基礎地理信息數據在智慧化礦山建設中的應用

高金龍

（山東國建土地房地產評估測繪有限公司，山東 濟南 250101）

數字化、信息化、無人化、智能化及綠色開采是目前礦山發展的主要方向。智慧礦山是信息產業和工業領域的一種先導性技術理念，是兩化融合在礦山行業內的具體體現。智慧礦山集合了采礦技術、信息技術、通信技術、自動控制技術、物聯網技術、軟件技術、云計算、大數據等多項技術，是建立在礦山數字化基礎上的能夠完成礦山企業所有信息的精準適時采集、網絡化傳輸、規范化集成、可視化展現、自動化運行和智能化服務的數字化智慧體。

1 智慧礦山建設的背景概述

礦產資源是我國經濟發展的重要基礎，但在以往的礦山生產過程中，存在管理過于粗放的問題，安全事故頻發，對我國礦產領域的發展造成了比較大的影響。除了安全生產問題外，我國礦產開采過程還存在一定的用工荒問題，部分礦產企業甚至出現嚴重的招工困難情況。在這一形勢下，需要積極創新與完善礦山生產管理模式，加強機械化生產以及智能化管理力度，以滿足礦山生產的實際需求。2010 年，智慧礦山理念傳入我國，為礦產領域生產優化提出了新的思路。智慧礦山主要指將人工智能、工業物聯網、云計算以及大數據等技術與現代煤炭開發利用進行深度融合，構建全面感知以及實時互聯的智能控制系統。應用智慧礦山系統能夠實現對礦山生產全過程的有效管理，實現經營安全的智能化運行，進一步提升礦山生產的安全性與可靠性[2]。

2 地理信息系統（GIS）

地理信息系統是結合計算機技術，對地表空間的地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。GIS 數字測繪技術以GIS 技術為基礎，充分運用空間數據以及屬性數據，聯合數據庫構建對應的地理信息平臺，完成數據的管理以及使用，即GIS 系統能夠完成對信息數據的采集、儲存以及處理，轉化成空間地理圖，并利用空間可視化技術構建三維視覺模式，為礦山開采提供更加可靠、合理、科學的信息。在礦山測量中，GIS 可對采集的礦山三維數據建立礦山三維數字模型，將礦區地表和地下空間環境進行化三維可視化顯示，制作采礦、地質與測繪等不同種類的專題信息圖；可以統一集中管理礦山多源、海量的地理信息數據，對海量數據進行深層次分析并挖掘潛在信息，建立更加科學高效的決策支持系統，用于礦山實際環境模擬與預測；基于行業應用的專業分析功能，可為礦山生產過程提供科學指導，為礦山突發事故提供所需的應急預案；結合GPS 定位技術和GIS 空間分析功能，開發出礦井下工作人員定位系統，實時了解礦工位置、井下相關工作信息，同時保證礦工安全；GIS 技術用于礦產資源勘探監測與開采，為礦區多源海量數據提供數據集成和應用平臺，提高了礦產采出率和利用率。

3 基礎地理信息數據在智慧化礦山建設中的應用

3.1 增加投資，提高智慧化建設力度

1.無人化綜采工作面系統人員優化。以目前在部分煤炭企業已經實施成熟的智能化綜采工作面系統為基礎，以適應張家峁礦業公司地質條件及煤層賦存條件為前提，結合大數據技術、網絡技術、智能技術建設張家峁礦業公司無人化綜采開采系統；該系統實施后優化勞動用工情況如下：推行智能化綜采工作面后，在正規作業循環與日產量達到同等水平的前提下，與傳統綜采工作面對比，單日節省勞動用工16 個，提高了生產效率。

2.人機協同掘錨一體系統。以快速掘進掘錨一體化建設為平臺，結合信息技術、網絡技術、智能技術及自動噴漿機器、自動抽排水系統、混凝土底板施工系統等成熟輔助技術，建設張家峁礦業公司人機協同快速掘進掘錨一體系統；該系統實施后優化勞動用工情況如下：應用掘錨一體機系統后，使得生產過程中割煤與支護同時進行，即在掘錨機前伸掏槽割煤的同時，支護工打頂、幫錨桿和掛幫網平行作業，掘錨機進刀完畢時頂、幫支護也已完成，與傳統的綜掘掘進系統相比，保證掘錨機能夠連續向前推進，增加了有效生產時長，提高了生產效率，同時，借助無線傳輸和遠程操控技術，實現了無線遙控操作掘錨機作業，將主要操作人員從高風險高危害的崗位上解放出來，大大降低了勞動強度，優化了用工效率[3]。

