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论数字矿山及其基本特征与关键技术
出处:http://www.dcoal.com.cn 日期:2005-3-29 9:55:00  浏览:21617
吴立新

(中国矿业大学3S与沉陷工程研究所,北京,100083)

Study on Digital Mine and Its Basic Features & Key Technologies 

Wu Lixin

(Institute of 3S and Subsidence of China Uni. Mining Technology, Beijing 100083)

 

摘要:本文在介绍国际矿山信息化和遥控采矿研究与技术发展动态的基础上,分析了我国矿山信息化现状及面临的挑战性问题。基于对数字矿山6项基本特征的论述,设计了数字矿山的基本框架,包括其基本组成与网络架构,进而分析了数字矿山战略实施的9项关键技术。

关键词:数字矿山  矿山GIS  遥控采矿  

1        前言

人类生存的空间是有限的,而生存的过程是无限。如何合理开发与利用有限空间中(地球)的有限矿山资源来满足人类社会在无限时间中的可持续发展需求,已成为人类社会的共同主题。在以知识经济为特征的信息社会中,信息不仅将作为一种重要的经济资源,而且将作为一种物质形式与自然资源相耦合,成为人类生存与发展的基础,并规范人类开发、加工和利用各类自然资源(包括矿产资源)的方式与方法。

采矿业是以自然资源为生产对象的古老产业,绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段,信息化程度很低。综观历史,采矿业曾受到大大小小技术进步的巨大冲击。如今,数字地球(Digital Earth, DE)和数字中国(Digital China, DC)的钟声,已经和正在惊醒一代采矿人。作为矿山测量界的一员,回顾过去,展望未来,设想21世纪数字矿山模式,令人激动也富于挑战。

2        数字矿山及其战略意义

2.1  国际动态

    加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划:即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井,从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿;芬兰采矿工业也于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案,涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题;瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划。中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人(MR)、矿山地理信息系统(MGIS)[1、2]、三维地学模拟(3DGM)[3]、矿山虚拟现实(MVR)[3]、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究。

1997年7月,澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)制定了一项关于煤炭勘探与开采的三年研究计划,投入3100万澳元,围绕资源评估、采矿工艺革新、矿井瓦斯控制与利用、自动化、安全和材料精细控制等六个方面、按18个专门项目进行研究。其中地质评估与急救响应是最具特色的两项。1)地质评估:开发了一个基于3D块体模型的软件来评估矿井或采区的地层环境(沉积环境);并且通过一个交互式3D(和4D)软件包来对多种异质数据(微震监测数据、中子伽玛采样数据等)进行3D可视化;以及通过有限元/有限差分(FE/FD)模型来逼真地模拟开采后的岩体变形。2)急救响应:开发了一个人身安全定位与监测系统,该系统由控制装置、监测设备、网络灯标和矿工异频雷达收发机组成,具有无线通讯能力,即使在发生瓦斯爆炸等井下灾害之后仍能报告井下矿工的位置和安全状况;并开发了一个名叫Numbat的遥控无人驾驶急救车,用于爆炸之后对伤员进行紧急抢救。

随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策和3DGM的应用,国际上一些大型露天矿山(包括我国的平朔、霍林河矿区)已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划,并与采场设备相联系,形成动态管理与遥控指挥系统。此外,专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、GPS技术、并行计算技术、射频识别技术以及面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在智能矿山地质勘探调查与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与控制、矿山灾害遥感预报等研究领域得到应用[4]。

2.2  数字矿山原型:遥控采矿 

国际著名矿山企业——加拿大国际镍公司(Inco)从20世纪90年代初开始研究遥控采矿技术,目标是实现整个采矿过程的遥控操作。Inco公司给遥控采矿下的定义是[5]:“利用目前最先进的技术,包括地下通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统,去操纵采矿设备与采矿系统。”遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破、自动装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等,其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统(要求达到mm级)。

现在,Inco公司已研制出样机系统,并在加拿大安太略省的萨德泊里盆地的几家地下镍矿试用。实现了从地面对地下矿山进行控制,甚至可以从400Km以外的首都多伦多对地下镍矿的采、掘、运活动进行远距离控制。遥控采矿的核心部件是Inco公司开发的一个能在地下获取定位数据的名叫HORTA的装置。将该装置安装在地下观测车上,当观测车在地下或矿体内部巷道中漫游时,HORTA就会利用其激光陀螺仪和激光扫描仪在水平和垂直面上扫描矿山巷道的断面,进而产生巷道的三维结构图。Inco公司还计划将HORTA完善后,将其安装在钻机上。届时,安装了HORTA装置的钻机将自动驶往目标巷道,自动完成开凿作业,然后再自动驶往下一巷道。

