三維智慧礦山系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝春華

（中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

建設(shè)三維智慧礦山系統(tǒng)平臺，對于優(yōu)化礦山生產(chǎn)，減少安全事故，都能夠體現(xiàn)出積極的作用。三維智慧礦山系統(tǒng)平臺，需要基于相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、智能設(shè)備終端等，建立起可視化的三維平臺，基于智能終端設(shè)備實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)車輛定位、人員定位、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等，在三維化系統(tǒng)平臺中實(shí)現(xiàn)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(shù)支持和決策輔助。所以，就需要對此展開研究，明確構(gòu)建三維智慧礦山的一些基本手段。

1 三維智慧礦山系統(tǒng)平臺的技術(shù)功能需求

三維智慧礦山系統(tǒng)平臺，是以信息化和數(shù)字化作為前提基礎(chǔ)，對礦山生產(chǎn)、職業(yè)安全、后勤保障、技術(shù)支持等方面實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、快速處理而建立起來的三維可視化智慧管理系統(tǒng)平臺。三維智慧礦山系統(tǒng)平臺，在技術(shù)功能需求上，主要包含三個(gè)方面：

（1）智慧生產(chǎn)功能（智慧生產(chǎn)輔助系統(tǒng)），該功能就是用于支撐輔助礦山開采作業(yè)，比如對開采工作面實(shí)現(xiàn)三維化構(gòu)建，自動(dòng)分析開采設(shè)備的行徑策略，然后自動(dòng)編制開采命令，遠(yuǎn)程控制開采設(shè)備執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)開采作業(yè)。不僅如此，還可以對礦井下的生產(chǎn)環(huán)境、過程實(shí)現(xiàn)集成監(jiān)控，基于三維化的模型，實(shí)時(shí)反映井下情況，對開采管理提供良好的保障。

（2）職業(yè)安全和健康保障功能，主要包含了礦山整體的環(huán)境、防火、防水、通風(fēng)等方面的安全防護(hù)工作。可以針對礦山建筑區(qū)建立三維化的模型，如圖1 所示，將建筑區(qū)內(nèi)的建筑物、道路等地面構(gòu)筑物在正確位置標(biāo)識出來，然后從宏觀整體制定相應(yīng)的安防措施。

（3）后勤保障與技術(shù)支持功能，這部分主要是為礦山生產(chǎn)服務(wù)，比如自動(dòng)化辦公、生活管理、考勤系統(tǒng)、車輛調(diào)度、設(shè)備調(diào)度等等。后勤保障與技術(shù)支持系統(tǒng)，主要作用就是服務(wù)于礦山的各方面工作，確保能夠?qū)崿F(xiàn)有效的開展。

總的來說，三維智慧礦山系統(tǒng)平臺的技術(shù)功能需求，包含了多個(gè)方面的內(nèi)容，可以分為多個(gè)不同的功能系統(tǒng)。但是從技術(shù)層面來講，不同功能系統(tǒng)在搭建上的技術(shù)原理相似，只是在細(xì)節(jié)上有所區(qū)別。三維智慧礦山系統(tǒng)平臺的建設(shè)，也需要結(jié)合礦山的實(shí)際情況來進(jìn)行，立足礦山本身的要求，建立起對對應(yīng)的三維智慧礦山系統(tǒng)，為礦山生產(chǎn)與管理服務(wù)，推動(dòng)礦山的發(fā)展進(jìn)步。

2 三維智慧礦山系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)與預(yù)期技術(shù)價(jià)值

2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

建設(shè)三維智慧礦山系統(tǒng)平臺，這是擺在礦山企業(yè)面前的一個(gè)全新任務(wù)，推動(dòng)智慧礦山的建設(shè)。在具體的設(shè)計(jì)過程中，需要對其中的一些技術(shù)要點(diǎn)予以明確掌握。

2.1.1 幾何表達(dá)

三維智慧礦山系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)，幾何表達(dá)是實(shí)現(xiàn)礦山三維化構(gòu)建的數(shù)字鏡像，在系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)過程中，對于礦層、采掘工程以及生產(chǎn)系統(tǒng)的形態(tài)和空間位置，通過三維模型作為數(shù)據(jù)載體，以幾何形式對這些內(nèi)容進(jìn)行表達(dá)，在系統(tǒng)平臺中反映出來，是設(shè)計(jì)三維智慧礦山系統(tǒng)的根本基礎(chǔ)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(yīng)

