基于實時數據的煤礦三維安全生產信息平臺

郭 超，李麗絨

(1.山西焦煤集團有限責任公司 信息化管理部， 山西 太原 030024;2.山西焦煤集團有限責任公司 技術中心， 山西 太原 030024)

數字經濟是全球未來的發展方向，正日益成為我國經濟發展的主形態。數字經濟與實體經濟的融合發展為我國實體經濟的發展指明了方向。煤炭企業作為基礎類的實體經濟體，近年來信息化、數字化系統建設取得了長足的進展，但煤礦現有的綜采綜掘自動化系統、安全監測系統、人員定位系統等信息化系統大多獨立運行，信息不能共享，“信息孤島”現象嚴重，且大多信息化系統為二維系統，缺少一個能有效集成現有信息化系統的、統一的三維信息化基礎平臺，無法滿足煤礦企業對安全生產過程進行三維可視化監控的要求。

當前，已有不少學者在煤礦信息系統的集成方面展開了研究。鮑店煤礦調度生產管理系統[1]集成了不少應用系統數據，實現了對生產計劃的指導。關輝等[2]研究設計了煤礦無線綜合調度系統，在iPad上實現了對煤礦生產信息的綜合分析查詢等功能。郭斐[3]提出了基于MVC的煤礦經營調度系統。彭超[4]開發設計了基于B/S模式的煤礦生產調度系統。但上述系統無法實現對煤礦生產相關系統的三維可視化監控。唐亞平[5]基于嵌入式數據庫，在移動終端上實現了煤礦安全生產調度系統，拓展了調度系統的使用范圍。潘志剛等[6]提出了一種基于智能手機的煤礦GIS檢測系統，實現了空間信息與實時監測數據的聯動。但文獻[5-6]提出的系統均為二維系統。黃偉力等[7]基于B/S架構設計思路，設計了煤礦安全生產調度系統。王建[8]提出了包含礦端、集團端兩個層級的煤礦調度管理系統，實現了對數據的輸入、更新和查詢等功能。文獻[7-8]中涉及的系統并未在實際煤礦生產中得到應用驗證。陶海英[9]給出了煤礦生產調度系統的整體解決方案，實現了對煤炭產量、銷售等相關數據的查詢、統計和分析。趙萌[10]從提高調度管理效率的角度出發，開發了一套煤礦調度管理系統。高強[11]提出的煤礦安全生產調度系統以實現報表、值班管理等為目標。文獻[9-11]中提到的系統均未涉及對煤礦生產系統的建模。

本文提出一種基于實時數據的煤礦三維安全生產信息平臺，主要包括煤礦井下與地面生產系統的三維建模、基于實時生產數據的三維可視化仿真兩部分：通過Sketch up軟件實現對煤礦井下及地面主要生產系統的三維建模，為煤礦三維安全生產的可視化仿真奠定了基礎；利用輕量級的數據交換語言Json作為統一的數據交換格式，對煤礦原有信息系統中的實時數據進行匯聚、集成，生成實時更新的Json數據文件，通過Json實時數據控制三維模型實現動態仿真。

1 基于實時數據的煤礦三維安全生產信息平臺架構

基于實時數據的煤礦三維安全生產信息平臺架構(圖1)主要包括數據訪問層、業務邏輯層、用戶展示層3個層級。

在數據訪問層，煤礦現有的綜采綜掘自動化、安全監測、人員定位、壓風監測、供水施救等信息系統由不同的廠家在不同的時期建設完成，各系統大多獨立運行，系統之間“數據壁壘”“信息孤島”現象嚴重。對煤礦現有信息系統數據通過抽取、轉換、清洗等過程，統一生成響應快、兼容性強、易于生成和解析的輕量級數據交換格式Json，用于支持本平臺與煤礦現有信息系統的實時數據交互，打破現有信息系統“數據壁壘”。

