煤礦智慧礦山三維智能管控系統設計與實現

安魚飛

(中煤航測遙感集團有限公司智慧礦山分公司，陜西省西安市，710199)

1 系統需求分析

煤礦智慧礦山三維智能管控系統運用三維建模將煤礦的礦區地表環境、勘探鉆孔、采掘、通風、運輸、排水、機電以及“六大系統”的設備等大量的煤礦生產場景構建三維模型，直觀真實地反映各管理要素的空間位置關系和數據關系，直觀動態地反映全礦安全、生產、經營狀況，為安全生產管理者提供動態輔助決策支持。

系統基于動態三維模型建模技術，融合煤礦安全、生產、經營的結構化和非結構化數據，構建包含煤礦井上下一體化的礦井采、掘、機、運、通各專業模型，實現全礦井“監測、控制、管理、保障”的一體化動態管理。真實反映各管理要素空間的位置關系，動態監測與控制煤礦的礦區地表環境、地質勘探、開采與掘進、設備管理、工業廣場等數據與變化情況，提升煤礦安全、生產、經營管理水平，提升生產效率，為數字化煤礦、智慧礦山建設提供有力支撐[1-2]。

系統能夠利用衛星數據和數字高程模型制作井田地面三維模型、地面工業廣場模型；利用二維礦圖轉換井下三維采掘工程模型；同時能夠制作大型機電設備模型、各類分站傳感器模型等。系統地分析儲量、生產調度、安全監控、人員定位、視頻監控、通風、排水、運輸、智能工作面、壓風、供水、應急救援、通訊等20余個子系統，能夠實時了解井下設備布置及實時采集數據，并在三維管控系統中展示和管理[3]。

2 系統架構設計

2.1 總體架構

煤礦智慧礦山三維智能管控系統綜合利用虛擬現實與仿真、GIS、數據庫、網絡通信及硬件集成等技術實現礦山生產環境、生產系統、人員和設備狀態的實時高仿真顯示，為礦山的集中監控提供一種新的解決方案。系統總體架構主要包括監測監控層、網絡傳輸層、數據中心層、業務應用層4個層面。煤礦智慧礦山三維智能管控系統總體架構如圖1所示。

圖1 煤礦智慧礦山三維智能管控系統總體架構

(1)監測監控層。該層主要包括采掘生產一線的自動化系統和監測監控系統，包括各類控制系統、傳感器和分站等，要求協議開放，便于集成，主要承擔末端數據采集與控制。

(2)網絡傳輸層。該層主要包括工業環網、通訊網絡、無線網絡、音視頻傳輸網、安全監測網等，主要承擔數據傳輸與網絡應用。

(3)數據中心層。該層主要在建設數據倉庫的基礎上提供信息存儲和數據融合服務，確保數據一致，并建立關聯度高的資源、生產、安全等領域信息的完整檢索機制，形成一致標準的主流信息，保證各專業領域信息服務的完整性；融合結構化數據和非結構化數據，以不同級別的索引建立標準化數據間的關聯；在時間深度和業務寬度與跨業務廣度這3個維度中建立具備相當厚度的數據體，以地理分析和數理分析為工具提取共性信息和關聯信息。

(4)業務應用層。該層在智慧礦山標準規范及信息交換共享的基礎上，依賴一張圖管理、三維GIS、綜合集成系統等構建煤礦業務應用，并協同管理。三維GIS平臺集成安全監測監控、人員定位、視頻監控與自動化控制等系統，實現數據展示、數據分析與位置服務，并實現場景的三維可視化、綜合集成、智能管控與報警聯動，提供綜合監測、安全管理等業務應用。煤礦智慧礦山三維智能管控系統分為集團端應用和礦端應用，集團端應用主要有三維一張圖管理、智慧礦山集成平臺、大數據分析。礦端應用主要有調度指揮、信息管理、生產監測、應急救援指揮等。

(5)終端用戶層。該系統可以應用在集團公司、業務處室、下轄機構、關聯單位等。分層、分級別、按照使用權限管控安全和生產數據。集團公司用戶主要管控公司各業務處室、下轄煤礦的生產安全匯總數據。公司業務處室管控各下轄煤礦的某一類數據，如各礦的生產技術類、安全管理類數據等。下轄煤礦管控本礦的所有安全生產數據。關聯單位，如運輸合作單位等，管理與其業務相關的數據。

2.2 功能架構

煤礦智慧礦山三維智能管控系統在具有真實坐標位置的三維環境中，動態仿真、直觀展現煤礦工業廣場、勘探鉆孔、采掘工程、通風、機電、運輸、通訊、安全監測、人員定位、給排水等多個要素，并接入以上管理要素的實時數據和變化情況，動態掌握全礦的安全、生產、經營的實時狀態，同時最大限度地挖掘和發揮煤礦數據的潛能和作用，并貫穿于煤礦規劃、生產與安全管理等全過程，實現礦山的科學決策與現代管理。煤礦智慧礦山三維智能管控系統功能架構如圖2所示。

