黃智煌，鄔 娜，仇巍巍

（1. 北京匯智通科技有限公司，北京 100089；2. 泰瑞天際科技（北京）有限公司，北京 100089；3. 自然資源部信息中心，北京 100830）

0 引言

伴隨著智能科技的飛速發(fā)展，智慧礦山的概念應(yīng)運(yùn)而生。智慧礦山將3D GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)融合應(yīng)用于礦山行業(yè)[1]?；?D GIS和物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山三維可視化系統(tǒng)作為智慧礦山的重要組成部分[2]，通過(guò)三維建模技術(shù)，將物理世界中的礦山實(shí)景1：1完全“復(fù)制”到數(shù)字化世界，在數(shù)字化世界對(duì)礦山進(jìn)行全方位展示和分析。集成人員定位、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，將三維實(shí)景與礦山日常生產(chǎn)管理緊密結(jié)合。通過(guò)智慧礦山三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用，礦山企業(yè)和監(jiān)管部門可對(duì)礦井工程、礦井設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、礦井環(huán)境等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，在三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)礦山的可看、可查、可控，為礦山安全生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支撐和輔助決策，切實(shí)提升礦山生產(chǎn)安全和管理的信息化水平。

1 智慧礦山建設(shè)中的問(wèn)題

目前，礦山生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及通信系統(tǒng)等各種專業(yè)的工業(yè)軟件應(yīng)用已趨于成熟，為智慧礦山建設(shè)提供了基礎(chǔ)條件[3]。但隨著智慧礦山不斷發(fā)展和建設(shè)，也逐步暴露一些問(wèn)題。

（1）當(dāng)前，中國(guó)礦山信息化建設(shè)已經(jīng)初步完成，礦山生產(chǎn)或監(jiān)控等工作運(yùn)用了相應(yīng)的監(jiān)管和維護(hù)信息系統(tǒng)。傳統(tǒng)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)井上、井下的設(shè)備實(shí)施監(jiān)管和控制[4]。但不同信息系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行集成和匯聚，大部分?jǐn)?shù)據(jù)留在單獨(dú)的信息系統(tǒng)[5]，導(dǎo)致“信息孤島”現(xiàn)象，信息系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)無(wú)法發(fā)揮潛在的價(jià)值[6-7]。

（2）雖然很多礦山企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了智慧礦山建設(shè)，但是大多數(shù)企業(yè)主要利用人工建模技術(shù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行三維可視化展示，只做了三維可視化的“表面工程”，并沒(méi)有將三維場(chǎng)景與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，使得礦區(qū)的三維可視化建設(shè)停留在初步階段。

（3）及時(shí)的應(yīng)急救援對(duì)于礦山具有非常重要的意義，科學(xué)的災(zāi)害預(yù)防也是不可或缺的。目前，智慧礦山建設(shè)中的應(yīng)急救援更多側(cè)重眼前的應(yīng)急救援管理，如物資管理、逃生路線預(yù)演等，而忽略了過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過(guò)對(duì)歷史事故進(jìn)行復(fù)盤分析，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援管理的“查缺補(bǔ)漏”，及時(shí)發(fā)現(xiàn)救援過(guò)程存在的問(wèn)題。還可以對(duì)事故歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，如分析災(zāi)害事故的發(fā)生是否與特定因素存在關(guān)聯(lián)，為科學(xué)預(yù)防礦山災(zāi)害提供有力支撐。

（4）智慧礦山面向礦山企業(yè)及政府監(jiān)管部門，涉及較多的用戶角色層級(jí)，且各個(gè)角色層級(jí)對(duì)信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)權(quán)限的需求不一致，客觀上增加了信息系統(tǒng)的復(fù)雜程度。系統(tǒng)如沒(méi)有合理的用戶邏輯設(shè)計(jì)，不但不會(huì)提升礦山管理效率，反而會(huì)增加系統(tǒng)維護(hù)的工作量和相關(guān)支出[7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

