張建平，柴洪靜

（太原理工大學經(jīng)濟管理學院，山西太原 030024）

數(shù)字化礦山建設的全域模型

張建平，柴洪靜

（太原理工大學經(jīng)濟管理學院，山西太原 030024）

根據(jù)礦山建設信息化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢，針對一些礦山企業(yè)在數(shù)字化礦山建設過程中存在的一些問題，簡要介紹了數(shù)字化礦山的概念及其建設的必要性和意義。在分析礦山企業(yè)信息化特殊要求的基礎上，提出了數(shù)字化礦山建設的四層全域模型，從決策層、管控層、數(shù)據(jù)層、設備層4個層次對整個數(shù)字化礦山的整體架構(gòu)進行了設計，并分別對數(shù)字化礦山建設的全域模型及其建設過程中所需的關鍵技術(shù)進行了詳細地描述。研究結(jié)果表明數(shù)字化礦山建設的全域模型可涵蓋礦山的生產(chǎn)、管理、經(jīng)營、資源、環(huán)境、安全、效益等各個方面，充分體現(xiàn)了礦山數(shù)字化、信息化的全面性、實用性和可操作性，對礦山企業(yè)的數(shù)字化和信息化建設具有一定的指導意義和參考價值。

數(shù)字化礦山;全域模型;綜合自動化;企業(yè)信息化;體系結(jié)構(gòu)

1 數(shù)字化礦山簡介

數(shù)字化礦山的提法源于“數(shù)字地球”，是以實際的礦山系統(tǒng)為原型，以三維地理坐標為參考系，以礦山科學、計算科學、信息科學、人工智能為理論基礎，以礦山的勘探和開采、GIS（地理信息系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）、多媒體網(wǎng)絡、遙感遙測、虛擬仿真等技術(shù)為支撐，對礦山資源的開發(fā)利用、基礎設施的建設和維護、生產(chǎn)進程、經(jīng)營管理等相關信息進行自動采集、進程管理、動態(tài)監(jiān)測、輔助及優(yōu)化決策的技術(shù)系統(tǒng)［1］。它是對整個礦山實體的全面、統(tǒng)一認識和數(shù)字化的再現(xiàn)，目標是使礦山的生產(chǎn)、管理和經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)科學化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、模型化、集成化和可視化，將整個礦山的實時監(jiān)測與管理、生產(chǎn)調(diào)度、人力資源、生產(chǎn)要素及經(jīng)營活動等方面的全部信息整合在一起，方便有關工作人員及時查詢及充分利用這些信息，有利于企業(yè)資源的合理配置和決策的優(yōu)化，從而提高礦山的生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平。

數(shù)字化礦山主要包括三方面的內(nèi)容:一是礦山資源與地理位置方面的信息，如礦體賦存、地表地形、開拓與采掘方案等信息的數(shù)字化，將這些信息與三維坐標對應起來，從而建立三維立體模型，便于更加直觀地了解礦山地表及地下的情況;二是礦山各種生產(chǎn)作業(yè)的相關設備和系統(tǒng)，如礦壓監(jiān)測與分析系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、井下軌道運輸信集閉系統(tǒng)、井下主煤流監(jiān)控系統(tǒng)等的自動化、數(shù)字化和智能化管理;三是各個職能部門的信息化管理，如設備管理、物資管理、財務管理、運銷管理及數(shù)據(jù)集成決策分析等系統(tǒng)的數(shù)字化的實現(xiàn)與智能化的管理。從而將礦山建設成為一個信息數(shù)字化、設備自動化、管理智能化的多維綜合信息系統(tǒng)［1］。

2 建設數(shù)字化礦山的必要性及意義

2.1 數(shù)字化礦山建設的必要性

煤炭產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但與發(fā)達國家相比，我國的煤礦企業(yè)卻普遍落后:一是煤礦設備的技術(shù)水平，尤其是設備系統(tǒng)的信息化、自動化及整體有效性水平不高，開采和生產(chǎn)效率低;二是煤礦安全水平不高、生產(chǎn)事故頻發(fā)、環(huán)境和資源破壞嚴重，給人民的生命和國家的財產(chǎn)安全造成了嚴重的損失。究其原因主要是礦山行業(yè)的信息化程度不高、基礎設施落后、管理決策水平低，缺少一套科學的、系統(tǒng)的對礦山的生產(chǎn)作業(yè)過程及環(huán)境安全狀況進行動態(tài)監(jiān)測、分析及實時有效控制的技術(shù)系統(tǒng)。隨著礦山地質(zhì)測量電子化，生產(chǎn)環(huán)節(jié)集中化、自動化，生產(chǎn)管理信息化以及井下高速網(wǎng)絡的逐步實現(xiàn)，礦山企業(yè)想增強自身的競爭力，提高生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平，建設數(shù)字化礦山是必然選擇。