圖2 煤礦智慧礦山三維智能管控系統功能架構

煤礦智慧礦山三維智能管控系統以協同應用為目標，集成接入煤礦綜合自動化數據，監測與控制各自動化設備，實時監控井下瓦斯、水、火等安全隱患和溫度、氧氣、一氧化碳等環境數據；集成自動化系統和信息化平臺實現遠程控制，對各類安全隱患進行實時報警和預警。煤礦管理人員可以通過煤礦智慧礦山三維智能管控系統進行生產調度指揮，對各類安全隱患按照應急預案及時處理，也可用于礦井災害的應急搶險救援[4]。

3 系統設計與實現

煤礦智慧礦山三維智能管控系統運用礦井三維地理信息數據集成技術，包括三維數據處理、三維漫游瀏覽、資源儲量管理、生產仿真與管理、通風動態管理、“六大系統”監測、事故模擬與分析以及應急救援指揮等模塊[5]。

3.1 三維數據處理

該模塊進行煤礦數據管理與處理，構建煤礦三維基礎平臺，運用煤礦三維GIS實現煤礦地表、工業廣場、勘探鉆孔、煤層、采掘工程、機電設備、通風、排水等生產管理要素數據處理并三維建模，支持隨采掘情況變化的模型位置動態實時更新。

3.1.1 礦區環境三維可視化

礦區環境三維可視化是利用衛星遙感影像、無人機航拍正射影像圖、數字高程模型建立礦區地表模型，使用無人機傾斜攝影建模技術建立工業廣場、地面建筑和其它地理要素模型，然后在三維GIS中建立三維場景[6]。工業廣場模型界面如圖3所示。

圖3 工業廣場模型界面

3.1.2 采掘工程與煤層三維建模

采掘工程與煤層三維建模是利用采掘工程平面圖建立采掘工程、井下硐室模型，并可隨著采掘工程平面圖的更新動態更新模型，構建可采煤層、采煤工作面等模型和斷層、陷落柱等地質環境模型，基于已有勘探鉆孔資料、煤層底板等高線等制作鉆孔三維模型和煤層三維模型[7]。以煤礦采掘工程平面圖或井下巷道測量導線點數據為基礎，通過轉換構建井下三維采掘工程模型，根據采掘工程圖及生產接續計劃等制作工作面、采空區等三維模型[8]。鉆孔三維模型和煤層三維模型界面如圖4所示，采掘工程模型界面如圖5所示。

圖4 鉆孔三維模型和煤層三維模型界面

圖5 采掘工程模型界面

3.1.3 機電設備建模

機電設備建模是構建綜采、通風、供配電、排水、運輸等系統的主要機電設備模型，包括地面風機模型、井下機電硐室、水泵房、井底車場、回采面、綜采設備、帶式輸送機、各類供水管道、壓風管道模型等。液壓支架和刮板輸送機模型界面如圖6所示。

圖6 液壓支架和刮板輸送機模型界面

3.2 三維漫游瀏覽

3.2.1 基本操作功能

(1)圖層管理。圖層管理包括對地理空間要素分層管理、開關圖層、設置圖層屬性等。

(2)空間查詢。空間查詢包括地圖上設定一個點位進行查詢、地圖上在指定的位置畫一個圓查詢圓內的地物要素、三維場景中在指定的區域繪制一個矩形框查詢相關的地物要素。

(3)熱點定位。熱點就是在三維場景點定位后，這個點就具備了鼠標操作的各種事件。例如：某個設備在圖形上定位后，鼠標移到這個設備上，點擊熱點圖標，就可以查詢該設備的相關信息。

(4)主要素檢索。主要素檢索就是對用戶所關心的信息如巷道、鉆孔、工作面、監測點等進行查詢搜索的功能，查詢的結果可以在三維場景中定位，同時也可以展示相關的屬性信息。

3.2.2 信息查詢功能

信息查詢功能能夠實現各類設備、管路、設施靜態信息查詢，包括安全監測、人員定位、壓風壓力、注水壓力、水倉倉位、電力開關參數、帶式輸送機參數狀態、倉位等各類工業自動化實時狀態參數查詢。

信息查詢可按照數據層級查詢統計分析，以曲線、報表、圖形等方式展示。在鏈接了各生產子系統實時工業數據庫后，可查詢各子系統動態變化信息，并可通過自動化子系統實現各類機電設備的遠程控制。信息查詢界面如圖7所示，井下主排水系統監測界面如圖8所示。