目前,Inco公司在Stobie矿和Greighton矿分别有6台和8台遥控采矿设备投入运行[5]。1999年6月,Inco公司在地面的一幢大楼内设立了一个中央控制站,对该公司所属的多个矿山、多个矿体的开采活动进行集中自动控制。由此,地下矿山的采、掘、运均实现了无人作业,即无人采矿(hands-off mining),仅当设备出现故障时,维修人员才会到达采掘现场。

基于遥控采矿的技术特点,设想未来的数字矿山的原形系统如图1所示:

远距离高速通讯网络
 
地面控制中心(OA+ MGIS)
 
无人采矿设备
 
井上/下自动定位与导航
 
采矿模拟与分析系统
 
数据采集与快速更新系统
 
决策与仿真控制系统
 
工况动态监测与实时反馈
 

 

             图1  数字矿山原型

2.3  中国矿山面临的挑战

建国以来,中国矿业经过半个世纪的快速发展,已建成国有矿山近万座,集体矿山和其他非国有矿山20多万座,年开采矿石量超过50亿t,从业人员2100万,带动了300座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城市的兴起(其中煤炭城市54座)。乡及乡以上的矿产采选业产值占GDP的6.27%(1997年);全国固体矿产产值占世界产值的16.5%(1996年),居世界第二位,能源矿产产值占世界的9.1%(1996年),居世界第三位。中国已由一个矿业弱国跃入世界矿业大国的行列[6]。

但近5年来,中国矿业与矿业城市遇到了空前的生存与发展困境,如矿竭城衰、减产限产、低位运行、大量失业等。原因主要是[6]:1)矿业投入不足,后备储量缺乏,技术装备普遍落后于国外15~20年;2)矿产资源利用水平不高,全国矿产资源总回收率为30~50%,比发达国家低10~20%;3)矿业开发过程中生态环境问题日趋突出,采选所造成的环境污染严重,来自环境的压力与日俱增。此外,来自国际市场的高产、高效、高质量、低成本的矿产品的竞争,以及来自非法掠夺式开采和国内市场的非正当竞争,也是一个不可忽视的重要方面。国家“十五信息化发展规划”中明确指出要利用信息技术改造和提升传统产业,中国矿山作为一类典型的传统采矿业,已经或正在面临信息技术的挑战和洗礼。

近年,中国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展,但总体状况仍然很不乐观。中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软”领域,与发达采矿国家的差距越来越大。中国矿山既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和综合利用,更没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施(Mine Infrastructure)。分析认为:我国矿山企业信息化建设的“无路无车”、“有路无车”或“车货不一”情况[7]的出现,是因为中国矿山的决策者、管理者和工程技术人员,在矿山信息化建设方面存在因循守旧、短期效益、重硬轻软和事不关己4种情结[8]。这4种不良情结影响甚至限制了矿山信息化建设的健康发展。

3 数字矿山的基本特征

基于DM的定义[7,9],分析认为,DM应具有以下六大特征:以高速企业网为“路网”、以采矿CAD(MCAD)、虚拟现实(VR)、仿真(CS)、科学计算(SC)与可视化(VS)为“车辆”、以矿业数据和矿业应用模型为“货物”、以真三维地学模拟(3DGM)和数据挖掘为“包装”、以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障” 和以矿山GIS(MGIS)为“调度”。DM的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率,以至无人采矿和遥控采矿。

1) 以高速企业网为“路网”

DM的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础,逐渐建立宽带、高速和双向的通讯网络,确保海量矿山数据在企业内部、省内与省际矿业网络[1]快速传递。同时,还必须与NII(National Information Infrastructure)与DC建设相协调,以利于矿山产品、经营等社会化信息在Internet上的快速传递,便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。因此,高速企业网技术是关键之一。

2)以MCAD、VM、MS、SC、AI与SV为“车辆”

为满足不断扩展的矿山需求,必须开发适合不同用户层次、具有不同功能的矿山应用系统和软件模块,即需要制造多品种、多型号的“车辆”:如采矿CAD、采矿仿真技术、各类科学计算工具(如有限元、离散元、边界元和有限差分模型等)和3D可视化工具等。随计算机性能的不断提高和并行计算技术的采用,矿山业主和技术人员不仅可以对采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与虚拟分析,而且可对矿工进行虚拟岗前培训,提高矿工的安全意识、防灾减灾能力和作业工作效率。

3)      以矿业数据和应用模型为“货物”

