三維智慧礦山系統平臺的設計與實現

謝春華

（中煤科工集團沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

建設三維智慧礦山系統平臺，對于優化礦山生產，減少安全事故，都能夠體現出積極的作用。三維智慧礦山系統平臺，需要基于相關的計算機技術、信息技術、智能設備終端等，建立起可視化的三維平臺，基于智能終端設備實時采集，實現車輛定位、人員定位、視頻監控、環境監測等，在三維化系統平臺中實現整體化的管理、分析和控制，為礦山生成和管理通過有效的技術支持和決策輔助。所以，就需要對此展開研究，明確構建三維智慧礦山的一些基本手段。

1 三維智慧礦山系統平臺的技術功能需求

三維智慧礦山系統平臺，是以信息化和數字化作為前提基礎，對礦山生產、職業安全、后勤保障、技術支持等方面實現主動感知、自動分析、快速處理而建立起來的三維可視化智慧管理系統平臺。三維智慧礦山系統平臺，在技術功能需求上，主要包含三個方面：

（1）智慧生產功能（智慧生產輔助系統），該功能就是用于支撐輔助礦山開采作業，比如對開采工作面實現三維化構建，自動分析開采設備的行徑策略，然后自動編制開采命令，遠程控制開采設備執行操作，實現開采作業。不僅如此，還可以對礦井下的生產環境、過程實現集成監控，基于三維化的模型，實時反映井下情況，對開采管理提供良好的保障。

（2）職業安全和健康保障功能，主要包含了礦山整體的環境、防火、防水、通風等方面的安全防護工作。可以針對礦山建筑區建立三維化的模型，如圖1 所示，將建筑區內的建筑物、道路等地面構筑物在正確位置標識出來，然后從宏觀整體制定相應的安防措施。

（3）后勤保障與技術支持功能，這部分主要是為礦山生產服務，比如自動化辦公、生活管理、考勤系統、車輛調度、設備調度等等。后勤保障與技術支持系統，主要作用就是服務于礦山的各方面工作，確保能夠實現有效的開展。

總的來說，三維智慧礦山系統平臺的技術功能需求，包含了多個方面的內容，可以分為多個不同的功能系統。但是從技術層面來講，不同功能系統在搭建上的技術原理相似，只是在細節上有所區別。三維智慧礦山系統平臺的建設，也需要結合礦山的實際情況來進行，立足礦山本身的要求，建立起對對應的三維智慧礦山系統，為礦山生產與管理服務，推動礦山的發展進步。

2 三維智慧礦山系統平臺設計技術要點與預期技術價值

2.1 設計技術要點

建設三維智慧礦山系統平臺，這是擺在礦山企業面前的一個全新任務，推動智慧礦山的建設。在具體的設計過程中，需要對其中的一些技術要點予以明確掌握。

2.1.1 幾何表達

三維智慧礦山系統平臺的設計，幾何表達是實現礦山三維化構建的數字鏡像，在系統平臺的設計過程中，對于礦層、采掘工程以及生產系統的形態和空間位置，通過三維模型作為數據載體，以幾何形式對這些內容進行表達，在系統平臺中反映出來，是設計三維智慧礦山系統的根本基礎所在。

圖1：智慧礦山三維模型

圖2：智慧礦山全景展示

2.1.2 信息對應

三維智慧礦山系統平臺，需要把握虛擬世界和現實世界的對應關系，也就是在三維模型的建造和，需要和現實世界的真實情況保持一一對應的關系。在設計過程中，三維模型是設計對象的容器，是對象間關系的記錄和處理者，也是實現虛擬礦山整體表達的載體。這之中需要關注三維模型建造和表示，重點把控地質體、井巷工廠、地物和設備。同時，要做好系統連接，也就是將反映礦井生產現狀的系統，與三維系統平臺要形成對接。比如開采、供電、運輸等系統，需要和監控系統對接，并且在三維系統平臺中展示出來。

2.1.3 數據分析和處理

支持三維智慧礦山系統平臺運轉的核心，在于數據分析和處理。對于智能終端和監測設備所獲取的信息數據，要基于系統平臺進行處理，得到更加直觀的結果，然后對應做出處理，執行管控操作。比如通過監測設備，了解采掘工作情況，對應控制調整通風系統的運轉，為采掘工作空間降低粉塵或是疏散氣體。

2.2 預期技術價值

對于礦山企業來講，建立三維智慧礦山系統，能夠產生多方面的不同作用，需要對其預期技術價值形成認識。

（1）通過三維智慧礦山系統的建設，提高礦山生產效率。在傳統的生產模式下，生產組織工作需要花費較多時間，比如對于人力、設備的調用安排，對于作業計劃的設定等等，都需要花費較多時間來進行論證，并制定方案。而有了三維智慧礦山系統，很多工作可以通過智慧系統自動完成，大大縮短了時間，起到了提升效率的作用。比如對于車輛、設備的調度安排，系統可以根據作業需求，自動實現設備分配，然后下達調度指令。

（2）提高礦山生產的安全水平。針對礦山生產來講，保證安全是一項非常重要的工作，只有保證安全，才能讓礦山生產得到長久維系。通過三維智慧礦山系統的建立，可以對安全實現細化管理，提升安全風險識別能力，可以盡早發現安全隱患，及時予以處置，從而最大程度減少安全問題出現。