圖7 信息查詢界面

圖8 井下主排水系統監測界面

3.3 資源儲量管理

該模塊不僅管理礦區范圍內各可采煤層資源儲量、各采煤工作面資源量數據及統計數據、各工作面回采資源量及剩余資源量等，并結合原煤產量自動計算工作面回采率，同時也管理可采煤層、工作面、斷層、陷落柱等地質要素，各地質體可獨立操作，便于空間分析計算和制圖輸出。資源儲量管理界面如圖9所示。

圖9 資源儲量管理界面

3.4 生產仿真與管理

該模塊直觀展示礦井生產信息并可基于三維模型進行實時管理，形成生產動態采掘工程三維模型，動態展示與管理工作面回采的實時位置和進尺等信息以及巷道綜掘的實時位置和進尺，并動態生成各類生產報表。該模塊可以和智能工作面的自動化控制系統集成，三維展示智能工作面的實時生產數據。在三維模型上動態管理綜掘、回采、運輸、排水、通風等系統的實時生產情況，方便領導輔助決策分析。三維模型可根據調度管理報表的數據動態更新，反映最新的回采進尺和綜掘位置[9]。生產管理及工作面回采進尺管理界面如圖10所示。

圖10 生產管理及工作面回采進尺管理界面

3.5 通風動態管理

該模塊能夠三維動態顯示礦井通風系統信息，用戶可以查詢進回風路線、實時風量大小、測風站、局扇、通風構筑物及風機所在位置、風機實時運行參數等。井下通風監控三維管理界面如圖11所示。

圖11 井下通風監控三維管理界面

3.6 “六大系統”監測

實現煤礦“六大系統”中各個系統數據的信息管理、動態模擬和實時查詢，以及各系統監測指標的即時分析計算和預警分析等，為礦井安全生產提供技術保障[10]。

(1)安全監測監控系統。以采掘工程三維模型為基礎，自動導入傳感器三維模型位置，通過軟件服務接口接入安全監測監控系統的實時數據和報警數據，自動生成報表，與其它系統實現關聯分析，實現礦井安全的三維態勢感知。監測傳感器模型及實時監測監控界面如圖12所示。

圖12 監測傳感器模型及實時監測監控界面

(2)人員定位系統。以采掘工程三維模型為基礎，自動導入人員定位基站、人員和車輛的實時位置，統計顯示全礦井井下人員總數、各盤區人員分布，不僅能夠實現查詢人員信息(姓名、部門、入井時間、卡號等)、下井累計時間、回放人員歷史軌跡，而且能夠實現下井超時報警、人員求救報警。該模塊不僅能夠實現考勤管理，可以按班組、工種等要素統計考勤，而且可以實現車輛超速報警、人員歷史軌跡三維動畫回放等功能。人員實時位置和人員歷史軌跡三維顯示界面如圖13所示。

圖13 人員實時位置和人員歷史軌跡三維顯示界面

(3)緊急避險系統。可在三維采掘工程模型中集成管理緊急避險系統，包含安全出口、撤離方向和安全避災逃生路線、永久避難硐室及救生艙位置，并且可以接入顯示避難硐室內的安全監測信息和設備信息。緊急避險系統三維空間關系展示界面如圖14所示。

圖14 緊急避險系統三維空間關系展示界面

(4)通訊聯絡系統。集成接入礦山通訊網絡系統，實現三維管理有線電話網絡路線、電話布置、電話信息以及移動通信設備、語音廣播等設備仿真及屬性信息查詢。通訊聯絡系統三維管理界面如圖15所示。

圖15 通訊聯絡系統三維管理界面

(5)壓風自救系統。集成接入顯示礦山壓風自救系統，動態顯示壓風管路、自救設備位置、設備運行參數及屬性查詢。

(6)供水施救系統。集成接入顯示礦山供水網絡系統，動態顯示供水路線、水泵等設備位置、設備運行參數及屬性查詢。

3.7 事故模擬與分析

該模塊運用三維巷道模型進行空間拓撲分析，模擬事故現場的災情影響范圍，計算逃生路線和模擬救援策略，輔助應急救援指揮。該模塊包括井下水淹分析、井下爆炸事故模擬分析等功能。

(1)井下水淹分析。該分析模擬井下某位置發生透水事故時，以出水點標高為基準，按照涌水量及時間模擬不同時間淹沒的井下巷道區域，統計區內井下人員數量。

(2)井下爆炸事故模擬分析。該分析模擬井下煤塵或瓦斯濃度超標以及發生爆炸時的破壞程度，根據劃定的空間范圍計算范圍內巷道內體積，結合該煤塵或瓦斯濃度在此區域內爆炸產生破壞換算的TNT當量，預估該次爆炸對選定范圍內巷道的破壞程度。