三維智慧礦山系統(tǒng)平臺，需要把握虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的對應(yīng)關(guān)系，也就是在三維模型的建造和，需要和現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)情況保持一一對應(yīng)的關(guān)系。在設(shè)計(jì)過程中，三維模型是設(shè)計(jì)對象的容器，是對象間關(guān)系的記錄和處理者，也是實(shí)現(xiàn)虛擬礦山整體表達(dá)的載體。這之中需要關(guān)注三維模型建造和表示，重點(diǎn)把控地質(zhì)體、井巷工廠、地物和設(shè)備。同時(shí)，要做好系統(tǒng)連接，也就是將反映礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀的系統(tǒng)，與三維系統(tǒng)平臺要形成對接。比如開采、供電、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)，需要和監(jiān)控系統(tǒng)對接，并且在三維系統(tǒng)平臺中展示出來。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

支持三維智慧礦山系統(tǒng)平臺運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，在于數(shù)據(jù)分析和處理。對于智能終端和監(jiān)測設(shè)備所獲取的信息數(shù)據(jù)，要基于系統(tǒng)平臺進(jìn)行處理，得到更加直觀的結(jié)果，然后對應(yīng)做出處理，執(zhí)行管控操作。比如通過監(jiān)測設(shè)備，了解采掘工作情況，對應(yīng)控制調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，為采掘工作空間降低粉塵或是疏散氣體。

2.2 預(yù)期技術(shù)價(jià)值

對于礦山企業(yè)來講，建立三維智慧礦山系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生多方面的不同作用，需要對其預(yù)期技術(shù)價(jià)值形成認(rèn)識。

（1）通過三維智慧礦山系統(tǒng)的建設(shè)，提高礦山生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式下，生產(chǎn)組織工作需要花費(fèi)較多時(shí)間，比如對于人力、設(shè)備的調(diào)用安排，對于作業(yè)計(jì)劃的設(shè)定等等，都需要花費(fèi)較多時(shí)間來進(jìn)行論證，并制定方案。而有了三維智慧礦山系統(tǒng)，很多工作可以通過智慧系統(tǒng)自動(dòng)完成，大大縮短了時(shí)間，起到了提升效率的作用。比如對于車輛、設(shè)備的調(diào)度安排，系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)需求，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配，然后下達(dá)調(diào)度指令。

（2）提高礦山生產(chǎn)的安全水平。針對礦山生產(chǎn)來講，保證安全是一項(xiàng)非常重要的工作，只有保證安全，才能讓礦山生產(chǎn)得到長久維系。通過三維智慧礦山系統(tǒng)的建立，可以對安全實(shí)現(xiàn)細(xì)化管理，提升安全風(fēng)險(xiǎn)識別能力，可以盡早發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時(shí)予以處置，從而最大程度減少安全問題出現(xiàn)。

（3）通過智慧礦山系統(tǒng)的建設(shè)，減少礦山企業(yè)的生產(chǎn)成本。在傳統(tǒng)模式中，礦山生產(chǎn)不僅需要投入大量設(shè)備，還需要投入大量人力，成本較高。基于三維智慧礦山系統(tǒng)的建立，就可以讓很多工作環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人化，這樣一來可以節(jié)省不少人力成本。

3 三維智慧礦山系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)這個(gè)方面，主要涉及到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)和主要技術(shù)，下面逐一進(jìn)行闡述：

3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于三維智慧礦山系統(tǒng)，整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以分為三層，分別為應(yīng)用層、服務(wù)層和傳感器層。應(yīng)用層，就是智慧系統(tǒng)與用戶的交互界面系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)信息輸入和指令輸出。當(dāng)然，除了人員之外，應(yīng)用層還會連接設(shè)備生產(chǎn)管理、監(jiān)控系統(tǒng)等，從而為自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。服務(wù)層，主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)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(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)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(shè)備，如人員定位卡、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等等各類數(shù)據(jù)采集儀器。

