数字矿山的框架、平台
及其主要技术
单位 地理信息中心
作者 孙阳阳
日期 2011.12.26
数字矿山的框架、平台及其主要技术
摘要： 数字化矿山（Digital Mine,简称DM）简称为数字矿山，是21世纪传统的采矿工业向一个崭新方向的发展，全球的高速数字化在提醒我们需要快速的发展数字矿山，我们正在努力研究和探索，在此阐述数字矿山的基本概念及架构，2大基础平台的建设，以及数字矿山需要实现的4个主要技术。
21世纪是信息主导的世纪， “数字化生存”已成为知识经济的标志,信息、定位、通讯和自动化技术的飞速发展，深刻地影响和改变着传统的采矿工业。越来越多的采矿人开始思考矿山信息化改造与DM问题，以煤矿、有色矿、非金属矿为代表的传统采矿业，已经并正在面临21世纪信息技术的挑战和洗礼，问题与机遇并存。
1数字矿山的基本概念与架构
数字矿山是对真实矿山整体及相关现象的统一认识与数字化再现，即将矿山生产、安全、矿山地理、地质、矿山建设等综合信息全面数字化，其目的是为了利用信息技术及现代控制理论与自动化技术去动态详尽地描述与控制矿山安全生产与运营的全过程．以高效、安全、绿色开采为目标，保证矿山经济的可持续增长，保证矿山自然环境的生态稳定．为此，提出了几种不同类型的数字矿山模型．如吴立新教授提出的5层同心园模型(图1(a))；僧德文先生提出的7层模型(图1(b))．这些数字矿山模型有力地推动了数字矿山概念的发展普及，起到了非常积极的作用。
2数字矿山建设的3层结构模型
结合数字矿山与综合自动化的模型结构，从数字矿山建设的实用角度提出一种数字矿山的3层结构模型如图2所示。图2中最底层是信息采集与施用层，包括矿山各种子系统的数据采集与反馈控制，根据各个矿山的不同，这一层的具体模块会有所增减．这一层大部分子系统的数据是自动采集的，但也不排除部分数据是手工采集或人工输入．底层各种子系统均应接人统一的控制网络中，形成在统一网络下的采集与控制。
中间层为信息集成层．各种系统的数据应有统一的数据描述形式、统一的数据处理格式和统一的数据管理方式，便于信息的挖掘和融合．例如，对矿山进行安全运行评价，需要监测监控系统的数据、通风系统的数据、矿压监测的数据、地下水位及涌水量的数据等等，如果各系统的数据没有统一的描述形式和存贮方式，信息挖掘与融合将是一句空话．
上层为管理决策层．矿山现场及相关现象的信息在中间层得到提升后，目的是为了利用这些信息去动态详尽地描述与控制矿山安全生产与运营的全过程，保证矿山经济的可持续增长以及矿山自然环境的生态稳定．管理决策层的各种软件应用模块就是这种目的的具体体现．和底层一样，根据矿山的具体应用不同，这些模块是可增减的．
显然，图2所示的数字矿山的3层结构模型与前述的模型有许多相同之处，其特点是3层结构模型并不是一成不变的，它可以根据矿山的规模、现代化水平、开采方式等进行灵活的调整，以适应各种不同类型矿山的需要．
3数字矿山的两大基础平台建设
如前所述，数字矿山的建设需要多专业、多领域的专家与技术人员的共同努力，但由于所学专业的局限性，在讨论数字矿山建设时，常常会无意识地过多强调某些专业的内容，造成顾此失彼，另一方面，同样由于专业的限制，对跨专业的内容在数字矿山中的具体作用与地位，往往又只能谈点概念，造成数字矿山成了概念的堆砌和高不可攀的东西．图2所示的模型表明，数字矿山是现代化矿山在信息化时代的实实在在的具体体现，可以从基础内容一步步进行建设，而决不是一个遥不可及的理想．在图2所示模型中给出了数字矿山建设的商大基础平台，这就是统一传输网络平台和统一数据仓库平台，简称硬平台和软平台．这两大平台从硬件结构和软件配置上保证数字矿山中的各子系统模块具有统一的传输模式、统一的数据描述形式、统一的数据处理格式和统一的数据管理方式．这两个平台是跨专业的，各种不同专业的专家和技术人员均可在这两大平台上施展身手．从前面的讨论可知，数字矿山的建设显然应从这两大平台人手，规范好各专业在数字矿山建设中应遵循的传输协议及数据标准．避免各行其是、自搞一套的做法，避免在数字矿山建设中再次出现困扰矿山多年的“信息孤岛”和“子系统孤岛”现象，使数字矿山的建设从一开始就步人正轨.
