基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統應用

程寶軍 陳躍朋 張天山

（鄭煤集團新鄭煤電有限責任公司，河南 新鄭 451100）

隨著網絡化、信息化技術的不斷應用與發展，我國煤礦信息化水平也在逐步提升，但在煤礦信息化的應用過程中還存在許多問題[1-2]。例如：沒有統一的建設要求與架構標準，導致子系統建設比較獨立，重復建設；沒有統一的數據標準和接口協議，導致數據共享困難，形成信息孤島；在橫向業務上沒有疏通生產業務流程，導致生產礦圖經常通過交換圖紙進行信息更新，造成數據更新不及時，影響決策分析；在縱向上沒有充分發揮GIS 技術在礦圖管理中的作用，沒有將設計與管理有機銜接，即各專業設計的礦圖成果不包含屬性信息，導致管理部門利用礦圖進行信息查詢和綜合集成分析的要求等。

為了解決“信息孤島”“重復建設”“缺乏國家與行業標準，信息資源難于共享，缺乏快速聯動”等現狀，煤礦急需一套能夠解決數據統一、數據共享的一張圖系統。以新鄭煤電公司為工程背景，提出基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統建設，解決煤礦自動化與信息化的深度融合，實現各類數據的共享與聯動，為礦井智能化建設與智慧化應用提供了良好的應用，不僅提高了礦井安全保障及智能化應用水平，同時通過各自動化子系統的集中管控，為礦井減人提效奠定了基礎，產生良好的經濟效益、社會效益和安全效益。

1 工程概況

河南省新鄭煤電有限責任公司屬鄭州煤炭工業（集團）有限責任公司直管骨干礦井，核定生產能力為300 萬t/a。礦井井田東西最寬4.60 km，南北最長13.5 km，井田面積48.961 3 km2。主采二1 煤層，平均煤厚5.5 m，傾角3°～15°，采煤工藝為綜合機械化放頂煤。礦井采用立井單水平上、下山開拓方式，其中主井垂深463 m，副井垂深488 m，西風井垂深281.5 m，北風井垂深258.5 m。礦井采用兩翼對角式通風，通風方法為抽出式，由主、副井進風，北、西風井回風。

目前新鄭煤電已建成辦公網、4G無線通信網絡、萬兆工業環網和綜合自動化控制系統，完成了安全監測、人員定位、瓦斯抽采、水文監測等監測監控系統和調度通信、應急廣播等通信系統的升級改造。同時完成礦井綜合自動化控制系統建設，實現皮帶、壓風、提升等系統的集中控制，搭建統一工業視頻平臺和新鄭煤電App。但在礦井自動化建設、安全監測類系統建設與視頻監控類系統建設上都建立很多子系統，這些子系統都是獨立的，系統間缺乏數據融合與聯動、數據共享與交換、大數據分析與應用，特別是基于位置服務的聯動應用。

2 一張圖系統概況及基本架構

2.1 系統概況

一張圖是以礦井采掘工程平面圖和地面工業廣場圖為底圖，融合各專業圖紙，實現一張圖上查看、管理各類礦圖及各類信息。一張圖包括：綜合一張圖、地測一張圖、安全一張圖、通防一張圖、機電系統一張圖等專題圖，各個圖層可以任意選擇；把與礦井生產有關的人員、設施、設備及環境等生產運行信息在一張圖上進行展示，在一張圖上可以調取井上下所有地點視頻畫面、設備運行參數及故障報警、區域人員、安全隱患、安全監控、水文測點等信息，形成全礦井綜合生產信息一張圖的綜合應用[3-4]。

基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統是以綜合一張圖為基礎，建立智慧礦區標準規范體系，采用最新的空間信息、云計算平臺、物聯網、大數據及移動互聯網等技術，面向新鄭煤電公司建立綜合一張圖、共享云服務、新型安全管理體系及大數據分析平臺，實現協同調度、集中管控及科學決策。