目前，煤礦已投入使用的各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)較多，但這些系統(tǒng)大多相互獨立、信息無法互通，造成通信線路重復建設，資源浪費嚴重，系統(tǒng)維護工作量大，整體可靠性差，無法實現(xiàn)信息和資源的共享［2］。另外，礦山營運的數(shù)據(jù)量很大，來源不一，而且非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)多而散，格式不一，連續(xù)性、完整性和繼承性差，搜集、整合、查詢、利用的效率低，如果不能充分、及時、有效地處理這些數(shù)據(jù)，則對礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用、礦山的生產(chǎn)規(guī)劃及動態(tài)管理產(chǎn)生很大影響，不能實時地監(jiān)控并預防由于礦產(chǎn)資源開發(fā)所造成的環(huán)境污染和地質(zhì)災害，從而嚴重影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益。

基于上述問題，提出建設數(shù)字化礦山。數(shù)字化是礦山企業(yè)信息化的基礎和表現(xiàn)形式，數(shù)字化礦山可實現(xiàn)從更高的層次和系統(tǒng)的、一體化的角度將其所涉及的理論、技術(shù)及其應用和礦山正在使用的設備或信息系統(tǒng)進行整合，把與礦山建設、礦產(chǎn)資源的勘探和開采、環(huán)境的保護與治理等有關信息和數(shù)據(jù)進行相應的傳輸、存儲、表達及共享，從而提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，開創(chuàng)出一條安全、高效、可持續(xù)的礦業(yè)發(fā)展之路。

2.2 數(shù)字化礦山建設的意義

數(shù)字化礦山依靠井上井下各自動化系統(tǒng)的集成和數(shù)據(jù)共享，為礦山企業(yè)的高效生產(chǎn)、決策優(yōu)化、安全管理提供了先進的科學手段［3］。建設數(shù)字化礦山意義:

（1）可實現(xiàn)礦山生產(chǎn)、管理、經(jīng)營等相關業(yè)務的數(shù)字化和集成化，形成統(tǒng)一的、完整的信息系統(tǒng)，提高各業(yè)務部門的信息化水平，實現(xiàn)部門間各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和共享，從而提高工作效率。子系統(tǒng)的獨立運行，其不僅要解決各個相互獨立的

（2）數(shù)字化礦山采用GIS、虛擬現(xiàn)實、動態(tài)模擬及三維可視化技術(shù)，可將整個礦山的空間及地理環(huán)境在電腦上虛擬出來，使得技術(shù)或管理人員能夠更直觀、更形象地了解礦山的狀況，從而實現(xiàn)井上井下環(huán)境的全方位、多角度、多視點的實時動態(tài)監(jiān)測，保證礦山的正常運作和各類災害的提前預警，從而有效避免災難的發(fā)生，提高安全水平。

（3）數(shù)字化礦山在綜合考慮生產(chǎn)、管理、經(jīng)營、資源、環(huán)境、安全、效益等各種因素的基礎上，實現(xiàn)整個生產(chǎn)流程的信息化、自動化、智能化和整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低勞動強度、實現(xiàn)減人增效以減少人員傷亡。

（4）決策支持的優(yōu)化和管理的精細化，使得礦山的各種資源都得到充分的利用，可有效避免資源的浪費。

（5）數(shù)字化礦山的建設有利于環(huán)境的防治和保護，為建造綠色礦山創(chuàng)造了有利條件。

3 數(shù)字化礦山全域模型

為了增強煤礦企業(yè)的競爭力，我國許多大型的煤礦企業(yè)都將綜合自動化引入了礦山系統(tǒng)中，但因管理層和生產(chǎn)過程層的數(shù)據(jù)存在不同程度的無法共享，而導致了信息孤島的產(chǎn)生。數(shù)字化礦山的管控一體化可成功解決信息孤島難題。數(shù)字化礦山要求對整個勘探、設計、開采、生產(chǎn)、加工過程進行自動化的建設和集成，建成一個統(tǒng)一的綜合自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)設備控制和經(jīng)營管理的管控一體化，過程信息和管理信息的集成和共享，從而對整個生產(chǎn)、經(jīng)營和管理過程進行優(yōu)化［4］。數(shù)字化礦山是一個復雜的、動態(tài)的、開放的巨型系統(tǒng)，所涉及的是多種學科的交叉和多方面知識的融合，整個系統(tǒng)的各個部分之間也是互相影響、互相制約的。本文根據(jù)相關科研理論，借鑒現(xiàn)場實施礦山企業(yè)信息化的經(jīng)驗，按照礦山信息化的特殊需求，從決策層、管控層、數(shù)據(jù)層、設備層四個層面對整個數(shù)字化礦山的全域模型進行了架構(gòu)，如圖1所示。