DM的核心是数据仓库。DM数据仓库由两部分组成,就象人的左右心室:一侧为数据仓库,管理海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息;另一侧为模型仓库,管理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型,如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、瓦斯聚集模型、涌水计算等。数据仓库所管理的海量数据与模型仓库所管理的矿业模型,就是可以被各类“车辆”在DM“路网”上运输的数字“货物”。

4)以3DGM和数据挖掘为“包装”

为满足不同用户和不同目的的需要,必须对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型进行相应“包装”处理,即进行数据与模型的过滤和重组。三维地学模拟(3DGM)是DM的技术核心之一。它是基于钻孔资料、地震资料、开挖设计数据及各类物探、化探资料,来建立矿山井田、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3D模型。在此基础上进行矿床地质条件评估、地质构造预测、精细地学参量半定量分析、深部成矿定位预测、矿产资储量管理、经济可采性评估、开拓设计、支护设计和风险评估等,从而辅助矿山决策,确保矿山工程的科学、可靠与安全。

数据挖掘是利用基于知识的工程(KBE)技术和人工智能,从DM中的海量矿山数据中为用户挖掘有用数据、获取决策信息,以及建立求解各类具体工程、生产、管理与经营等问题的应用模型,是DM的实用化工具。只有当DM能够方便、快速地从其数据仓库中提取用户所需的显式数据与模型,智能、快速地从其数据仓库中重新组织并产生用户所需的隐式数据与模型的能力时,DM的海量矿山信息才能被未经过特别培训的用户和各业务部门所共享。

5)      以多源异质矿业数据采集与更新为“保障”

DM必须以测量(遥感RS、全球定位系统GPS、数字摄影测量DP、常规地面测量NS和井下测量US等)、勘探(钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等)、传感(指各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备/仪器采集系统,如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动监测、机械信号与故障传感、工业电视等)和文档录入(法规、法令、文件、档案、统计数据等)为综合手段,来建立精确、动态和全面的矿山综合信息采集与数据更新系统。只有实现了矿业综合数据的动态采集与快速更新,才能为动态时效的3DGM与MGIS提供数据粮食,为遥控采矿或无人采矿提供信息保障。此外,还要在3DGM的基础上,基于统一的时空参照、元数据和编码,根据需要将上述多源异质数据进行有选择的融合和分类,形成无缝无斥的数据组织。

5)     以MGIS为“调度”

DM是以MGIS作为矿山整体信息与办公决策的公共载体和总“调度”。在统一的时空间参照下进行采矿动态组织与管理,并调度和控制各类“车辆”与设备的使用和运行、“货物”的制造、管理与包装等系统功能。面向21世纪DM的MGIS系统应该是一个能为采矿业提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化、分析与决策支持的复杂巨系统。它允许在2D或3D TIN表面上叠加影像、图片、测量数据、地震资料、纹理及其它数据。它应具有3DGM整合、3D空间网络分析、多目标决策分析、飞行模拟等基本功能,并实现以下应用功能:辅助勘探、交互式采矿设计与规划、实时开采模拟、作业安排与监测、资源动态管理、地质统计、地下水模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、支持复垦规划、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等。

4  数字矿山的基本框架

基于系统理论的层次结构和以矿山地理信息系统(MGIS)为核心的4层客户机/服务器(C/S)网络模式,设计了DM的基本组成和网络架构。

4.1   DM的基本组成

DM应是一个层次结构。如图2所示,按数据流和功能流,由外向里分别为采集系统、调度系统、功能系统、包装系统、核心系统共5部分。

1) 采集系统:负责数据采集与处理,包括测量、勘探、传感和文档4类基础数据采集子系统;

2) 调度系统:指MGIS,负责提供拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出等GIS基本功能,并进行数据访问控制、开放接口和生产调度与指挥管理; 3) 功能系统:负责提供各类专业模拟与分析功能,包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV等;

4)包装系统:负责提供3D空间建模工具和多源异质矿山数据的空间融合环境和数据过滤、组合与封装机制,包括3DGM和数据挖掘工具;   

5)核心系统:负责统一管理数据和模型,由时空数据仓库和应用模型库两个子系统组成。

4.2  DM的网络架构

DM系统在矿山企业中的业务化运作是基于企业的宽带、高速网络来实现的。为此,在文献[10]的基础上,改进设计了一种采用4层C/S的网络模式。系统的数据组织以对象-关系型数据库为核心,负责对多源异质信息和矿业应用模型进行管理和维护。系统的C/S结构与网络化数据流如图3所示。服务器端由GIS服务器、功能服务器和数据与模型服务器3层组成。客户机、GIS服务器、功能服务器和分布式数据与模型服务器分别对应处理GUI用户界面、GIS应用程序逻辑、矿业功能模块调用逻辑、数据存储与矿业模型访问逻辑等任务。