3.智能皮帶運輸控制系統。以現有皮帶運輸系統的堆煤保護、防撕裂、防自然、防跑偏為基礎，在綜采順槽皮帶機頭、掘進皮帶增設擠壓式破碎機及除鐵器，再結合皮帶傳感器系統、網絡技術、信息技術、巡檢機器人形成智能化皮帶運輸系統；該系統實施后勞動用工優化情況如下：依托在線監測系統，智能化皮帶運輸系統的應用實現了原煤運輸皮帶地面遠程集中控制，在實現減人、少人操作的基礎上，探索“機器人換人”的新技術，真正將工人從危險崗位中替換下來，通過無線信號配合數據、圖像采集，實現生產過程的連續、高質量、長時間往復巡檢。一旦發現異常，機器人將及時報警，并利用里程和圖像準確定位故障位置。經對比，實行智能化皮帶運輸系統后，減少勞動用工達30%，開機率提高了6.5%。

4.智能輔助生產系統。鑒于張家峁礦業公司四層煤層運行，兩層煤層開采的現狀，應加快完善無人智能變電硐室建設、各工作點的自動抽排水系統建設、掏槽機器人建設、砌密閉及防火墻建設，加大井下清掃車、抑塵車、吸污車投入，減少傳統輔助人工工作量，從而減少輔助用工人員，減員率達到42.45%。

5.“一通三防”智能管控系統。在現有風水聯動、在線瓦斯監測、粉塵在線傳感、束管監測、光纖測溫等監測監控系統的基礎上，進一步完善智能化監測監控系統，確保“一通三防”監測監控智能化、無人化，從而減少“一通三防”傳統從業人員人數。

3.2 提升系統模塊

礦區已有的提升控制信號系統實現了自動化，但對提升機的提升效率缺乏有效分析。通過對提升機油壓、電流、速度、加速度、位置、提升量、能耗、軸溫、油品等數據進行監測，建立提升機運行數據模型，通過大數據分析實現提升機遠程監控與數據采集診斷，極大地提高了提升機的提升效率與維護水平。提升系統模塊主要從提升井提升量、提升速度分析、班組報表、提升日報表、鄂破運行時間、皮帶運行時間等多個分析維度分析。根據各井提升工況，統計各提升井的提升量等數據，迅速掌握主井提升詳情，形成可查詢、可輸出的報表。提升系統主要數據（電流、速度、位置、油壓、溫度、加速度等）按1s 的頻率存入數據庫，數據庫采用MSSQL 分布式存儲，以分區表的形式進行數據存儲。

3.3 明確智能礦山技術標準

智能礦山技術標準對智慧礦山及智能化開采發展具有指引作用，所以國家需要盡快進行智能化標準體系建設工作，其主要內容包括技術綱要、管理準則、技術標準等，保證相應工作流程的規范化、科學化、數據的標準化，為智慧礦山的建設和發展提供重要指導。另外，需要加大智能化相關標準規范及政策的宣傳力度，為智慧礦山建設及礦山智能化開采的發展創設良好的氛圍。

3.4 在礦山決策支持系統中的應用

礦山決策支持系統的研發是基礎地理信息數據綜合應用發展的主要方向之一。目前，以基礎地理信息數據為基礎平臺的礦產資源一體化發展主要停留在數據庫和簡單的空間疊加分析方面，缺乏更進一步的綜合處理能力。礦山決策支持系統是將礦產資源勘查、投資風險、礦山環境保護及治理等納入一體，通過綜合評價給出相應的優選方案，以供決策者參考。礦山決策支持系統的研發為礦山建設帶來了新的發展機遇，為投資者、管理者的決策提供重要的參考依據，也是基礎地理信息數據應用更深入、直觀的體現，有效推進智慧化礦山的建設[4]。

