基于3D GIS和物聯網的智慧礦山三維可視化系統設計與實現

黃智煌，鄔 娜，仇巍巍

（1. 北京匯智通科技有限公司，北京 100089；2. 泰瑞天際科技（北京）有限公司，北京 100089；3. 自然資源部信息中心，北京 100830）

0 引言

伴隨著智能科技的飛速發展，智慧礦山的概念應運而生。智慧礦山將3D GIS、物聯網、大數據、云計算等技術融合應用于礦山行業[1]。基于3D GIS和物聯網的智慧礦山三維可視化系統作為智慧礦山的重要組成部分[2]，通過三維建模技術，將物理世界中的礦山實景1：1完全“復制”到數字化世界，在數字化世界對礦山進行全方位展示和分析。集成人員定位、視頻監控、環境監測等多種物聯網實時感知數據，將三維實景與礦山日常生產管理緊密結合。通過智慧礦山三維可視化系統應用，礦山企業和監管部門可對礦井工程、礦井設備運轉、礦井環境等情況進行實時掌控，在三維場景實現礦山的可看、可查、可控，為礦山安全生產和管理提供技術支撐和輔助決策，切實提升礦山生產安全和管理的信息化水平。

1 智慧礦山建設中的問題

目前，礦山生產自動化系統、環境監測系統及通信系統等各種專業的工業軟件應用已趨于成熟，為智慧礦山建設提供了基礎條件[3]。但隨著智慧礦山不斷發展和建設，也逐步暴露一些問題。

（1）當前，中國礦山信息化建設已經初步完成，礦山生產或監控等工作運用了相應的監管和維護信息系統。傳統的礦井監控系統基本上實現了網絡化，對井上、井下的設備實施監管和控制[4]。但不同信息系統采集的數據沒有統一標準，各類監控數據無法進行集成和匯聚，大部分數據留在單獨的信息系統[5]，導致“信息孤島”現象，信息系統采集的數據無法發揮潛在的價值[6-7]。

（2）雖然很多礦山企業已經開展了智慧礦山建設，但是大多數企業主要利用人工建模技術對礦區進行三維可視化展示，只做了三維可視化的“表面工程”，并沒有將三維場景與相關數據進行關聯整合，使得礦區的三維可視化建設停留在初步階段。

（3）及時的應急救援對于礦山具有非常重要的意義，科學的災害預防也是不可或缺的。目前，智慧礦山建設中的應急救援更多側重眼前的應急救援管理，如物資管理、逃生路線預演等，而忽略了過去的經驗教訓。通過對歷史事故進行復盤分析，可以實現應急救援管理的“查缺補漏”，及時發現救援過程存在的問題。還可以對事故歷史數據進行大數據分析，如分析災害事故的發生是否與特定因素存在關聯，為科學預防礦山災害提供有力支撐。

（4）智慧礦山面向礦山企業及政府監管部門，涉及較多的用戶角色層級，且各個角色層級對信息系統與數據權限的需求不一致，客觀上增加了信息系統的復雜程度。系統如沒有合理的用戶邏輯設計，不但不會提升礦山管理效率，反而會增加系統維護的工作量和相關支出[7]。

2 系統設計

2.1 總體架構

為打造高效、經濟、綠色、安全的智慧礦山三維可視化系統[8]，系統架構設計時，本文充分考慮了智慧礦山建設存在的問題，解決現有問題，完成基于3D GIS和物聯網的智慧礦山三維可視化系統架構設計，如圖1所示。

圖1 總體架構

系統總體架構分為設備層、數據層、服務層、應用層4個層次。設備層主要實現礦山環境的實時監測，由環境監控傳感器、生產控制設備、通信網絡設備、人員定位設備、視頻監控設備等構成，可實現對井下生產過程、設備運轉情況及井下環境的全面感知。數據層實現多源數據融合，由基礎地理數據庫、遙感影像庫、數字高程模型庫、三維模型庫、礦山業務數據庫構成，為服務層提供數據支撐。服務層主要提供一系列標準的數據服務，如矢量數據服務、柵格數據服務、模型數據服務、實時監控數據服務及專題數據服務等。應用層明確系統實現功能，具體包括三維瀏覽、安全監控、安全監管、重大危險源管理、應急救援管理、綜合統計及權限管理等功能模塊，為管理者提供支撐服務。

2.2 功能設計

系統基于3D GIS技術構建，具有真實感強、地理位置精確等特點。可以瀏覽整個礦區的地上地下三維實景，并可在真實地形地貌上進行空間分析。通過融合物聯網安全監控實時數據，管理者在三維可視化場景中即可掌握礦區實時運行情況，并提供應急救援管理及統計分析等功能。系統具體功能設計如圖2所示。

