綠色礦山信息化服務平臺設計與研究＊

楊軍義，韓立欽，劉安偉，張 軍

（1.甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741025;2.甘肅省測繪工程技術研究中心，甘肅 天水 741000）

2020 年10 月，黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》，提出：“推進數字產業化和產業數字化，推動數字經濟和實體經濟深度融合，打造具有國際競爭力的數字產業集群。”因此，搭建一個集數據采集、處理、通信、控制、協作、智能決策為一體的綠色礦山信息化平臺，實現技術管理、生產管理與企業管理多系統的集成，已成為政府、礦山企業和研究機構實施礦山信息化建設的必由之路，也是礦山行業實現數字化管理、綠色開發與可持續發展的唯一選擇和突破口。

1 平臺建設內容

1.1 綠色礦山信息化標準規范建設

目前全國綠色礦山信息化建設和使用面臨著行業多、部門多、人員背景來源多的難題[1]。行業數據與產品類型不同、視角不同、口徑不同和量綱不同，因此需要建立統一的綠色礦山信息化建設標準規范。建設的內容主要有數據資源類、運行維護類和應用服務類三類標準規范（如綠色礦山數據信息資源分類編碼規范、時空信息數據庫設計規范、數據共享與交換規范、接口規范、系統集成規范等）和資源目錄體系、數據持續更新機制、平臺長效運維機制、人才培養機制等政策機制。

1.2 礦山空間數據中心建設

針對數字礦山三維可視化管控系統，綠色礦山生產管理與決策系統和業務運行中的信息需求，分析平臺中所涉及各類基礎數據等的存取需求[2]，如三維模型數據、基礎地理數據、資源數據、勘探測量數據、視頻監控數據、設備耗能數據、鉆探爆堆數據、計量化驗數據、計劃調度數據、生態監測數據等。用結構化分析方法開展需求分析，分析各類數據中所包含的空間、屬性等信息，生成詳細的需求規格說明書和數據字典，采用統一建模語言（UML）工具設計各礦山業務關系的實體屬性、實體標識碼以及不同實體之間的聯系及其類型，生成數據庫概念結構實體-關系（E-R）圖。在設計的概念結構E-R 圖的指導下，基于關系型數據庫管理系統和GeoDatabase空間數據模型[3]，建立標準統一的地理空間數據庫、業務監控數據庫、礦山EPR 數據庫以及系統運行數據庫等，構建綠色礦山數據信息中心（如圖1 所示）。

圖1 綠色礦山信息平臺空間數據中心建設中心框架

1.3 綠色礦山生產管理與決策支持體系建設

（1）三維實景。礦山三維實景是建設綠色礦山數字化平臺的重要組成模塊，其利用虛擬現實技術、攝影測量技術和三維可視化技術[4]，同時接入各類監測、生產等動態數據，直觀且實時地顯示人員、設備和環境信息，實現人機的動態交互，營造身臨其境的氛圍，全景展示地面的主要建筑、工作面布局，可多角度查看，放大縮小模型，實現工作場景的3D 漫游、設備運行的交互控制、業務流程的監控與管理。

（2）資源評價。根據三維地質實體模型的創建，應用地質技術的方法，從地質礦藏本身的形成、分布規律與工業技術的要求出發，對勘查礦產資源的任意地區、任意掘進工作面展開有關的剖析，生成詳細的礦產資源剖視圖，結合礦床勘查類型、礦產資源儲量和分類標準，計算統計已消耗礦產的數量、品質類型、分布區位等，掌握礦山資源開采率和利用率，為礦山資源進一步合理開發利用與高效生產作業提供基礎數據支撐。

（3）業務管理。基于完整統一的業務數據對項目的全生命周期（包括時間進度、成本、資源、風險和質量等）實現統一的聯動管理，為項目需求調研、規劃設計、任務分解部署、審批跟蹤、實施調度及驗收歸檔提供完整成熟的解決方案。

（4）視頻監控。視頻監控模塊全面采用高清、智能、物聯網、4G/5G 技術，選擇三維場景中的相機快速打開監控視頻畫面，在礦山各通道關鍵節點安裝視頻監控人流統計系統，對出入礦山的人員進行記錄、統計與分析，實現對礦山全景數據的管理及呈現。