4．1统一传输网络平台建设
统一传输网络平台即硬平台原则上由三大部分组成：①连接到矿山安全生产各个层面或子系统的控制网；②在矿山调度指挥中心的调度网；③矿山Internet网络，并由此接人互联网，实现国家资源开发与空间信息共享．图2的3层结构模型分别运行在这3层网络中．
数字矿山对控制嘲络传输平台的要求：①完全开放式网络，各种子系统能方便地上、下网络，相互构成联系；②各种子系统内部应能形成各自的逻辑网，或虚拟网VLAN；③网络具有良好的可靠性、冗余性；④有限制网络流量的能力，确保重要子系统的实时性；⑤丰富的网管功能；⑥最大限度地使用网络资源．控制网的构成目前有如下几种选择：①工业总线网；②工业以太网(100 Mb或1 000 Mb)；③基于SDH的多业务平台MSLP；④光无源网络．其中前两种在工业控制界有多年应用的经验和众多厂商的软硬件支持，相对比较成熟．而后两种技术是从通信领域发展而来的，仅提供信息传输通道，在工控界的应用相对较少．在应对底层的控制和数据采集上来说，支持的硬件厂商和软件协议也较少．
调度指挥中心的网络通常采用以太网结构，各种数据服务器和应用服务器均在此网络中．对底层系统进行数据采集与控制用的操作员站也在此网络中．因此，需要实现控制网与调度网的透明传输，实现系统的冗余配置和数据的双备份等．这些技术在目前企业综合自动化集成平台中均己得到很好地解决．图3为一种统一传输网络平台示例．调度指挥控制中心调度网为普通以太网，控制网为l 000 Mb工业以太网，各种生产与安全子系统均接入此控制网平台，但各子系统可以形成自己的逻辑网。 网络采用网管型交换机构成环形冗余方式，支持服务质量（QOS）、虚拟局域网(VLAN)、端口镜像、冗余与SNMP等特性．由于采用工业以太网协议，因此，能保证控制所需的实时性．一般的工业以太网协议。
调度指挥控制中心以太网由交换机、服务器、网关、操作站等组成，均采用冗余设计，服务器操作系统采用windows 2003 server，工作站操作系统采用window xP，历史数据库采用SQL server 2000，给整个系统提供开放的安全数据接口．
企业Internet网络是大多数矿山已有的矿山局域网，并已实现了与国际互联网的连接，不再赘述，统一传输网络平台的建设解决传统方式下各子系统单独传输，信息相对独立，系统相对独立的缺点，实现矿井安全生产信息化，确保矿山安全、高效地生产，为数字矿山的建设打下了良好的基础．
4．2数据仓库平台
硬平台建设保证了异构系统硬件和传输协议上的相互连接，但图2所示各子系统的数据同样是异构的，采用数据仓库技术来实现异构数据的统一描述与处理是数字矿山基础建设的另一个重要内容，即软平台建设．
由于数字矿山子系统众多，将来的发展需要对各子系统的数据进行综合分析和数据挖掘，因此，从一开始就利用数据仓库具有海量数据存储的能力，利用OLAP联机分析处理和数据挖掘技术进行强大的多维数据分析，为实现决策支持功能提供条件．
后台数据存取，选用数据SQL server，OLAP联机分析处理技术，双机共用磁盘阵列，结合了群集技术和磁盘阵列技术，使得数据库具有高可靠性、可用性、安全性、稳定性以及数据完整性．Microsoft将0LAP功能集成到Microsoft SQL server 7．0中，提供可扩充的基于C0M的OLAP接口．它通过一系列服务程序支持数据仓库应用．
数据传输服务DTS(Data Transformation Services)提供数据输入／输出和自动调度功能，在数据传输过程中可以完成数据的验证、清洗和转换等操作。
矿山数据仓库技术 针对矿山信息的“五性四多” （复杂性、海量性、异质性、不确定性和动态性，多源、多精度、多时相和多尺度）特点，为统一管理和共享数据，必须研究一种新型的数据仓库技术，包括矿山数据分类组织、分类编码、元数据标准、高效检索、快速更新与分布式管理，其中，研究提出一种适合多源异质矿山数据集成与共享、且独立于应用软件与数据模型的数据组织结构的软件，我们正在使用的是skyline。
4数字矿山的主要技术
4.1生产调度与监测监控技术
生产调度系统是煤矿安全生产管理中的重要手段之一，在煤炭生产中发挥着非常重要的作用。在地面，它是行政通信系统不可缺少的重要补充部分，因为煤矿生产规程中规定，在地面如绞车房、中央变电站等重点部位要安装行政、生产两套通信设备，保证在一个系统出现故障，另一个系统能满足生产的需要。在井下，生产调度通信系统则是主要的通信手段，井下各生产环节的信息主要通过该系统来传递。生产调度与过程控制建立在综合通讯系统平台上，以实现对人员设备跟踪定位、设备运行状态控制以及视频监视系统和虚拟现实系统，实现对采矿生产调度与过程控制，只有建立了功能完善的生产调度与过程控制系统才可能实现危险作业场所遥控采矿和无人采矿。
