煤礦三維可視化系統的設計和實現

袁浩

（冀中能源 峰峰集團有限公司，河北 邯鄲 056201）

1 概 況

進入21 世紀，現代高新技術的發展給礦業智能化發展帶來了機遇?！爸腔鄣V山”是指針對礦山發展需求，結合大數據、云計算、邊緣計算、人工智能、地理信息系統、地學建模、建筑信息模型、物聯網等方面開展技術研發，構建一套基于PLC數據集成及三維可視化顯示的綜合系統。三維可視化系統是其中核心部分，主要包括多維異構空間數據集成、業務數據采集分析，并展示出符合煤礦實際場景的三維GIS 地圖，做到統一的三維仿真界面、統一的數據倉庫、統一的管理平臺、統一的數據傳輸。SCADA 系統為“智慧礦山”中另外一部分，可以概括為PLC 數據采集及集成聯動系統，其通信分為內部通信、與I/O 通信、和外界通信。本文中提到的SCADA 將采用外界通信的OPC 協議來截獲PCS 數據來源，供三維可視化系統來使用相關數據。

經各大礦井實際調研，目前煤礦三維可視化系統大部分為偽三維的設計，無法展示真實的礦井情況，更無法做到細節處理及總數據倉庫的建設。煤礦所使用的自動化機械設備大部分采用PLC 來對應各個子系統的數據采集，雖可實現井上的管控能力，但存在廠家不統一，畫面不統一，人員分配不集中等問題。各個礦的集控室均分布在各個生產單位，管理達不到一致性，導致在事故發生時存在互相推卸責任的問題。因此，筆者對該情況進行了深入的討論和分析，為解決這些問題做出必要的數據統一化設計理念。

2 存在問題

目前SCADA 系統，即數據采集與監視控制系統，應用領域廣泛，涉及到組態軟件、數據傳輸鏈路，但針對性較強，主要針對PCS（過程控制系統）、電力自動化監控系統，而B/S 類應用系統卻無法應對，例如SMS（安全監測系統），數據始終分為兩部分，因此建立總數據倉庫尤為重要。本文將利用先進的JAVA（面向對象編程語言）技術以及OPC（工業控制系統通信標準接口）協議來完成數據倉庫的建設。

3 三維可視化系統的設計

3.1 系統總體框架

煤礦三維可視化系統主要由三維建模軟件、信息處理軟件、數據倉庫組成，系統架構如圖1 所示。三維建模軟件采用基于物理的光照(PBR)技術，使用MAYA（Autodesk 建模軟件）建模，利用Substance Painter 烘焙繪制貼圖，再通過高精度遙感影像實時加載完成井田，最終實現整個煤礦的三維實景還原。信息處理軟件分為兩部分，分別是PCS（過程控制系統）數據處理軟件、SMS 數據處理軟件，主要完成不同數據的采集及計算。數據倉庫主要通過信息處理軟件計算完成的完整數據源，進行不同協議的數據整合，建設數據總倉庫。

圖1 煤礦三維可視化系統架構Fig.1 Coal mine 3D visualization system architecture

3.2 三維建模軟件

煤礦三維模型是利用空間信息理論建立一個反映煤礦結構特征和空間分布規律的數據模型。煤礦三維模型的準確構建是煤礦智能化和無人化研究的關鍵。目前煤礦三維模型所完成的場景有礦井工業廣場、井下巷道、煤流路線、風流路線、電流路線、采掘設備、運輸設備、電力設備、網絡設備等實景還原。功能性點擊事件主要包含動態實時顯示當前在線設備數據、查看全礦井實時工業監控視頻、人員定位歷史軌跡回放、安全監測數據實時數據顯示、查看工作面、掘進區域狀態、全礦井區域自動巡檢、地質測量數據顯示等，綜合上述場景及功能點完成三維可視化系統三維界面展示。

煤礦三維模型的建立過程是通過激光掃描設備掃描工業廣場的室內場景的激光點云，利用無人機拍攝全礦井鳥瞰總覽圖，拍攝井下本安型攝像頭及現場勘探，獲得實際場景設備及巷道總覽，完成井田及外圍地表高精度遙感影像實施加載，最終通過二三維數據一體化，地質模型全自動建模，完成高效同步更新。