（5）生產調度。利用射頻識別（RFID）技術[5]與計算機軟件技術、無線電技術相結合，對礦區運輸車輛進行自動識別、定位和調度，并對運輸能力進行自動統計。當生產運輸車輛經過特定的數據采集點時，前端數據采集設備自動識別車輛信息，并將信息傳輸監控主機，經過軟件統計計算后，顯示并存儲該車輛的運輸量。通過車載對講機的GPS 模塊對礦區運輸車輛的運行軌跡及位置進行定位管理，并通過語音對講系統對運輸車輛進行生產調度。

（6）物流運輸。智能調度和管理生產過程中的物流輸送任務，可快速、高效地建立符合實際需要的物流調度管理系統，可對輸送線、子母車、高速臺車等其他物流運輸設備等發送指令，實現高效的物料配送和倉儲管理，完成對進入作業區域的物料全生命周期的監管。

（7）人員監管。根據傳感設備實時采集到的礦區人員信息，通過人臉識別、體溫監測、酗酒檢測等人工智能傳感器設備自主完成健康與安全狀態的核查，將作業人員安全核查結果信息及時報送管理人員，協助管理人員依據管理制度及時做出處理。

（8）安全監管。礦山安全生產是第一要務，因此要分析與監測礦山作業環境中的危險源，主要有不穩定巖體、山體滑坡、有毒氣體、透水、火災等，通過智能傳感監測設備，實時在線與遠程監控礦山生產作業環境的各個角落，實現礦山安全生產與災害防治的科學化、信息化和智能化。

（9）生態監測。根據定期采集礦山地表航測、邊坡監測、排廢數據等動態生成礦山真三維模型，實現全過程動態監管。根據礦山真三維模型，獲取礦山地表參數數據，將礦山地表參數數據與標準指標進行比對，根據比對結果對礦山治理恢復效果進行評價，達到綠色礦區治理恢復持續、長效監管的目的。

2 平臺關鍵技術

2.1 多源數據尺度同化技術

由于礦山存在的“五性四多”（海量性、復雜性、異質性、動態性和不確定性，多源、多時相、多精度和多尺度）特點[6]以及數據格式、標準與存儲方式各異的問題，進行礦產資源數據與儲量模型多源異構時空數據的尺度同化及數據庫構建，實現各種類型數據的標準化處理，建立完整的礦產資源數據檢索目錄體系，集中管理、分發與共享數據集。

2.2 海量三維數據建模與高效運行技術

針對礦山海量三維實景場景傳輸、加載與展示時出現占用大量網絡帶寬資源、傳輸效率低等問題，可采用兩種技術方法改善，一是采用多層次動態金字塔加載技術（LOD），基于二次誤差測度（QEM）算法[7]，對海量三維實景數據進行多級別重采樣處理，根據不同的可視化級別動態顯示相應層次的LOD模型；二是采用流式傳輸技術逐條傳輸三維實景數據，具體操作是首先將礦山三維實景數據劃分為若干數據格網，類似電子地圖的瓦片數據，在傳輸礦山三維實景數據時，實現建筑物模型、紋理的漸進壓縮和漸進傳輸，即只動態加載展示視野范圍內的礦山三維模型（如圖2 所示）。

圖2 海量三維數據建模和高效運行技術

2.3 多種傳感設備監測礦山生產與生態信息的物聯網技術

礦山實時感知數據主要包括人員位置數據、生態監測數據、視頻數據、設備數據和計量數據等，根據建設要求需要利用物聯網技術在線監測各個傳感器硬件設備，實時匯集存儲并展示這些數據，實現礦山原有人員定位、礦區生態環境實時監測與預報預警、視頻數據實時查看、設備運行實時監測等，為礦區安全生產與生態治理提供支撐。

2.4 三維地質建模技術

三維地質建模一般通過專業軟件完成，如3DMine、Micromine、EVS 等。三維地質體建模的基本流程是：建立地形、數據入庫、導入剖面、建立模型及分析模型等。基于等高線等地形勘探數據建立三維地形模型；基于鉆孔數據、地形數據和剖面數據建立地質體模型，并賦予對應的地質屬性；基于面狀要素可建立體狀要素，建立包含相應屬性的地質體單元，用于統計分析礦產儲量與品位信息。