在業務邏輯層，采用易于表達設計意圖、操作便捷的Sketch up對煤礦地面及井下系統進行三維建模，通過數據訪問層中的實時數據控制三維模型，實現對煤礦采煤工作面作業情況、風機狀態等主要生產過程的三維可視化仿真。

在用戶展示層，用戶可通過PC端、礦調度大屏顯示終端等設備的GUI界面實現與平臺的實時交互，使用戶在及時掌握煤礦安全生產情況的同時，增強用戶真實感、體驗感。

圖1 基于實時數據的煤礦三維安全生產信息平臺架構圖

2 三維建模

煤礦地面及井下主要生產系統的三維建模主要包括三維靜態建模、三維運動建模、數據可視化的建模3部分。本文采用Sketch up實現對煤礦地面及井下主要生產系統的三維建模(圖2). 煤礦地面主要生產系統的三維靜態建模主要包括基于Google地圖的煤礦三維地形建模(圖3)、供水池等的建模。煤礦井下主要生產系統的三維靜態建模主要包括采煤工作面、采煤機、皮帶、煤倉、巷道等的建模。地面三維運動建模主要包括風機運動建模、供水池水位變化建模等。井下三維運動建模主要包括皮帶靜態部分和運動部分的皮帶三維運動建模等(圖4). 數據三維可視化建模主要包括采煤工作面人數可視化建模、瓦斯監測建模等。

圖2 煤礦地面及井下生產系統的三維模型圖

圖3 基于Google地圖的煤礦三維地形模型圖

圖4 皮帶三維運動模型圖

3 基于實時數據的三維可視化仿真

通過統一的數據交換格式Json實時匯聚、集成煤礦現有信息系統數據，并以網頁形式存儲于煤礦內網(圖5). 利用Json中的實時數據，通過Open Inventor提供的算法，控制煤礦地面及井下主要生產系統三維模型狀態的實時變化，實現基于實時數據的三維可視化仿真。

圖5 以網頁形式存儲于煤礦內網的Json數據文件圖

以采煤工作面刮板輸送機模型運動的控制過程(圖6)為例，描述基于Json實時數據的三維可視化仿真過程。

圖6 采煤工作面刮板輸送機模型運動的控制過程圖

4 仿真實驗

本文提出的平臺系統開發語言為C++，圖形用戶界面由Qt生成，利用Open Inventor實現對三維模型的運動仿真及顯示。平臺已在山西焦煤集團某所屬煤礦成功試運行。

利用采煤工作面實時數據控制三維模型實現狀態變化(圖7)，采煤機、刮板輸送機、轉載機的開停數據可實時控制相應三維模型是否做循環往復運動，采煤工作面人數和瓦斯數值可實時顯示于相應三維模型。

圖7 采煤工作面狀態變化圖

利用煤礦地面生產系統中風機和供水池水位數據分別實現對風機和供水池水位的實時控制，風機的開停數據可實時控制風機是否轉動，供水池水位值可實時控制供水池水位變化。

5 結 論

本文提出一種基于實時數據的煤礦三維安全生產信息平臺，通過Sketch Up軟件實現對煤礦主要生產系統的三維建模，并利用輕量級的數據交換語言Json作為統一的數據交換格式，對煤礦現有綜采綜掘自動化系統、安全監測系統、人員定位系統、壓風監測系統、供水施救系統等系統中實時數據進行集成、匯聚，進而實現基于Json實時數據的煤礦主要生產系統三維可視化仿真。本文提出的平臺已在山西焦煤集團某所屬煤礦成功應用，通過三維可視化操作界面，實現對煤礦主要生產過程的三維可視化監測，為礦井安全生產、預防事故和處理突發災害等提供重要支撐。

本文提出的平臺當前僅集成了煤礦現有的部分主要生產信息平臺，針對煤礦頂板監測、車輛調度等煤礦安全生產數據尚未有效集成，無法滿足對煤礦整個安全生產過程進行三維實時監測的需求，這也是該課題下一步的研究方向。