煤礦區空天地生態大數據平臺設計與應用

高 尚，李保飛

(陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦資源開發利用是一把“雙刃劍”，其在促進經濟增長的同時，也會導致區域不同程度地出現資源耗竭、環境污染、生態破壞與區域發展衰退等問題[14]。目前國內外煤礦區普遍將5G移動網絡通信技術應用于煤礦產業的智能化開采和實踐過程中，在水文水資源監測、污染物監測、井下開采及安全監測等領域具備了一定的信息化建設基礎，但主要以展示和保障安全為主，還未能完全做到以智能綠色為導向，缺少統一的生態大數據管控平臺，建設生態大數據平臺可以更好地指導礦山科學合理規劃布局與綠色開采，服務礦山企業可持續發展[58]。為此，針對礦井的采掘擾動影響范圍進行詳細的空天地立體數據的獲取、挖掘、分析，以地質環境專業技術為主導，以空天地大數據平臺為依托，以多系統業務融合技術方式開展研究與設計工作，研究煤礦資源開發利用與自然資源環境之間的相互關聯，以期滿足監管要求、內部分析決策需要、業務創新需要的要求。

1 煤礦大數據研究現狀

芬蘭、瑞典等國家早在20世紀90年代就制定了智能礦山和無人化礦山的發展規劃；德國魯爾集團與 PSI公司一起開發了智能礦山一體化平臺；澳大利亞部分煤礦建成了智能礦山的大數據分析系統。在國內，中國煤炭工業協會于2016年發布了煤炭工業“十三五”大數據建設指導意見，2018年工業和信息化部將著重支持煤炭智能采掘裝備研發和推廣應用，在此基礎上加強智能礦山大數據應用研究[910]。

在理論研究方面，王國法等[11]分析了智慧煤礦的構成和建設目標，提出以形成多源異構數據處理理論方法、復雜系統智能控制基礎理論及系統性維護構成的數字煤礦及智能化開采基礎理論體系，為數字煤礦智能決策、精準控制、可靠性保障提供理論支撐。王金華等[12]提出了煤炭開發的升級與換代技術的發展方向，其中就包括基于互聯網+的數字化、信息化礦井構建技術通過三維實景煤礦綜合管理平臺，實現生產、計劃、調度、采掘、機電、運輸、供電、排水、通風系統等信息監測監控，實時數據自動匯總處理、實時報警提示等。

2 煤礦區空天地生態大數據平臺設計

2.1 研究目的

針對煤礦開采對地表生態環境的影響問題，基于大數據、5G、智能傳感器技術構建“空—天—地”大數據平臺，統一數據標準，制定大數據監測的范圍、內容、標志性要素、核心要素，構建礦區級生態、地質、環境監測網絡，實現多源多維數據的全方位感知、自動采集、分析、存儲，重點研究煤礦開采對地表生態地質環境的影響，實現煤礦區生態環境數字化全局管控與決策，為煤炭行業的重大發展戰略提供數據和技術支撐。

2.2 平臺總體架構

空天地生態大數據平臺總體架構以“透明礦井—智能開采—綠色開采—以人為本”的戰略思想貫穿頂底，使用云環境、5G和物聯網等技術建設基礎環境，打造“空—天—地”一體化生態地質環境監測大數據平臺。借助多源異構數據融合、二三維一體化技術、大數據處理分析、數據可視化、人工智能、物聯感知數據接入、微服務、容器化、分布式計算、分布式存儲等最新技術，打造涵蓋全面、時空維度、兼顧治理的數據中臺，最終借助大數據技術對數據進行挖掘分析形成成果數據存入成果庫。利用科學算法將指定功能建成模型并貫穿煤礦生態開發的生命周期全過程，以此建成可靈活管理配置的平臺門戶。煤礦生態地質環境大數據平臺總體架構示意圖，如圖1所示。

2.3 大數據采集內容

選取一個工作面范圍的地表衛片進行詳細分析，按月存儲該工作面對應地表衛片及解譯結果。根據使用需求具體分析、設定衛片購買時間。利用文件存儲系統，分時段分區域的存儲衛星遙感影像，對不同時間的生態環境進行對比研究，對生態環境的變化進行對比研究。利用無人機不定期采集礦區或重點區域內的植被、地貌、地災等數據，形成傾斜攝影模型。大氣監測數據以TSP、PM10、SO2、NO2；降水、溫度、風速、風向、濕度、氣壓、日照為主。地表監測數據主要包括植被(實測)、土壤、地貌、高程、水系、水質、地災點(滑坡、裂縫、沉陷)、土地利用類型(耕地、工業廠、村莊、開發區)、礦區分布等數據。其中，地表水的監測指標包括pH、懸浮物、溶解氧、COD、BOD5、石油類、揮發酚、氨氮、總磷、氟化物、硫化物、砷、汞、六價鉻、硫酸鹽、氯化物、糞大腸菌群等；工業場地土壤的監測指標包括砷、鎘、六價鉻、銅、鉛、汞、鎳；采區土壤的監測指標包pH值、陽離子交換量、砷、鎘、鉻、銅、鉛、汞、鎳、鋅；地下數據的監測指標包括地下水(水質、水位、水溫)、地質災害、地質構造等數據；地下水水質的監測指標包括pH、溶解性總固體、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發酚、耗氧量、氟化物、砷、汞、鎘、六價鉻、鐵、錳、總大腸菌群、群落總數；地下水水井水位的監測指標包括坐標、水位標高。按照不同煤礦進行分類，礦區開采數據包括井田邊界、開采進度、采空區位置、含水層、關鍵隔水層、頂板裂隙發育高度、巖性、構造數據等數據。