2.5 礦產資源預測和評價模型

為了滿足礦物資源的預評價和定量評價的需要，在礦產資源的預評價中采取相應的定量理論和數學建模，包括頻率傳遞分析、比例分析、趨勢分析、空間尺度分析、地統計學、差集理論、人工智能與專家系統、灰色系統、分式理論、神經網絡等，給礦產資源的預評估提供了基礎數學模型。

2.6 礦山生態環境評價模型

礦山生態環境評價模型主要基于礦產資源的開發利用模式、生態環境問題的種類、分布特征和風險程度來評價區域內生態環境狀況的差異。在遵循“區內相似、區際相異”原則的基礎上，通過接入沉降監測、邊坡監測、排污監測等傳感數據，科學評價礦山地質災害隱患、生態環境破壞、礦山環境污染三大環境問題情況，分析不同類型礦區污染物排放特性及對周圍的環境影響。參照結構指標、功能指標和協調指標構建生態環境綜合評價模型，基于層次分析法（AHP）[8]和模糊數學方法評估評價真實礦山生態環境狀況。

2.7 三維礦山場景動態可視化與網絡發布技術

三維可視化是智慧礦山建設的空間信息基礎支撐平臺的組成部分，可利用3DGIS 三維可視化，基于TerraExplorer Pro、Cesium[9]等平臺建立礦區地下和地面的三維場景，實現三維游覽、動態標注、導航定位、查詢統計、三維空間分析以及三維業務分析應用等功能。同時，為了在地圖以及三維模型發布過程中保證其實時性與動態性，在數據層采用SQLSever或Oracle 數據庫+ArcGIS SDE 保存模型數據、基礎地理數據，在業務層使用ArcGIS Server 與數據庫進行直連，并向外提供數據共享接口服務，以此給客戶瀏覽器端或移動終端提供數據支持，在客戶端再利用JavaScript API 接口對數據進行渲染顯示。實現基于三維可視化技術的三維實景地圖網絡終端的快速發布與動態可視化。

3 平臺架構與設計

基于物聯網技術、三維可視化技術、地理信息系統以及Web 技術支持，根據礦山的實際需求，開發智能的綠色礦山可視化信息平臺，為礦山數據管理、可視化、集成提供統一的服務，平臺總體架構如圖3 所示。

圖3 綠色礦山信息平臺架構圖

綠色礦山信息化服務平臺采用分層架構技術設計，在各類數據庫之上搭建數據訪問層、應用服務層和表現層（客戶層），不同層之間通過TCP/IP、Ajax、JSON 等技術進行消息通信與功能調度，分層架構技術實現了系統日常運行與后期維護的快捷性、穩定性與易擴展性。

數據層是平臺運行的血液，主要為綠色礦山信息化服務平臺提供數據存儲與管理服務，平臺業務數據庫采用關系型數據庫，主要包括生產數據、計劃數據、銷售數據、耗能數據、ERP 數據和各類傳感器監測數據等；平臺空間數據庫使用空間數據庫引擎ArcSDE 和GeoDateBase 數據庫存儲，主要包括地形數據、地質體數據、勘探數據、三維模型數據、遙感數據等。

應用服務層是平臺的核心層，采用MVC 編碼架構，負責基于數據訪問層提供的數據操作接口進行功能業務接口拼接封裝，通過服務層的業務分析與綜合決策能力，實現礦山數據服務、基礎服務、專題服務、接口服務、參數解析服務等的統一調度管理。

表現層是用戶操作界面，系統采用B/S 架構，負責接收客戶端請求，并根據請求調度不同的業務邏輯進行相應業務處理，再把處理結果以JSON 數據格式傳回給客戶端渲染顯示，實現用戶與平臺的交互，是實現礦山三維可視化、資源評價、業務管理、流程審批、智能決策、權限控制等業務模塊的窗口。

4 結論

本研究提出的綠色礦山信息化服務平臺設計方案，以服務保障礦山科學生產與可持續發展為目標，結合礦山部門實際需求，綜合運用4G/5G、大數據、物聯網、3DGIS 等前沿技術，建設立體化全息感知網絡、一體化通信網絡、協同聯動的業務體系、安全可靠的運行保障體系、完整統一的標準規范體系，實現礦山企業資源和工作流的有機整合，實現礦山信息化管理工作的跨越式發展。