圖2 功能設計

3 關鍵技術

3.1 三維場景構建

為更真實地再現和還原礦山場景，通過不同的建模手段分別構建組成三維礦山場景的模型要素。三維礦山場景按照地理空間分類包括地下、地表、地上空間。針對礦山地下空間，需要精準表達地下巷道、采礦區、生產設備以及巷道和地上建筑物的關系。系統基于巷道工程建設圖、井巷平剖面圖等信息，利用3D MAX人工建模及參數化建模方式構建地下空間，可以準確表達更多模型細節。針對地表空間，需要真實表達地形地貌，系統利用DOM、衛星影像、高精度航片及DEM，構建三維地形場景，表現礦區的地表空間。利用高精度航片及DEM真實表達礦區的地形地貌；利用次高精度的衛星影像及DEM表達礦區外圍的地形地貌。同時，利用POI對各個礦區及重點地區進行標記。針對地上空間，需要構建的模型主要包括井上工業廣場建筑物、室內結構及設備。運用3D MAX，以礦山平面布置圖為基準，通過實地拍攝采集數據，獲取建筑物的結構、紋理，對道路、建筑和工礦場地進行三維建模[9-10]。三維礦山場景構建流程如圖3所示。

圖3 三維礦山場景構建流程

3.2 物聯網融合

隨著物聯網技術在礦山中的發展，很多礦山已經具備各種物聯網安全監控子系統，如井下環境監控、視頻監控、人員定位子系統等，管理者在井上監控室即可實現對礦區井下環境的全面感知。但多數子系統獨立存在，采集的物聯網數據也是單一、孤立的，缺乏有效的空間融合及信息匯聚，無法發掘潛在的數據價值。通過構建數據集成與融合平臺，實現物聯網數據全部集成，可以很好地解決此問題。基于物聯網的智慧礦山三維可視化系統將各類監控信息進行融合展示，發掘信息之間的潛在關聯關系。同時，對物聯網數據與三維場景進行融合和聯動，一個真實的可視化環境既可以直觀了解整個礦山的運行及安全情況，又可對某個設備或人員進行監控和管理，從宏觀和微觀維度支撐礦山管理。基于物聯網的智慧礦山三維可視化系統實現了礦山的優化管理，減少人員成本，提高礦山設備的工作效率，降低安全事故的發生幾率[11]。

4 系統實現

系統基于SuperMap平臺，采用B/S架構，使用JAVA語言，服務器操作系統采用CentOS 6·0，客戶端使用IE瀏覽器。

基于前述制劑生產特點，如沒有信息系統的幫助，單靠一兩個統計和財務人員手工操作，制劑成本核算盲目追求理論上的按品種的產品成本等完全成本核算方式，不但核算工作量太大，而且容易產生偏差誤導決策。隨著信息技術的不斷發展，信息系統在醫院財務管理中的應用越來越廣泛，醫院制劑的生產和核算信息化必將成為改善制劑管理的有力手段。一方面，制劑部門配備專門的制劑庫存管理軟件，實現對制劑物資的高效管理；另一方面，系統軟件逐一計算每種藥品的材料及費用，從而實現單個制劑成品的成本核算。

4.1 三維瀏覽分析

通過對礦區及井下巷道等設施進行三維建模，對路網、影像及矢量等多源數據進行整合，構建具有統一空間基準、滿足礦山管理和智慧礦山建設所需的室內室外、地上地下一體化的三維場景。系統提供二三維一體化的展示方式，在二維場景中可清晰看出礦區的地理分布情況、礦區范圍及巷道分布；在三維場景中可綜合展現礦山的實景全貌。可從宏觀視角俯瞰整個礦區的實景，也可從微觀視角查看每個設備的細節。礦區地上地下三維場景展示如圖4所示。系統還提供測量、標繪、空間查詢、模型屬性查詢、三維空間分析等功能。

圖4 礦區地上地下三維場景展示

4.2 安全監控

為消除“信息孤島”問題，智慧礦山三維可視化系統集成各個安全監控子系統，并作為統一入口。系統將設備實時運行數據與三維模型關聯，在三維場景中顯示安全監控設備分布情況、實時狀態信息及預警情況。

（1）環境監控。在三維場景中集成各個環境監控子系統，以地圖或列表形式展示監控設備的分布情況，瓦斯監控如圖5所示。也可直接點擊三維場景中的設備模型，查看設備信息，如瓦斯超限的地點、時間、濃度、報警級別和聯系電話等信息。