3.5 其他生產、安全系統大數據分析與應用

1.生產管理系統。通過前端數據采集將生產現場數據以日報、月報等形式向相關負責人進行展示，實現生產情況有效統計和監督，給管理決策提供直接的數據。集成生產系統中指定礦山填報的生產數據，包括采礦信息、選礦信息、品位信息等，形成綜合看板及各種日報、月報等（采礦月報界面見圖7）。

2.項目管理系統。實現項目進度與成本對比分析，通過評估項目進度、費用的綜合執行效果，量化地反映項目的進展情況。集成項目管理系統中可顯示指定礦山的項目招標、進度、管理、付款等信息，按月統計投資結算比例并形成項目清單。

3.安全管理系統。通過統計隱患整改率、安全檢查頻次、證照情況、安全績效考核等內容，實時展示礦山安全現狀。集成礦山雙體系安全管理系統，統計安全生產天數、隱患數、整改數、安全投入、證照管理（企業證照、施工隊證照、員工證照等）、員工職業檔案管理等功能，形成綜合看板。

3.6 提高人員素質，加大信息人才培養

1.提高員工對智慧化礦山的認識。針對問卷調查顯示，人員對智慧化礦山認識不夠的現狀。提高宣傳力度，對全礦所有人員進行普及教育或培訓，使工作人員認識到智慧礦山是大勢所趨，并且技術也已發展到一定程度，通過智慧化礦山的建設，可以降低一線工作人員的勞動強度，每個工種減少人員參與，同時減少安全事故的發生。

2.加大信息化人才培養力度。針對信息化人才缺乏的現狀，公司應該分引進人才和自我培養兩步走。引進畢業學生和培訓現有人員，在具體實施過程中和西安科技大學進行聯合，對智慧化礦山人才進行雙師培訓，從而增加公司智慧化礦山人才。

3.7 加大技術研究力度

首先需要注重先進技術的融合，實現礦山智能化和物聯網技術、大數據技術、人工智能技術等先進信息技術的有效融合，建立技術應用示范工程；其次要加大關鍵技術的研究力度，制定技術研發方案，組織研發活動，加大創新力度[5]。

4 空間測繪信息技術在礦山產業中的意義

傳統的測繪工作主要依靠人工實測，需要大量工作人員攜帶大量儀器，在氣候惡劣和地形復雜的環境中無法順利實施精準測量，同時，測繪人員的生命安全無法保證。正是基于這樣的現狀，隨著測繪技術的不斷發展，新型智能數字化測繪技術的出現，有利于解決這些問題，甚至超出預期。傾斜攝影測量可以在地形環境非常惡劣與復雜的情況下，應用低空飛行的方式對地表進行非接觸性測量，多角度獲取航空影像，測量周期短、精度高。三維激光掃描技術利用高速激光掃描進行測量，能獲取地下采空區和巷道點云數據，具有效率高、穿透性強、實時性強、不受外界環境影響的優勢。兩種測量方式都是自動化的，且精度滿足要求，節省了大量的人力和時間成本，提高了測繪人員的工作效率。在礦山測繪應用方面，兩種方式獲得的兩種數據都能構建三維模型，真實地反映礦山的開采情況，幫助相關人員直觀判斷地形災害范圍以及安全隱患區域，為后期生產提供可行性意見，減少安全事故；都能夠完成實時監測的任務，把開采現場的影像和數據及時傳輸給相關監督機構，為礦山資源監管和日常執法提供依據，能夠有效保護相應資源，避免了混亂開采問題的發生。地理信息系統（GIS）具有強大圖形信息處理能力，擁有空間數據和屬性數據的結合、統一的數據庫管理系統、獨特的空間分析功能。

5 結語

綜上所述，將三維可視、數據處理、空間信息和測繪繪圖有機結合成為現代化綜合測量技術，大數據技術的應用更是提高了測繪工作的精度和效率?？茖W技術的快速發展給礦產資源開采以及測繪事業帶來了全新的作業方式，有利于實現礦山數字化管理、礦產資源智能化開采、礦山環境高效治理、礦山災害應急救援，不斷助推礦山安全生產，提高工作效率。在未來的發展中，數字礦山還會將物聯網、云計算等多種技術融入采礦工程中，實現對礦山的智能化感知控制和個性化智能服務，從而推進智慧礦山的高效建設，有效提高我國工業化水平，推進礦產經濟可持續發展[6]。