3.8 應急救援指揮

該模塊可以模擬再現事故發生的過程，便于事故調查者觀測和分析事故的發生過程和發生的原因，從而采取預防措施，防止類似事故的再次發生，防患于未然。模擬事故發生后，根據礦井生產系統的現狀，可以快速生成安全避災線路圖，標有線路運行方向，實現三維動畫顯示。同時可以通過應急廣播、調度電話、無線通信、人員定位卡等多種方式通知相關區域人員及時沿逃生路線撤離[11]。

4 關鍵技術

4.1 數據信息融合技術

數據信息融合技術是對煤礦生產、安全、管理數據的采集、統計和分析，主要的性能指標包括以下幾個方面。

(1)統一的信息訪問渠道。通過將內部和外部各種相對分散獨立的信息組成一個統一的整體，使用戶能夠從統一的渠道訪問其所需的信息。

(2)不間斷的服務。通過網絡和安全可靠的機制使用戶在任何時間任何地點都可以訪問企業的信息和應用，保證企業綜合調度平臺的穩定運行。

(3)強大的內容管理能力。對企業各種類型信息的處理能力，支持非結構化的數據及多種數據庫格式數據，并可以搜索和處理各種格式的文檔。

(4)個性化的應用服務。信息門戶的數據和應用可以根據用戶的要求來設置和提供，定制出個性化的應用門戶，符合不同使用者的個人習慣，提高工作效率。

(5)與現有系統的集成。能將企業現有的數據和應用無縫地集成到一起，無需重新開發，節省了投資。

(6)高度的可擴展性。能適應企業新的人員和部門的調整和變化，滿足企業業務調整和擴展的要求，解決企業與IT部門短時間內無法解決的技術需求問題。

(7)安全可靠的保障。通過安全機制保證數據的機密性及完整性，保障各項業務應用的正常運轉。

4.2 三維GIS技術

三維GIS技術是對地理空間中的三維數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統，直觀展示真實地理世界，有強大的三維GIS分析功能。三維GIS技術是實現礦區地表、工業廣場、煤層模型、采掘工程模型、設備模型等三維數據建模、管理、分析的主要技術，而且可以融合組態技術對井下設備進行在線狀態監測。各類子系統控制設備通常是PLC、智能分站、傳感器等，從而實現對各類生產、安全數據實時監測和實時報警。使用三維GIS技術進行建模，使其更加直觀和更加真實，使用人員會感覺身臨其境。同時可以連接設備監測控制系統，實現在三維仿真環境下的可視化管控，實現煤礦的地質數據、采掘工程信息生成三維GIS地圖，以三維可視化角度來觀察煤礦的生產過程，并將煤礦的井下生產場景、人員位置信息、礦井的出煤量以及井下各個監控點的瓦斯濃度信息在立體礦井圖上清楚地展現出來[12]。

4.3 協同管理技術

協同管理技術是在統一工作平臺、統一網絡環境中，以煤礦生產安全管理為主線，以各部門業務流程及需求為對象，通過權限管理、資源狀態管理、歷史版本管理、用戶數據沖突處理、數據審核等功能解決數據統一、協同工作、資源共享的問題，保證數據安全，可使多人同時在線處理各類圖件及數據信息，提升專業配合，大大提高工作效率。

5 應用情況

2020年8月，該系統在陜西榆林能源集團有限公司楊伙盤煤礦(以下簡稱“楊伙盤煤礦”)、新疆焦煤集團1890煤礦得到了成功應用，實現了在統一的三維管控平臺下，集成管理采、掘、機、運、通等系統的數據，綜合動態管理煤礦的生產、安全和經營的三維動態管理仿真。實現了全礦井數據建模與管理、資源儲量三維管理、采掘工程模型實時更新、三維通風模擬仿真、三維綜合自動化平臺數據監測、人員和車輛的實時位置三維展示、逃生路線分析等功能，實現了全礦井監測、控制、管理、保障的一體化動態管理。

在楊伙盤煤礦應用本系統以后，節省設備檢測維護費用、安全監管費用、減員成本費用，提高設備運行效率和安全性、提高生產效率等產生經濟效益約850萬元/a；楊伙盤煤礦成為地方國有企業煤礦智能化建設的示范礦井，帶動了周邊煤礦智能化建設的整體水平，產生了較好的社會效益。

6 結語

煤礦智慧礦山三維智能管控系統在一個統一坐標的時空三維平臺下，綜合動態管理煤礦的生產、安全、經營。系統集成了地質、測量、采掘、通風、機電、運輸、通風、排水等系統數據，實現了三維動態管理仿真，實現全礦井監測、控制、管理、保障的一體化動態管理，提升了煤礦安全生產管理水平和生產效率。