為了達到實際展示效果，采用了光照技術，又稱PBR 技術，基于物理原理和微平面理論建模的著色/光照模型，以及使用從實際應用場景中測量的表面參數，來準確表示礦井中的材質渲染理念，其中渲染方程作為渲染領域中的重要理論，主要描述光能在場景中的流動，是渲染中不可感知方面的最抽象的正式表示。渲染方程可以表示為：

根據該技術做出的實際效果如圖2 所示，光影效果疊加顯示。

圖2 內部場景設計圖Fig.2 Internal scene design

根據煤礦AUTOCad 圖紙情況，通過屬性獲取對象名稱，對象再獲取實體名稱，實體綁定場景節點，用顏色區分出各場景，主要場景包括工作面、采空區、積水區、實際地理圖層等，進行區分后各場景綁定井田地理信息，完成場景全覆蓋還原真實場景顯示。

在實際勘探過程中，在細節問題上也做出了相應處理，例如井下工作人員的模型處理。所有的井下工作人員均配有呼吸器、口罩、礦燈、人員定位卡等，所以為達到逼真及實際還原的理念，從設計的原本路線出發，對人物模型進行細致化設計處理，如圖3 所示。

圖3 人物模型設計Fig.3 Character model design

3.3 信息處理軟件的設計

信息處理軟件主要采集終端分為兩部分，即PCS 數據和SMS 數據。在當今煤礦發展過程中，越來越趨向于機器代替人工，PLC 成為了主流的工業控制手段，PLC 數據源具有穩定性高，數據傳輸能力強，地面控制機器是使用PLC 的關鍵因素，文中所提到的PCS，即process control systems，也就是工業中經常用到的過程控制系統，其中就包含基于PLC 的整合SCADA，即監控與數據采集系統。同時為了保障安全，除了PCS 數據來源外，還存在著安全監測、人員定位等非控系統，保證井下安全生產環境及確定人員所在位置，該類系統統稱為SMS，即Safety Management System，也就是安全監測系統。

為了打通整個礦井的數據接入，PCS、SMS 是必不可少的關鍵數據來源，因此需要將不同的協議綜合處理，通過不同的技術手段來進行采集和計算融合，如圖4 所示。

圖4 信息處理軟件總覽設計Fig.4 Overview design of information processing software

煤礦現階段PCS 數據主要由PLC 進行采集，通過井下環網上傳至地面上位機，由上位機組態界面來實現監控，即控制管理。前文所提到的組態軟件繁多，分布在各個生產單位，導致了一系列兼容性問題，因此需要對PLC 進行整合，即SCADA 理念，建立統一的PCS 管理模式。眾所周知組態廠家繁多，例如組態王、winCC、力控等，而OPC 協議為主要采集控制協議，匯集各組態系統的點位為一體，給工業控制領域提供了一種標準數據訪問機制，將硬件與應用軟件有效地分離開來，是一種典型的數據交換標準接口和規程，主要解決過程控制系統與其數據源的數據交換問題，可以在各個應用之間提供透明的數據訪問。采用KEP Server 通過OPC 協議將PCS 數據進行采集，得到對應數據值進行實際數據比較計算，從而獲取實際設備運行采集值。

煤礦的SMS 數據主要來源于井下環境監測和人員定位，通過調研了解，大部分煤礦應用廠家普遍對外傳遞TXT、JSON、XML 來接入第三方獲取相應數據，所以選用JAVA 來作為資源表現層的狀態轉化，InputStreamReader 類是從字節流到字符流的橋接器，它使用指定的字符集讀取字節并將它們解碼為字符。

根據上傳數據對接協議，編制邏輯處理業務，使用SpringBoot 架構，搭建基礎平臺，采用Swing作為C/S 操作界面，通過api 接口對外傳遞獲取的TXT、Json、XML 格式文件。TXT 文本的傳輸實現主要流程為創建InputStreamReader 進項TXT 文本轉換，使用BufferedReader 包裝InputStreamReader，創建StringBuffer 字符串，通過readLine 來讀取流數據，使用while 循環進行字符串拼接來解析出數據對應值，如圖5 所示。