污染及項目影響監測數據可分為水、氣、聲、固體廢物、生態。礦井處理站可在線數據包括水溫、流量、pH、SS、COD、氨氮，其他數據包括石油類、總錳、總砷、總汞、溶解性總固體、硫化物、氟化物。活污處理站可在線數據包括水溫、流量、pH、SS、COD、氨氮、總氮、總磷、溶解氧，其他數據包括五日生化需氧量、陰離子表面活性劑、糞大腸菌群、動植物油、石油類、揮發酚。鍋爐煙可在線數據包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、煙氣溫度、煙氣流速、標況煙氣量、二氧化碳，其他數據包括汞及煙囪高度、鍋爐運行工況；無組織數據則為顆粒物。聲的監測數據包括東、南、西、北廠界噪聲，可在線，可移動手持。固體廢物的監測數據主要由矸石浸出毒性數據組成，包括pH、汞、砷、氟、銅、鎳、鋅、鉛、鎘、鉻，以及矸石場處置情況(工程措施及綠化措施，分處置前、處置中、復墾后)。生態監測主要有地表沉降、植被及土壤侵蝕調查。其中，地表沉降監測包括坐標、標高、沉陷面積、裂縫長寬高；植被包括植被類型、蓋度、生物量；植被覆蓋指數；土壤侵蝕調查包括土壤侵蝕類型、侵蝕量。

圖1 煤礦生態地質環境大數據平臺總體架構Fig.1 The overall architecture of the big data platform for coal mine ecological geological environment

2.4 大數據集成平臺

通過數據采集平臺，用戶可以從不同結構的數據源中抽取數據(Extract)，對數據進行復雜的加工處理(Transform)，最后將數據加載到各種存儲結構中(Load)。同時管理平臺可提供豐富的管理Rest API接口和方便的管理擴展機制，方便客戶集成統一管理平臺并擴展自己的插件集成到平臺中。

2.4.1 數據采集平臺結構設計

使用數據集成ETL的集成開發工具，進行流程的開發和調試工作。開發調試完成的流程所有相關信息，統一存儲到數據集成ETL資源庫中，作為團隊資源共享及運行時引用。開發調試完成的流程ID信息(流程引用信息)，部署到數據集成ETL服務器上。運行時，根據流程ID信息從ETL資源庫中獲取流程配置信息。圖2為數據集成流程示意圖。

圖2 數據集成流程Fig.2 Data integration flow

2.4.2 數據抽取

默認情況下需提供通用的抽取功能，支持從不同數據源中抽取數據，抽取到的數據支持生成數據文件或流向管道，為后續數據處理提供輸入數據；在抽取實現過程中支持提供SQL、HQL、SHELL等不同類別的行為定義腳本，數據采集執行組件將根據定義行為腳本類型，調用相應的腳本執行來獲取數據。現場調查數據采用微信小程序發送到平臺，化驗數據等采用Web頁面數據導入或者手動輸入實現。

2.4.3 數據清洗轉換

數據清洗轉換指進行不一致的數據轉換、數據粒度的轉換、數據去臟和一些轉換規則的計算。平臺支持批量清洗和實時清洗，針對批量離線數據進行分布式并行清洗轉換，針對實時數據進行不落地清洗轉換。

2.4.4 數據共享

數據共享交換平臺，實現與內部、外部應用平臺信息交換共享，實現跨部門信息的采集和交換，并提供各類信息的共享和使用。形成數據的中轉站，使得數據開放共享，根據平臺的標準提供統一的API接口，方便外部平臺對接，形成統一接口規范，并支持第三方平臺接入。數據集成架構如圖3所示。

圖3 數據集成架構Fig.3 Data integration architecture

2.5 大數據應用

2.5.1 公共業務

面向環保部門，顯示各種監測及監測要素數據，提供報表和報告服務。面對應急部門，實時顯示地質災害點分布、監測數據狀態，為地質災害提供預測預警。面對自然資源部門，根據不同的土地利用目的制定生態條件、生產方式和過程耦合的生態修復技術方案。

2.5.2 管理決策業務

提供生態擾動評價指標體系構建、開采對礦區水資源影響、開采對礦區森林和植被影響、開采對地表沉陷及地裂縫影響、礦區生態地質環境動態一張圖等礦區決策支持、生態地質環境演化等動態信息。

2.5.3 生產業務

生產業務包含透明礦井地質模型、巷道模型構建、地質監測信息同步映射、地質工作流程化管理。透明礦井構建面向煤礦智能開采的高精度三維動態地質模型，并實現模型的動態修正；構建井巷模型，實現動態更新，完成統一平臺下的多專業數字化、信息化、智能化支撐。

2.5.4 科研業務

在透明礦井三維可視化模型的基礎上建立區域性的煤炭開采—覆巖結構—水文地質—生態環境演變的模型、信息系統、評價體系，為陜北礦業煤炭開發戰略規劃奠定基礎。

3 結論

(1)大數據平臺將煤礦區數據集成，通過各類計算模型，可用于研究開采對地表生態擾動影響的核心因素分析、標志性要素及其監測方法優選，礦區相關區域水系及地下水變化及生態植被衛星監測成果分析，礦區土壤特征、植物種類及適應性研究，建立區域性的煤炭開采—覆巖結構—水文地質—生態環境演變的模型、信息系統、評價體系，為煤炭開發戰略規劃奠定基礎。

(2)大數據平臺能夠實現自動采集分析生態環境地質數據、污染數據、災害數據等，自動預測預警，自動生成面向環保部門、國土部門的報表和報告，減輕工作負擔。

(3)在大數據采集涉及區域內，研究能源資源與土地資源、大氣環境、水資源和生態承載能力相適應的環境承載能力，探索區域能源可持續開發利用模式。