為打造高效、經(jīng)濟(jì)、綠色、安全的智慧礦山三維可視化系統(tǒng)[8]，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，本文充分考慮了智慧礦山建設(shè)存在的問(wèn)題，解決現(xiàn)有問(wèn)題，完成基于3D GIS和物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山三維可視化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層4個(gè)層次。設(shè)備層主要實(shí)現(xiàn)礦山環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由環(huán)境監(jiān)控傳感器、生產(chǎn)控制設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人員定位設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況及井下環(huán)境的全面感知。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、遙感影像庫(kù)、數(shù)字高程模型庫(kù)、三維模型庫(kù)、礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，為服務(wù)層提供數(shù)據(jù)支撐。服務(wù)層主要提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，如矢量數(shù)據(jù)服務(wù)、柵格數(shù)據(jù)服務(wù)、模型數(shù)據(jù)服務(wù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)及專題數(shù)據(jù)服務(wù)等。應(yīng)用層明確系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，具體包括三維瀏覽、安全監(jiān)控、安全監(jiān)管、重大危險(xiǎn)源管理、應(yīng)急救援管理、綜合統(tǒng)計(jì)及權(quán)限管理等功能模塊，為管理者提供支撐服務(wù)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于3D GIS技術(shù)構(gòu)建，具有真實(shí)感強(qiáng)、地理位置精確等特點(diǎn)?？梢詾g覽整個(gè)礦區(qū)的地上地下三維實(shí)景，并可在真實(shí)地形地貌上進(jìn)行空間分析。通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，管理者在三維可視化場(chǎng)景中即可掌握礦區(qū)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并提供應(yīng)急救援管理及統(tǒng)計(jì)分析等功能。系統(tǒng)具體功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 功能設(shè)計(jì)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維場(chǎng)景構(gòu)建

為更真實(shí)地再現(xiàn)和還原礦山場(chǎng)景，通過(guò)不同的建模手段分別構(gòu)建組成三維礦山場(chǎng)景的模型要素。三維礦山場(chǎng)景按照地理空間分類包括地下、地表、地上空間。針對(duì)礦山地下空間，需要精準(zhǔn)表達(dá)地下巷道、采礦區(qū)、生產(chǎn)設(shè)備以及巷道和地上建筑物的關(guān)系。系統(tǒng)基于巷道工程建設(shè)圖、井巷平剖面圖等信息，利用3D MAX人工建模及參數(shù)化建模方式構(gòu)建地下空間，可以準(zhǔn)確表達(dá)更多模型細(xì)節(jié)。針對(duì)地表空間，需要真實(shí)表達(dá)地形地貌，系統(tǒng)利用DOM、衛(wèi)星影像、高精度航片及DEM，構(gòu)建三維地形場(chǎng)景，表現(xiàn)礦區(qū)的地表空間。利用高精度航片及DEM真實(shí)表達(dá)礦區(qū)的地形地貌；利用次高精度的衛(wèi)星影像及DEM表達(dá)礦區(qū)外圍的地形地貌。同時(shí)，利用POI對(duì)各個(gè)礦區(qū)及重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行標(biāo)記。針對(duì)地上空間，需要構(gòu)建的模型主要包括井上工業(yè)廣場(chǎng)建筑物、室內(nèi)結(jié)構(gòu)及設(shè)備。運(yùn)用3D MAX，以礦山平面布置圖為基準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)地拍攝采集數(shù)據(jù)，獲取建筑物的結(jié)構(gòu)、紋理，對(duì)道路、建筑和工礦場(chǎng)地進(jìn)行三維建模[9-10]。三維礦山場(chǎng)景構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 三維礦山場(chǎng)景構(gòu)建流程

3.2 物聯(lián)網(wǎng)融合

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山中的發(fā)展，很多礦山已經(jīng)具備各種物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)控子系統(tǒng)，如井下環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、人員定位子系統(tǒng)等，管理者在井上監(jiān)控室即可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)井下環(huán)境的全面感知。但多數(shù)子系統(tǒng)獨(dú)立存在，采集的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)也是單一、孤立的，缺乏有效的空間融合及信息匯聚，無(wú)法發(fā)掘潛在的數(shù)據(jù)價(jià)值。通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)集成與融合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)全部集成，可以很好地解決此問(wèn)題?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧礦山三維可視化系統(tǒng)將各類監(jiān)控信息進(jìn)行融合展示，發(fā)掘信息之間的潛在關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景進(jìn)行融合和聯(lián)動(dòng)，一個(gè)真實(shí)的可視化環(huán)境既可以直觀了解整個(gè)礦山的運(yùn)行及安全情況，又可對(duì)某個(gè)設(shè)備或人員進(jìn)行監(jiān)控和管理，從宏觀和微觀維度支撐礦山管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧礦山三維可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦山的優(yōu)化管理，減少人員成本，提高礦山設(shè)備的工作效率，降低安全事故的發(fā)生幾率[11]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于SuperMap平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)，使用JAVA語(yǔ)言，服務(wù)器操作系統(tǒng)采用CentOS 6·0，客戶端使用IE瀏覽器。

