進一步提高礦井的生產和安全水平，提高企業的效益。

從“數字礦山”的定義和架構可以看出“數字礦山”正是克服了目前煤礦綜合自動化系統軟等硬件相互脫節、信息共享程度不高等缺點，可以進一步提高礦山的信息化、自動化、智能化管理水平。

參考文獻

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作者簡介：閆增寶（1973—），男，畢業于西安建筑科技大學工業自動化專業，工業自動化工程師，從事煤礦機電安全技術管理工作。