2.2 整體技術架構

基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統的技術架構如圖1。

圖1 系統架構圖

（1）數據感知層

數據感知層是通過各個分站及移動設備集中采集井上下現場視頻監控數據、安全監測數據、自動化生產信息等各類實時數據信息[5]。

（2）傳輸層

井下采集的實時數據信息通過工業環網、視頻環網、4G 無線網絡等進行統一傳輸。

（3）數據層

數據層就是按照標準將感知層采集的各類數據信息進行分類存儲。

（4）平臺支撐層

平臺支撐層是根據實時采集的數據信息及業務需求，提供相對應的基礎應用與分析服務。

3 礦井一張圖及管理平臺建設

礦井一張圖及管理平臺建設是整個基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統的基礎，主要包括礦井一張圖基礎建設、一張圖管理平臺研發以及全息一張圖服務[6-7]。

3.1 礦井一張圖建設

礦井一張圖是一個集空間數據（含圖層數據）存儲、共享、獲取、更新的空間數據管理系統，是基于設計協同平臺基礎上，提供空間數據管理、圖層配置應用的數據應用系統。其應用結構如圖2。

圖2 一張圖應用結構

3.2 管理平臺建設

礦井GIS 一張圖管理平臺的核心是二三維一體化的位置服務。在此基礎上，利用數據綜合服務平臺、GIS 平臺、協同設計平臺和協同管理平臺提供的工具，礦井一張圖管理平臺能夠實現一張圖集成融合、協同設計、管理和決策分析。其基礎功能主要有交互展示、信息數據管理和更新、二維GIS、三維GIS 以及諸如報警聯動與安全態勢分析等各類分析功能。

4 系統應用及效果分析

4.1 系統應用情況

自系統建成應用5 個月以來，系統登錄次數約13 000 人次，主要業務系統總操作頻次約14 萬次；主要業務流程數據（生產、安全類）新增量為65萬多條，其中安全管理40 560 條、一通三防1326 條、機電運輸11 023 條、生產技術2784 條、調度管理7012 條、地測防治水2475 條；監測類（安全監測、人員定位、水文等）數據采集量為1378 萬條；功能涉及到各個模塊，數據涵蓋地測、生產、調度、機電、通防、安全、經營、后勤等各專業。上述大量數據的集成、規范、匯總，實現了平臺大數據融合分析應用。

4.2 應用效果分析

（1）經濟效益

新鄭煤電公司基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統為礦井安全生產管理工作提供先進的信息化平臺，將大量孤立、分散的獨立子系統進行了集成，實現礦井從上到下、礦井內部各部門之間的數據的來源唯一、自由流轉、協同共享。消除人為誤差，提高了決策的準確性和可靠性，工作效率得到大幅度提高，同時也大大降低勞動強度和成本，具有良好的經濟效益。

（2）社會效益

新鄭煤電公司基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統的研究與應用，基于綜合三維空間數據、交互式的管理理念，建成全礦井一體化的新型智能管控系統，大幅度提高煤礦安全生產管理水平和工作效率，保障礦井的安全高效生產。

系統實現了煤礦現場基礎管理中的地測防治水、生產調度、安全信息監測監控、生產自動化、管理決策等業務數據在礦井內部的橫向與縱向流通，并依據三維空間數據實現了礦井安全生產智能診斷模型、安全生產大數據分析模型、預警報警分析等模型的建立，使礦井安全生產管理實現了集中控制、協同調度管理，為礦井領導層正確決策提供科學依據，為礦井的安全生產提供了有力保障，同時也為實現新鄭煤電的智慧礦山建設奠定了堅實的基礎，具有良好的社會效益。

5 結論

（1）“基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統”項目是新鄭煤電公司安全生產管理的支撐平臺，基于大數據、計算機網絡、分布式協同GIS 一張圖、透明化礦山等技術，將煤礦各部門涉及生產、安全、經營等信息系統主要數據進行整合，統計分析評估安全生產與運營狀況，為領導決策提供數據依據，建成全礦一體化管控的新型安全生產管理體系。

（2）基于GIS 一張圖與三維空間數據智能化礦山管控系統，已經基本解決新鄭煤電公司智慧礦山建設中的關鍵技術和難點問題，為其他生產礦井的推廣應用積累了技術基礎和建設應用經驗，解決了高度一體化管控的智能煤礦、智慧礦山建設的部分關鍵問題，為領導層正確決策提供科學依據，具有較大的推廣應用價值。