圖5 TXT 處理流程Fig.5 TXT processing flow

綜上所述，兩種數據來源通過不同的傳輸形式，匯聚入庫是在信息處理軟件的研發中所要實現的內容，最終實現兩種數據進入同一個數據庫中進行存儲，并供給三維可視化界面調用顯示。

3.4 數據倉庫的設計

應用SQL Server 2014 關系型數據庫完整存儲煤礦系統中的各種數據，如圖6 所示，信息處理軟件中分為PCS、SMS 數據來源，但是關鍵部分在于后續寫入數據庫的過程。PCS 數據由KEP Server 集成，實現JAVA 與PLC 之間的通信,中間需要借助KEP Server，在KEP Server 中設置地址變量，采用基于純JAVA 封裝的j-interop 的utgard 開源項目，來完成與KEP Server 通訊過程。

圖6 OPC 結構圖Fig.6 OPC structure diagram

循環讀?。篣tgard 提供了一個AccessBase 類來循環讀取數值。

批量讀?。和ㄟ^組(Group)，增加項(Item)到組，然后對Item 使用read()。

由此完成OPC 數據讀取，使用druid 阿里開源數據連接池，將PCS、SMS 數據進行格式化后寫入SQL Server 2014，完成數據總倉庫的集成寫入。

4 煤礦三維可視化系統的實現

前面分別闡述了三維模型的建立、信息處理軟件的設計及數據總倉庫的設計，以及最終想要達到的具體實現，JAVA 負責數據處理的同時也負責了數據的展示，接下來將闡述具體實現和融合。

在梧桐莊礦根據設計思路進行了相關實現，在前期設計的基礎上使數據與三維建模進行融合，達到部分預期效果。具體實現流程為使用組態WEB中間件發布組態畫面至B/S 頁面，通過http 靜態頁面的形式內嵌入三維模型中，然后從API 接口獲取數據倉庫信息，連接至三維模型中，實現設備實時數據展示，在IIS 中部署的數據接口，從數據倉庫中獲取安全監測、人員定位數據，連接至三維模型實體建模中，最終完成三維可視化系統的建設。

通過無人機低空航拍完成工業廣場真實建筑綠化場景的采集，核心作業場所如井下變電所、水泵房、工作面及相關設備等通過360°無死角拍攝技術完成場景采集，然后結合cad 圖紙所標注的井田地理信息，例如巷道鉆孔逆斷層等復雜地質數據，通過UE4 及激光掃描技術完成照片級建模，如圖7所示。

圖7 井田地理信息Fig.7 Geographic information of mine field

三維可視化系統主要集成梧桐莊礦井下運輸系統、地面儲運系統、主提升系統、給水排水系統(包括中央泵房、上加壓泵房、下加壓泵房、八采泵房)、通風壓風系統(包括主扇系統、壓風系統、南風井通風壓風系統)、制冷系統及電力監控、視頻監控、人員定位、安全監控系統的數據，集整個梧桐莊礦數據為一體，可直觀的觀察到每個地點、每個區域的動態數據情況，提高自動化管控效率。系統中具有整套地面煤炭運輸系統的流程走向及井下整個煤流系統的工藝走向路徑，并可自動瀏覽從入井到出井、從出煤到裝車的整個動態走向，更加快速直觀的了解梧桐莊礦的整個工藝流程。圖8 中所展示的的壓風機數據，為此次系統建設中較為典型的一個場景。

圖8 壓風機總數據集成Fig.8 Total data integration of compressor

5 結語

在智慧礦山的道路上，建立大數據可視化平臺是必經之路，完善的數據集成、優良的傳輸能力、以及真實還原的三維模型都是不可缺少的部分。本文在設計之初考慮了諸多因素，為達到實際效果，對三維模型進行了增添編輯功能，實現了鼠標選擇、移動、旋轉、縮放、拉伸等效果，數據集成上也運用了較為先進的JAVA 和OPC 的結合實現，達到了幫助煤礦統一數據、實現集中管控的目的。當然，該系統還在不斷改進研發過程中，想完全達到預期目標還有一段路要走。