（1）設備層 數(shù)字化礦山的設備層主要是布置在井上井下的一些環(huán)網(wǎng)、機電設備以及各個自動化系統(tǒng)，如:礦用人員管理系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、軌道運輸信集閉系統(tǒng)等。該層是礦山企業(yè)能夠運營起來的基礎，而高速、雙向的通訊網(wǎng)絡則是礦山生產(chǎn)運作過程中語音、視頻及三維數(shù)據(jù)能夠快速傳輸?shù)谋ＷC。數(shù)字化礦山的設備層不只是一臺臺機電設備的簡單羅列，也不是各個自動化 自動化系統(tǒng)的兼容性問題，還需要分析各系統(tǒng)信息之間的聯(lián)系，從而形成一個綜合的自動化系統(tǒng)，為安全、高效、科學生產(chǎn)提供信息支持。

（2）數(shù)據(jù)層 主要運用計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立一個音頻、視頻、數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一的環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)平臺，便于對礦山的海量數(shù)據(jù)進行管理，為實現(xiàn)井上井下機電設備及自動化系統(tǒng)的自動控制提供數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)絡、服務器方面的基礎設施支持主流操作平臺 （如Windows，Unix，Linux），數(shù)據(jù)庫支持 SQLServer，Oracle，DB2等關系型數(shù)據(jù)庫以及IBMLotus Domino等文檔數(shù)據(jù)庫，應用的中間軟件還支持J2EE和.net Framework等技術(shù)標準和主流產(chǎn)品。

（3）管控層 通過各個管控系統(tǒng)將從設備層采集來的礦山運作過程中的基礎自動化和過程自動化的數(shù)據(jù)進行實時的綜合處理、整合及反饋，實現(xiàn)整個礦山管理信息、生產(chǎn)信息和監(jiān)測監(jiān)控信息的高度集成，并采用先進的技術(shù)、設備及管理理念，實現(xiàn)在以現(xiàn)場控制為主的基礎上，擴展到以分布控制、視頻監(jiān)控為主的全生產(chǎn)過程的管理和監(jiān)控。管控層可實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控、協(xié)調(diào)與管理，實現(xiàn)礦山安全、生產(chǎn)調(diào)度、工況監(jiān)測等方面各子系統(tǒng)的無縫集成以及整個礦山信息資源的實時傳遞與共享。

（4）決策層 在設備層各個自動化系統(tǒng)的基礎上，通過數(shù)據(jù)層將管控層集成整合后的管理、運作等各個方面的信息傳遞到?jīng)Q策層，利用數(shù)據(jù)集成決策分析系統(tǒng)對這些信息進行系統(tǒng)性地分析，并依據(jù)不同的評價標準對分析后的結(jié)果進行綜合評價，最終為礦山的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理確定最優(yōu)決策。例如，若生產(chǎn)過程中出現(xiàn)設備突發(fā)故障或是生產(chǎn)能力改變等不確定性的情況時，決策層可以在煤炭資源生產(chǎn)計劃的基礎上，根據(jù)實際情況對采礦設備或生產(chǎn)過程進行調(diào)度優(yōu)化，并提出動態(tài)性的建議和措施，保證礦山生產(chǎn)的正常運行，最終實現(xiàn)礦山效益的最大化［5］。另外，決策層的礦山ERP系統(tǒng)負責對生產(chǎn)、物資、財務、設備、運銷、成本等供需鏈上的各個環(huán)節(jié)進行管理和控制;辦公自動化、報表系統(tǒng)及電子商務的應用可極大地提高礦山日常辦公的工作效率，減少信息冗余，保證信息傳遞的及時性與一致性。

圖1 數(shù)字化礦山全域模型架構(gòu)

4 數(shù)字化礦山全域模型的關鍵技術(shù)