基于前述制劑生產(chǎn)特點(diǎn)，如沒(méi)有信息系統(tǒng)的幫助，單靠一兩個(gè)統(tǒng)計(jì)和財(cái)務(wù)人員手工操作，制劑成本核算盲目追求理論上的按品種的產(chǎn)品成本等完全成本核算方式，不但核算工作量太大，而且容易產(chǎn)生偏差誤導(dǎo)決策。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息系統(tǒng)在醫(yī)院財(cái)務(wù)管理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，醫(yī)院制劑的生產(chǎn)和核算信息化必將成為改善制劑管理的有力手段。一方面，制劑部門配備專門的制劑庫(kù)存管理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)制劑物資的高效管理；另一方面，系統(tǒng)軟件逐一計(jì)算每種藥品的材料及費(fèi)用，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)制劑成品的成本核算。

4.1 三維瀏覽分析

通過(guò)對(duì)礦區(qū)及井下巷道等設(shè)施進(jìn)行三維建模，對(duì)路網(wǎng)、影像及矢量等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，構(gòu)建具有統(tǒng)一空間基準(zhǔn)、滿足礦山管理和智慧礦山建設(shè)所需的室內(nèi)室外、地上地下一體化的三維場(chǎng)景。系統(tǒng)提供二三維一體化的展示方式，在二維場(chǎng)景中可清晰看出礦區(qū)的地理分布情況、礦區(qū)范圍及巷道分布；在三維場(chǎng)景中可綜合展現(xiàn)礦山的實(shí)景全貌?？蓮暮暧^視角俯瞰整個(gè)礦區(qū)的實(shí)景，也可從微觀視角查看每個(gè)設(shè)備的細(xì)節(jié)。礦區(qū)地上地下三維場(chǎng)景展示如圖4所示。系統(tǒng)還提供測(cè)量、標(biāo)繪、空間查詢、模型屬性查詢、三維空間分析等功能。

圖4 礦區(qū)地上地下三維場(chǎng)景展示

4.2 安全監(jiān)控

為消除“信息孤島”問(wèn)題，智慧礦山三維可視化系統(tǒng)集成各個(gè)安全監(jiān)控子系統(tǒng)，并作為統(tǒng)一入口。系統(tǒng)將設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)，在三維場(chǎng)景中顯示安全監(jiān)控設(shè)備分布情況、實(shí)時(shí)狀態(tài)信息及預(yù)警情況。

（1）環(huán)境監(jiān)控。在三維場(chǎng)景中集成各個(gè)環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)，以地圖或列表形式展示監(jiān)控設(shè)備的分布情況，瓦斯監(jiān)控如圖5所示。也可直接點(diǎn)擊三維場(chǎng)景中的設(shè)備模型，查看設(shè)備信息，如瓦斯超限的地點(diǎn)、時(shí)間、濃度、報(bào)警級(jí)別和聯(lián)系電話等信息。

（2）視頻監(jiān)控。通過(guò)在三維場(chǎng)景中集成礦區(qū)視頻監(jiān)控設(shè)備，管理人員可對(duì)礦區(qū)所有監(jiān)控視頻進(jìn)行查看和管理。關(guān)聯(lián)監(jiān)控?cái)z像頭與三維場(chǎng)景中的攝像頭模型，在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊查看監(jiān)控?cái)z像頭與自動(dòng)播放實(shí)時(shí)視頻；監(jiān)控?cái)z像頭也可以列表形式展示，點(diǎn)擊監(jiān)控?cái)z像頭名稱，在三維場(chǎng)景中自動(dòng)定位該攝像頭位置，同時(shí)自動(dòng)播放實(shí)時(shí)視頻。

（3）人員定位。系統(tǒng)通過(guò)接入人員定位子系統(tǒng)，基于精確的位置服務(wù)，在二三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)人員的實(shí)時(shí)定位、分布情況、動(dòng)態(tài)圖展示等功能。具有歷史軌跡查詢功能，通過(guò)搜索或直接選定人員姓名，查詢?nèi)藛T在指定時(shí)間范圍的運(yùn)動(dòng)軌跡詳細(xì)信息，同時(shí)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行軌跡圖回放展示，便于事后追溯。

（4）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)于智慧礦山三維可視化系統(tǒng)非常重要，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備監(jiān)控信息實(shí)時(shí)傳入系統(tǒng)，管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)情況及預(yù)警信息。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控接口，能夠在三維場(chǎng)景中直觀展示正常聯(lián)網(wǎng)煤礦數(shù)量、斷網(wǎng)煤礦數(shù)量和故障異常數(shù)量，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和預(yù)警。

4.3 安全監(jiān)管

安全監(jiān)管功能根據(jù)各礦區(qū)的監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及上報(bào)的隱患告警信息，在三維場(chǎng)景中對(duì)所有礦區(qū)的隱患、告警信息進(jìn)行統(tǒng)一展示及統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全面管理礦區(qū)安全情況。相關(guān)人員在系統(tǒng)中可對(duì)告警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。如出現(xiàn)重要隱患及告警信息，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告聲音并以短信形式告知相關(guān)管理人員，對(duì)隱患和告警及時(shí)處理。