（3）通過智慧礦山系統的建設，減少礦山企業的生產成本。在傳統模式中，礦山生產不僅需要投入大量設備，還需要投入大量人力，成本較高。基于三維智慧礦山系統的建立，就可以讓很多工作環節實現自動化和無人化，這樣一來可以節省不少人力成本。

3 三維智慧礦山系統設計與實現

3.1 系統架構設計

在系統架構設計這個方面，主要涉及到系統結構、功能設計和主要技術，下面逐一進行闡述：

3.1.1 系統結構

對于三維智慧礦山系統，整體的系統結構，可以分為三層，分別為應用層、服務層和傳感器層。應用層，就是智慧系統與用戶的交互界面系統，基于該交互界面，可以向人員輸出信息，也可以通過人員操作實現信息輸入和指令輸出。當然，除了人員之外，應用層還會連接設備生產管理、監控系統等，從而為自動化控制的實現打下基礎。服務層，主要是實現系統服務的中間層，主要涉及到信息的傳輸、分析、處理、儲存等，包含了三維數據服務器、網絡發布服務器、數據庫、數據訪問層等。而傳感器層，主要就是用于采集信息的各類傳感設備，如人員定位卡、風速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等等各類數據采集儀器。

3.1.2 功能設計

功能設計，就是確定智慧礦山系統平臺的主要功能，這也是設計的重點所在。

（1）井上與井下的三維全景瀏覽（如圖2），具體功能要包含全景展示、縮放、拉近拉遠、360 度旋轉、仰視俯視、自由漫游、距離測量、面積測量等具體功能。通過這些功能，可以在三維化場景中，對礦山情況全面掌握。

（2）人員管理，包含人員定位、軌跡回放、身體狀態監控、井下人員統計等等。

（3）設備管理，對開采設備、基站、各類傳感器、皮帶運輸機、風機等設備的運轉狀態、位置等實現管理。

（4）區域查詢，可以對區域內的基站進行查詢、人員聚集情況查詢，超員報警等等。

（5）安全管理，包括發出緊急撤離通知、人員超員報警、人員超時報警、環境狀態異常報警、設備異常報警等方面的具體功能。

（6）環境量統計分析。涉及到設備狀態量、環境量、模擬量等查詢和分析，還可以對歷史環境量進行統計分析，并且通過圖表展示。此外，還涉及到一些其他的具體功能。

3.1.3 主要技術

要實現上述功能，需要一些具體技術的支持。

（1）三維顯示技術。要實現井上環境和井下環境的三維化構建，那么自然就需要三維顯示技術的支持，這可以運用先進的虛擬仿真技術，通過高分辨率航拍數字影像，獲得礦區的地理地形，然后基于虛擬仿真技術，依托數字影像和相關數據，展開井上環境的三維構建。而對于井下環境，也需要依托信息采樣、GIS 定位、視頻監控等技術，構建起相應的井下三維模型，將井下環境通過三維模型展示出來，還可以基于視頻監控，展示實時環境。

（2）動態定位技術。在礦山生產中，人員和設備，都具有流動性，并不會在一個地方固定不同，而是會根據具體的生產工作安排，在不同的區域流動。出于生產管理和安全管理的需求，就需要對人員和設備實現定位。這就需要使用到動態定位技術，基于真實的地理坐標，在三維環境中，真實顯示人員或設備所處的位置。

（3）傳感器的集成。在三維智慧礦山系統中，傳感器是獲取信息的重要設備，傳感器采集數據，通過基站回傳系統，儲存到數據庫之中。鑒于使用到的傳感器設備數量眾多，這需要關注到傳感器的集成，將不同傳感器以及相關的技術整合起來，提高其一體化的屬性。

3.2 開發實現

三維智慧礦山系統的建設，在做好系統架構設計的基礎上，還需要做好相應的開發實現工作。可以采用B/S 的系統結構，采用SQL Server 數據庫。基于B/S 的系統結構，將礦山信息系統和三維場景結合起來，在計算機上真實再現，形成三維立體的礦山模型。

基于Windows7 或Windows10 作為運行環境。開發平臺可以選擇World Wind，這是美國宇航局推出的一款開源的三維展示平臺，該平臺具有非常優秀的架構，三維展示功能強大，具有很多便利的設計功能，具有上百種實用的設計插件，為三維設計的實現提供了方便。開發語言可以選擇ASP.net。.net 作為Microsoft XML Web services 平臺，其允許應用程序基于Internet 實現通信和數據共享，還可以將服務集成起來。硬件方面，服務器選擇Intel Xeon 系列，內存選擇16G 或以上，硬盤1TB 以上。監控端CPU 選擇Intel Core系列，內存8G，獨立顯卡，顯存2G。

4 結束語

建設三維智慧礦山系統，這是礦山發展的全新趨勢。在當前環境下，有關人士需要對三維智慧礦山建設的必要性和積極作用形成有效認識，然后合理設計三維智慧礦山的系統結構，明確相關的技術，并且做好開發實現，讓三維智慧礦山系統能夠在礦山中得到真正運用。