 


5        DM的关键技术

基于DM的定义、内涵、特征与基本框架分析,作者认为实施DM战略,必须需要围绕以下九项关键技术进行研究和攻关:

1)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等;

2)矿山数据挖掘技术:由于矿山空间信息的上述特点,为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息、发掘隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测等,必须研究一种高效、智能、透明、符合矿山思维、基于专家知识的数据挖掘技术;

3)真3DGM与可视化技术:只有集钻孔、物探、测量、传感等数据于一体进行真3D地学模拟,并实现动态数据维护(局部快速更新、细化、修改、补充等),才能对地层环境、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的3D可视化再现、模拟与分析;

4)矿山3D拓扑技术:矿山信息的拓扑查询、分析与应用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测等,均以矿山3D实体的属性、几何与拓扑数据的统一组织为基础,因此,必须立足矿山3D数据的矢栅集成,解决矿山3D拓扑描述、表达、组织与维护这一技术难题;

     5)应用软件与相关模型:矿山信息的分析与应用,矿山生产的评估与监控,矿山工程的模拟与决策等,均以各类应用软件与相关模型为工具,必须研制为满足不同需求、提供不同服务的多品种、多型号、多功能、组件式“车辆”;

     6)地下快速定位与自动导航技术:基于GPS的地面快速定位与自动导航问题已基本解决,而在卫星信号不能到达的地下矿井,除传统的陀螺定向与初露端倪的影像匹配之外,尚没有满足矿山工程精度与作业速度要求的地下快速定位与自动导航的理论、技术与仪器;

     7)井下多媒体通讯与无线传输技术:在矿井通信方面,除宽带网络之外,如何快速、准确、完整、清晰、实时地采集与传输矿山井下各类环境指标、设备工况、人员信息、作业参数与调度指令,并以多媒体的形式进行地面-井下双向、无线传输,是有待研究解决的关键技术;

     8)智能采矿机器人“班组”技术:在矿山自动化方面,要突破过去关于采矿机器人的个体“人”的概念,要从整体采矿设备整体与全作业流程的自动控制、协调、适应、保护、调整、修复甚至再生的角度,去理解、研究和设计新一代智能化采矿机器人“班组”;

     9)矿山GIS、OA、CDS三位一体技术:为实现全矿山、全过程、全周期的数字化管理、作业、指挥与调度,必须基于矿山GIS对矿山信息的统一管理与可视化表达,无缝集成自动化办公(OA)和指挥调度系统(CDS),真正做到数据融合、流程匹配与组织协调。

6        结语

中国矿业要走出困境,面向21世纪寻求可持续发展,必须走DM之路。通过信息化改造和DM技术的推行,使传统的采矿业在采矿工艺、生产管理、组织结构、工程决策等方面有大的调整。只有这样,才能在未来5~10年内,力争实现矿业科技与矿业生产工艺的跨越式发展。同时,必须清醒的认识到,矿山信息化改造与DM建设是一项复杂、系统而艰巨的工作,有人的因素,也有技术的因素和资金的制约,必须在资金与人才方面兼顾,有计划、有步骤地稳步推进。

 

参考文献:

1      吴立新等. 试论发展我国矿业地理信息系统的若干问题[J]. 矿山测量, 1998(4):48~51.

2      吴立新等. 矿山GIS(TT-MGIS2000)简介及其关键技术[J]. 矿山测量,2001(1):5~8.

3         吴立新等.三维地学模拟与虚拟矿山系统.测绘学报,2002,31(1):28-33

4         M. Kelly, Developing coal mining technology for the 21st century, Proc. Mining Sci. and Tech., Beijing, 1999, Balkema: 3~7

5         S A Shuey. Mining technology for the 21st century: Inco digs deep in Sudbury[J]. E& M J_China,1999(2):7~11.

6         朱训,世纪之交的中国矿业,《第六届全国采矿学术会议论文集》,中国矿业专集(1999):3~6

7         吴立新等. 论21世纪的矿山——数字矿山[J]. 煤炭学报,2000, 25(4):337~342.

8         吴立新等. 数字矿山构想与关键技术, 首届中国矿山联合会年会特邀报告, 2001, 厦门

9         吴立新. 数字地球、数字中国与数字矿区[J]. 矿山测量,2000(1):6~9.

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