4.2矿山安全监控系统及环境监测技术
矿山井下生产过程中，主要的危害有岩体破坏、有毒有害气体、火灾等。因此，必须建立起有效的综合安 全监控与预警系统矿山综合安全监控与预警系统采用传感器采集各种数据，安全检测系统采用时分制分布式结构，主要由地面监控主机、数据库服务器、网络终端、图形工作站、通信接口、避雷器、系列监控分站、各种传感器和控制执行器等部分组成。具有良好的开放性和可伸缩性，采用模块化设计，组态灵活。监控中心运行在标准的Ethernet TCP/IP网络环境，操作系统平台为中文Win2000，可方便实现网上信息共享和网络互联。支持Internet/Intranet模式的Web系统综合监控信息浏览。系统显示画面采用文本、图形兼容方式，显示信息直观、生动，具有实时多屏显示功能，实时数据存储和各种统计数据存储能力。数据存储时间长、查询和报表功能丰富，格式可由用户编排。有系列化，多用途监控分站，功能丰富，具有甲烷断电仪及甲烷风电闭锁装置的全部功能。有完善的数据停电保存能力，确保监测数据和设置数据信息不丢失。配有智能口，可采用RS485通讯方式的各种传感器及设备。系统具有自检功能，可对分站、电源、传感器、电缆等设备进行诊断，能报警和记录并自动切断故障支路。有完善的多级口令保护功能。系统设备具有完善的故障闭锁功能，当与闭锁有关的设备未投入正常运行或故障时能切断与之有关设备的电源并闭锁。
4.3 矿山综合通讯技术
作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员的主要通信手段，井下无线通信系统保证了这些人员能够与生产调度室及时取得联系。它具有安装快捷，能在较短时间内形成局部移动通信系统的特点。系统能与矿井行政、生产通信系统实现组网，特别是当井下发生紧急情况时，可为井下提供能及时与地面联系的工具，对抢险的组织非常有帮助。井下／井上通信系统作为生产调度通信系统的补充在矿井生产安全等方面起重要作用，矿山综合通讯同一网络能够同时传输语音、图像、数据等各种信息，使语音、视频、数据三网合一。
井下无线通讯核心技术是采用微蜂窝和信道动态分配技术，从而大大地提高了频率的使用率和系统的容量。小灵通小区基站与手机之间采用了时分双工模式TDD，其无线信道基于时分多址TDMA结构，语音编码采用32kbit/s AD PCM方式，提高了话音通信质量，增强系统的保密性；使用分集天线接收，加强了系统的抗干扰能力。PHS产品技术较以前的产品，无论是业务侧、网络侧，还是无线侧、终端，都已经取得了突破性的进展，到目前为止PHS已经形成了由服务提供商（SP）、网络运营商、设备提供商、终端商和用户组成的完整的产业链。
4.4 资源与开采环境可视化建模与评价技术
资源及开采环境可视化建模与评价主要实现两个方面的目标：一是资源评价，主要采用可视化建模方法和虚拟现实技术完成矿床模型的建立，用以表征矿床有用元素的空间分布情况和对资源状况进行科学合理的评价；二是开采环境评价，通过建模技术全面掌握矿床和岩层分布、岩体质量、构造特征、已有井下工程的分布状态等影响矿床开采的技术条件和关键工程指标。
资源及开采环境可视化模型是数字矿山建设的基础，只有完全掌握了矿床及井下开采环境情况，才能够为数字矿山的建设提供基础平台，数字矿山建设后续的通讯系统、生产调度及人员设备定位、生产过程安全监控与预警系统、生产过程虚拟现实系统都需要以此为基础平台进行设计开发和系统运行。
资源及开采环境可视化建模采用TIN(不规则三角网)技术产生数字地形表面模型和地质体(包括床体、岩层及断层)实体线框模型，同时采用变块技术建立矿床资源评价块段模型。最终采用地质统计学方法对块段模型进行估值，得出既有结构性又具有随机性的复杂地质体的空间分布及品位和开采环境综合评价技术成果，并在此基础上进行开采方案优化与设计。
结 语
我省是一个采矿大省，科技含量和管理水平与世界发达采矿国家相比还存在相当大的差距，需要将建设与整个矿山企业的技术创新、管理改革更进一步结合。当然，数字建设涉及到企业的方方面面，首先是人的思想观念与思维方式的转变，然后是企业管理体制与管理模式的变革。企业决策者、管理者和广大工程技术人员要共同参与和积极配合，大步提升，才能再创矿山企业辉煌。此外，我省政府的高度重视和配套投入，实现我国矿业生产的跨越式发展，使我省的矿山和矿区逐步走向可持续发展之路。
