鄭磊

摘? ?要：智慧礦山建設(shè)是未來的發(fā)展趨勢與必然方向，而對礦車的管理以及采礦量的計量更是重中之重。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的GIS技術(shù)逐漸應(yīng)用于礦山計量管理?；谝陨媳尘?，文章重點探討了礦山計量管理系統(tǒng)的構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)，以北衙礦區(qū)為對象，設(shè)計和開發(fā)了一套基于三維GIS的礦山計量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦車和采礦量的實際監(jiān)控、自動調(diào)度以及可視化、數(shù)字化、智能化控制，為礦山企業(yè)提供一個統(tǒng)一、融合、智能、高效的礦山計量管理平臺。

關(guān)鍵詞：三維地理信息系統(tǒng);全球定位系統(tǒng);礦車;計量;物聯(lián)網(wǎng)

我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求猛增，其中礦山管理至關(guān)重要。傳統(tǒng)礦山的管理存在一礦多開、成本高、管理低效、生產(chǎn)效能低等問題。如何對礦山進行高效精細管理一直受到關(guān)注。隨著地球空間信息技術(shù)和計算機技術(shù)在采礦行業(yè)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，特別是數(shù)字礦山的提出，礦山的管理由傳統(tǒng)的“粗獷式”管理模式轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化、精細管理模式[1]。研發(fā)一套科學、高效的礦山計量管理系統(tǒng)對礦山經(jīng)濟、生產(chǎn)和安全具有很強的現(xiàn)實意義和使用價值。

在現(xiàn)代化礦山管理中，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)發(fā)揮著重要作用[2]。礦山管理通常會涉及復(fù)雜海量的數(shù)據(jù)集，包括礦山地理環(huán)境信息、礦山資源信息、管理信息、工程信息、人員信息等[3]。GIS能夠?qū)⒌V山地質(zhì)測繪中的多種信息與數(shù)據(jù)進行整合，使其形成一個整體，為礦山開發(fā)工作提供更多的理論依據(jù)。傳統(tǒng)的二維GIS空間尺度感較差，無法實現(xiàn)精確定位，也比較難用于三維場景的模擬和展示[4]。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，三維GIS已被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，且在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，相比于二維GIS，空間信息的展示更為直觀。

為了實現(xiàn)礦山采礦量信息管理的自動化和數(shù)據(jù)可視化、車輛管理與調(diào)度的自動化與實時化，同時，為了便于異地管理人員、礦上管理與操作人員瀏覽、管理礦場的運作信息，本研究以云南北衙礦山為例，研發(fā)基于三維GIS的北衙礦山計量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示所有運輸車輛的信息、獲取并顯示車輛的位置，能夠自動計算礦車的運礦量，同時可直觀地展示、查詢、統(tǒng)計、分析運礦信息，并使用二維和三維的方式直觀地展示給管理人員。

1? ? 礦山計量管理系統(tǒng)的功能設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)功能需求分析

需求分析使得用戶和開發(fā)者之間建立共識，從而確保系統(tǒng)最終能夠滿足需求[5]。結(jié)合當前礦山礦車作業(yè)的實際情況，利用現(xiàn)有的GIS技術(shù)，建設(shè)礦山計量管理系統(tǒng)，使得日常管理更加標準化、流程化、規(guī)范化，以節(jié)約成本、提高效率。

（1）礦山計量涉及礦車監(jiān)控、測量、數(shù)據(jù)處理、信息查詢等作業(yè)。傳統(tǒng)的人工計量方法精確度低、效率低、耗時高、成本高，已無法滿足當前信息社會的發(fā)展需求。礦山的計量主要包括對礦車的實時監(jiān)控、精準地獲取礦車的運輸距離和運輸?shù)V產(chǎn)量以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

（2）礦車監(jiān)控包含多種要素，如礦區(qū)三維展示、礦車實時位置展示、礦車運輸軌跡展示、礦車歷史軌跡展示。采用GIS技術(shù)集成礦山文檔對象模型（Document Object Model，DOM）影像數(shù)據(jù)和高精度數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)實現(xiàn)礦區(qū)的三維展示。利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)實現(xiàn)礦車位置的實時獲取，在此基礎(chǔ)上展示運輸距離的計算和軌跡信息。利用端口協(xié)議通信技術(shù)獲取地磅數(shù)據(jù)，進一步計算每輛礦車每趟運輸?shù)牡V產(chǎn)量。