4.4 重大危險(xiǎn)源管理

4.5 應(yīng)急救援管理

礦山井下工作環(huán)境和地質(zhì)條件都較復(fù)雜，如果井下發(fā)生水災(zāi)、火災(zāi)等重大事故，系統(tǒng)的應(yīng)急救援功能可以為指揮決策者及時(shí)提供事故發(fā)生地點(diǎn)、影響范圍及井下人員、設(shè)備和救援物資的空間分布情況，為制定應(yīng)急救援方案提供科學(xué)支撐。應(yīng)急救援功能包括應(yīng)急救援管理與應(yīng)急救援指揮兩個(gè)部分。

（1）應(yīng)急救援管理?？刹榭礆v史事故的詳細(xì)信息以及救援物資、救護(hù)隊(duì)與醫(yī)療資源的分布情況。系統(tǒng)支持在三維場(chǎng)景疊加各類災(zāi)害的避災(zāi)路線，并以動(dòng)態(tài)圖形式展示，用于事故前培訓(xùn)及事故中指導(dǎo)。還提供緩沖區(qū)分析、最短路徑分析等分析工具，用于快速分析救援隊(duì)到事故地點(diǎn)的最短路徑。

（2）應(yīng)急救援指揮。用于事故啟動(dòng)及事故處理全流程跟蹤，包括事故預(yù)警、事故進(jìn)展、事故處理、事故報(bào)告、事故歸檔等完整流程。在事故處理過(guò)程中可隨時(shí)記錄事故處理進(jìn)度，同時(shí)對(duì)事故處理進(jìn)度進(jìn)行存檔。在指揮過(guò)程中可生成事故報(bào)告，查看事故煤礦的人員定位、視頻、瓦斯信息，并能快速調(diào)取和記錄最近事故地點(diǎn)的人員定位、視頻和瓦斯信息，并能進(jìn)行救援物資的空間搜索和查詢。

4.6 綜合統(tǒng)計(jì)

綜合統(tǒng)計(jì)功能將各礦區(qū)產(chǎn)量、可采儲(chǔ)量等生產(chǎn)能力信息及隱患、告警等安全監(jiān)管數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖表結(jié)合的形式進(jìn)行直觀展示。通過(guò)綜合統(tǒng)計(jì)功能，管理者能夠更加直觀、快速地了解礦區(qū)運(yùn)行情況及安全隱患的發(fā)生頻率，可對(duì)隱患告警發(fā)生頻率較高的礦區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和管理。

另外，系統(tǒng)對(duì)接了礦山從業(yè)人員信息，可按工種、性別、學(xué)歷等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。也可對(duì)從業(yè)人員的健康情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，例如，按照工種及職業(yè)病進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)，可得出不同工種的常患職業(yè)病，從而可更針對(duì)性地加強(qiáng)從業(yè)人員保護(hù)。

4.7 權(quán)限管理

智慧礦山三維可視化系統(tǒng)面向礦山企業(yè)及政府監(jiān)管部門，涉及較多的用戶層級(jí)，各個(gè)層級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)權(quán)限的需求不一致。針對(duì)此問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了合理的用戶權(quán)限級(jí)別，將系統(tǒng)權(quán)限分為政府權(quán)限和企業(yè)權(quán)限，按照所管轄范圍查看轄區(qū)礦山、危險(xiǎn)化學(xué)品等企業(yè)的三維場(chǎng)景及相關(guān)信息。

5 結(jié)語(yǔ)

基于3D GIS和物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山三維可視化系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用提高了礦山的智慧化管理能力。從數(shù)據(jù)源頭開(kāi)始，以地理坐標(biāo)為基準(zhǔn)，通過(guò)不同建模手段，建立礦山三維實(shí)景，融合礦山業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，集成礦山物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使其與三維實(shí)景進(jìn)行融合和聯(lián)動(dòng)，真實(shí)而精確地展示礦山地上地下三維實(shí)景場(chǎng)景。同時(shí)，將三維實(shí)景與應(yīng)急資源等相關(guān)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向關(guān)聯(lián)，建立基于三維實(shí)景的應(yīng)急救援流程及歷史事故復(fù)盤分析，借助三維實(shí)景可真實(shí)再現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)，為應(yīng)急救援流程優(yōu)化及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)可以對(duì)礦山進(jìn)行三維可視化管理、安全監(jiān)控和應(yīng)急救援管理，為礦山的智慧化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和安全管理提供技術(shù)支撐[12]。