（1）高速網(wǎng)絡傳輸技術(shù) 礦山運營的數(shù)據(jù)量大、來源不一、種類繁多，且結(jié)構(gòu)復雜，具有頻帶寬、傳輸距離遠、抗電磁干擾性強等特點的工業(yè)以太網(wǎng)完全可滿足礦山數(shù)據(jù)的傳輸，并且網(wǎng)絡采用統(tǒng)一的TCP/IP傳輸協(xié)議，具有標準接口，方便各個系統(tǒng)的集成與擴展［6］。利用工業(yè)環(huán)形以太網(wǎng)技術(shù)建立起來的統(tǒng)一的網(wǎng)絡傳輸平臺可實現(xiàn)在信息傳遞的同時，達到音頻、視頻和數(shù)據(jù)的三網(wǎng)合一，讓各個自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更高效、可靠、兼容。

（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù) 綜合三維圖形、計算機仿真、調(diào)度并行的實時計算及多傳感交互等技術(shù)，可將礦山實體進行虛擬并生成一個形象逼真、具有視覺、聽覺甚至是觸覺的可交互的動態(tài)世界。該技術(shù)可模擬礦山三維地層環(huán)境及井上井下的各種建筑實體和機電設備，通過分析處理設計、測量、鉆孔、傳感等方面的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)維護，并與監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)進行整合以實現(xiàn)實時監(jiān)控、導航、虛擬場景漫游、交互控制和數(shù)據(jù)查詢等功能［7］。

（3）數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘 為數(shù)據(jù)集成決策分析系統(tǒng)及其他自動化系統(tǒng)提供了一個結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)環(huán)境，并利用人工智能及工程技術(shù)為相關管理及工作人員從海量數(shù)據(jù)中挖掘有用的數(shù)據(jù)，便于進行決策分析。尤其是三維數(shù)據(jù)模型庫，能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)并結(jié)合礦山生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)標準，將安全監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)與GIS信息進行整合，從而為礦山的數(shù)字空間提供原庫調(diào)用服務［8］。

（4）數(shù)據(jù)分析集成技術(shù) 將不同來源的各類異構(gòu)數(shù)據(jù)通過Web Services，XML等技術(shù)進行分析、集成和融合，以方便進行統(tǒng)一地表示、存儲和管理［9］。建立數(shù)據(jù)倉庫，將采集到的所有實時數(shù)據(jù)進行分析和處理，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、匹配、驗證和清理。將私有協(xié)議的信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式以避免異構(gòu)和互聯(lián)問題，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)編碼的標準化。以礦用對象庫的形式共享實時數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，供礦山的可視化、一體化及其應用的各業(yè)務子系統(tǒng)查詢調(diào)用。

5 結(jié)論

數(shù)字化礦山是礦山的虛擬化、信息化、集成化和數(shù)字化，是礦山標準的管控一體化。數(shù)字化礦山全域模型在綜合考慮礦山生產(chǎn)、經(jīng)營、安全、管理、效益等各方面要素的基礎上，運用信息及自動化等技術(shù)對整個礦山進行整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，可降低礦山企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高礦山的生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)系數(shù)，從而實現(xiàn)礦山企業(yè)綜合效益的最大化，增強礦山企業(yè)在同行業(yè)市場競爭中的競爭力。目前，我國許多大型礦山在數(shù)字化建設方面已經(jīng)取得了一些成果。當然，礦山的數(shù)字化是一個復雜、艱巨而又漫長的過程，需要各方面人員的共同探索、協(xié)同攻關，并且隨著更多高新科技的不斷研發(fā)，數(shù)字化礦山的內(nèi)容也會越來越豐富。

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Whole Domain Model of Digital Mine Construction

ZHANG Jian-ping，CAI Hong-jing
（Economic Management School，Taiyuan University of Science＆ Technology，Taiyuan 030024，China）

Data mine concept and its necessity and signification was introduced．On the basis of analyzing especial requirement of mine enterprise information，4-level whole domain model of data mine construction was put forward．Whole structure of data mine was designed from decision level，management level，data level and equipment level．Whole domain model and key technologies were depicted．Results showed that whole domain model of data mine could cover every aspect including mining，management，operation，resources，environment，safety and profit．It reflected digitization，comprehensive information，practical applicability and maneuverability and could provide reference for digitization and information of mine enterprise．

data mine;whole domain model;comprehensive automatization;enterprise information;system structure

TD211

A

1006-6225（2012）02-0001-04

2011－12－15

張建平 （1960－），男，山西臨猗人，教授，博士、碩士生導師，研究方向為管理科學與工程。

［責任編輯:施紅霞］