（2）視頻監控。通過在三維場景中集成礦區視頻監控設備，管理人員可對礦區所有監控視頻進行查看和管理。關聯監控攝像頭與三維場景中的攝像頭模型，在三維場景中實現點擊查看監控攝像頭與自動播放實時視頻；監控攝像頭也可以列表形式展示，點擊監控攝像頭名稱，在三維場景中自動定位該攝像頭位置，同時自動播放實時視頻。

（3）人員定位。系統通過接入人員定位子系統，基于精確的位置服務，在二三維場景中實現人員的實時定位、分布情況、動態圖展示等功能。具有歷史軌跡查詢功能，通過搜索或直接選定人員姓名，查詢人員在指定時間范圍的運動軌跡詳細信息，同時在三維場景中進行軌跡圖回放展示，便于事后追溯。

（4）網絡監控。網絡連接對于智慧礦山三維可視化系統非常重要，通過網絡將設備監控信息實時傳入系統，管理人員實時掌握生產情況及預警信息。系統通過對接網絡連接監控接口，能夠在三維場景中直觀展示正常聯網煤礦數量、斷網煤礦數量和故障異常數量，并進行統計和預警。

4.3 安全監管

安全監管功能根據各礦區的監測設備實時數據及上報的隱患告警信息，在三維場景中對所有礦區的隱患、告警信息進行統一展示及統計，實現全面管理礦區安全情況。相關人員在系統中可對告警信息進行實時查看。如出現重要隱患及告警信息，系統會發出警告聲音并以短信形式告知相關管理人員，對隱患和告警及時處理。

4.4 重大危險源管理

4.5 應急救援管理

礦山井下工作環境和地質條件都較復雜，如果井下發生水災、火災等重大事故，系統的應急救援功能可以為指揮決策者及時提供事故發生地點、影響范圍及井下人員、設備和救援物資的空間分布情況，為制定應急救援方案提供科學支撐。應急救援功能包括應急救援管理與應急救援指揮兩個部分。

（1）應急救援管理。可查看歷史事故的詳細信息以及救援物資、救護隊與醫療資源的分布情況。系統支持在三維場景疊加各類災害的避災路線，并以動態圖形式展示，用于事故前培訓及事故中指導。還提供緩沖區分析、最短路徑分析等分析工具，用于快速分析救援隊到事故地點的最短路徑。

（2）應急救援指揮。用于事故啟動及事故處理全流程跟蹤，包括事故預警、事故進展、事故處理、事故報告、事故歸檔等完整流程。在事故處理過程中可隨時記錄事故處理進度，同時對事故處理進度進行存檔。在指揮過程中可生成事故報告，查看事故煤礦的人員定位、視頻、瓦斯信息，并能快速調取和記錄最近事故地點的人員定位、視頻和瓦斯信息，并能進行救援物資的空間搜索和查詢。

4.6 綜合統計

綜合統計功能將各礦區產量、可采儲量等生產能力信息及隱患、告警等安全監管數據進行統計和分析，將統計結果以圖表結合的形式進行直觀展示。通過綜合統計功能，管理者能夠更加直觀、快速地了解礦區運行情況及安全隱患的發生頻率，可對隱患告警發生頻率較高的礦區進行重點監控和管理。

另外，系統對接了礦山從業人員信息，可按工種、性別、學歷等進行統計，通過統計發現潛在的問題。也可對從業人員的健康情況進行統計分析，例如，按照工種及職業病進行疊加統計，可得出不同工種的常患職業病，從而可更針對性地加強從業人員保護。

4.7 權限管理

智慧礦山三維可視化系統面向礦山企業及政府監管部門，涉及較多的用戶層級，各個層級對數據權限的需求不一致。針對此問題，本系統設計了合理的用戶權限級別，將系統權限分為政府權限和企業權限，按照所管轄范圍查看轄區礦山、危險化學品等企業的三維場景及相關信息。

5 結語

基于3D GIS和物聯網的智慧礦山三維可視化系統建設和應用提高了礦山的智慧化管理能力。從數據源頭開始，以地理坐標為基準，通過不同建模手段，建立礦山三維實景，融合礦山業務數據，集成礦山物聯網數據，使其與三維實景進行融合和聯動，真實而精確地展示礦山地上地下三維實景場景。同時，將三維實景與應急資源等相關管理數據進行橫向關聯，建立基于三維實景的應急救援流程及歷史事故復盤分析，借助三維實景可真實再現事故現場，為應急救援流程優化及經驗教訓總結提供科學依據。系統可以對礦山進行三維可視化管理、安全監控和應急救援管理，為礦山的智慧化生產經營和安全管理提供技術支撐[12]。