3.1.2 功能設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)，就是確定智慧礦山系統(tǒng)平臺的主要功能，這也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(yuǎn)、360 度旋轉(zhuǎn)、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(tài)監(jiān)控、井下人員統(tǒng)計(jì)等等。

（3）設(shè)備管理，對開采設(shè)備、基站、各類傳感器、皮帶運(yùn)輸機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、位置等實(shí)現(xiàn)管理。

（4）區(qū)域查詢，可以對區(qū)域內(nèi)的基站進(jìn)行查詢、人員聚集情況查詢，超員報(bào)警等等。

（5）安全管理，包括發(fā)出緊急撤離通知、人員超員報(bào)警、人員超時(shí)報(bào)警、環(huán)境狀態(tài)異常報(bào)警、設(shè)備異常報(bào)警等方面的具體功能。

（6）環(huán)境量統(tǒng)計(jì)分析。涉及到設(shè)備狀態(tài)量、環(huán)境量、模擬量等查詢和分析，還可以對歷史環(huán)境量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shù)

要實(shí)現(xiàn)上述功能，需要一些具體技術(shù)的支持。

（1）三維顯示技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)井上環(huán)境和井下環(huán)境的三維化構(gòu)建，那么自然就需要三維顯示技術(shù)的支持，這可以運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，通過高分辨率航拍數(shù)字影像，獲得礦區(qū)的地理地形，然后基于虛擬仿真技術(shù)，依托數(shù)字影像和相關(guān)數(shù)據(jù)，展開井上環(huán)境的三維構(gòu)建。而對于井下環(huán)境，也需要依托信息采樣、GIS 定位、視頻監(jiān)控等技術(shù)，構(gòu)建起相應(yīng)的井下三維模型，將井下環(huán)境通過三維模型展示出來，還可以基于視頻監(jiān)控，展示實(shí)時(shí)環(huán)境。

（2）動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。在礦山生產(chǎn)中，人員和設(shè)備，都具有流動(dòng)性，并不會在一個(gè)地方固定不同，而是會根據(jù)具體的生產(chǎn)工作安排，在不同的區(qū)域流動(dòng)。出于生產(chǎn)管理和安全管理的需求，就需要對人員和設(shè)備實(shí)現(xiàn)定位。這就需要使用到動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，基于真實(shí)的地理坐標(biāo)，在三維環(huán)境中，真實(shí)顯示人員或設(shè)備所處的位置。

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

3.2 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

三維智慧礦山系統(tǒng)的建設(shè)，在做好系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需要做好相應(yīng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)工作。可以采用B/S 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫。基于B/S 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將礦山信息系統(tǒng)和三維場景結(jié)合起來，在計(jì)算機(jī)上真實(shí)再現(xiàn)，形成三維立體的礦山模型。

基于Windows7 或Windows10 作為運(yùn)行環(huán)境。開發(fā)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(yōu)秀的架構(gòu)，三維展示功能強(qiáng)大，具有很多便利的設(shè)計(jì)功能，具有上百種實(shí)用的設(shè)計(jì)插件，為三維設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了方便。開發(fā)語言可以選擇ASP.net。.net 作為Microsoft XML Web services 平臺，其允許應(yīng)用程序基于Internet 實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)共享，還可以將服務(wù)集成起來。硬件方面，服務(wù)器選擇Intel Xeon 系列，內(nèi)存選擇16G 或以上，硬盤1TB 以上。監(jiān)控端CPU 選擇Intel Core系列，內(nèi)存8G，獨(dú)立顯卡，顯存2G。

4 結(jié)束語

建設(shè)三維智慧礦山系統(tǒng)，這是礦山發(fā)展的全新趨勢。在當(dāng)前環(huán)境下，有關(guān)人士需要對三維智慧礦山建設(shè)的必要性和積極作用形成有效認(rèn)識，然后合理設(shè)計(jì)三維智慧礦山的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，明確相關(guān)的技術(shù)，并且做好開發(fā)實(shí)現(xiàn)，讓三維智慧礦山系統(tǒng)能夠在礦山中得到真正運(yùn)用。