（3）礦山計量管理的目的是利用GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實時地監(jiān)控每一輛礦車的作業(yè)情況，精確地統(tǒng)計出每一輛礦車的運輸距離，同時結(jié)合地磅數(shù)據(jù)自動化地獲取重量數(shù)據(jù)。實現(xiàn)計量管理的透明化、合理化、精確化以及自動化、數(shù)字化、可視化、智能化，以降低成本、提高效率。

1.2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于B/S的組織模式，使用Web方式開發(fā)礦山計量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)礦產(chǎn)量信息、礦山地形及礦車信息獲取、存儲、展示、分析的一體化管理。系統(tǒng)分為客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫3個層次，如圖1所示。

1.2.1? 客戶端

用戶通過瀏覽器打開系統(tǒng)登錄頁面，客戶端向服務(wù)端發(fā)出登錄請求，服務(wù)端接收到請求且驗證登錄信息通過后，可在瀏覽器展示系統(tǒng)首頁和系統(tǒng)各功能。用戶根據(jù)需要點擊不同功能菜單、操作不同頁面，進行查詢、分析、編輯等操作。

1.2.2? 服務(wù)端

服務(wù)端是整個系統(tǒng)的核心部件，客戶端的所有請求都需要服務(wù)端處理，所有數(shù)據(jù)信息只有通過服務(wù)端才能給客戶端提供展示。主要包括：（1）用戶和登錄管理。對系統(tǒng)訪問做嚴格限制，只有系統(tǒng)授權(quán)的合法用戶才能登錄系統(tǒng)進行相關(guān)操作，以保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全。（2）三維模型構(gòu)建及展示。采用Web版的GIS三維渲染引擎Cesiumjs，集成1∶2 000的礦山DOM影像數(shù)據(jù)和高精度礦山DEM數(shù)據(jù)，在動態(tài)構(gòu)建的三維空間場景中對礦山及礦車三維軌跡顯示信息的分層表現(xiàn)、空間表現(xiàn)和立體表現(xiàn)。（3）礦車實時位置獲取?；贕PS技術(shù)、礦車搭載GPRS通信協(xié)議的GPS芯片，實時發(fā)送礦車位置信息到服務(wù)端，服務(wù)端將位置信息存入數(shù)據(jù)庫，用于礦車運輸距離計算、實時位置展示及軌跡展示。（4）地磅數(shù)據(jù)采集。根據(jù)地磅的型號和傳輸指令編寫地磅數(shù)據(jù)獲取工具，結(jié)合礦車自動識別模塊，將當前地磅數(shù)據(jù)與礦車進行關(guān)聯(lián)并獲取礦車所運輸?shù)V產(chǎn)重量。（5）礦車自動識別。采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）的方法實現(xiàn)礦車號碼的自動識別。

1.2.3? 數(shù)據(jù)庫層

數(shù)據(jù)庫層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，用于存儲系統(tǒng)收集和生成的各種數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。三維信息數(shù)據(jù)庫包括高分辨率影像和高精度地形數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫采用MySQL AB公司的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL，存儲GPS定位位置坐標信息、采礦量信息、礦車信息、用戶信息等。

2? ? 礦山計量管理系統(tǒng)核心功能開發(fā)與應(yīng)用

本系統(tǒng)包含3大功能模塊：信息綜合管理模塊、礦車管理模塊、系統(tǒng)支撐模塊，系統(tǒng)具體功能如圖2所示。系統(tǒng)體現(xiàn)3大定位：（1）實時獲取并顯示運輸?shù)V車的精準信息。（2）自動化獲取運輸?shù)V車的運輸量、識別碼等信息。（3）豐富靈活的信息展示、查詢與統(tǒng)計。

2.1? 核心功能開發(fā)

2.1.1? 信息綜合管理模塊

信息綜合管理模塊包含的功能為：信息查詢展示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在礦山的日常運作過程中，會大量產(chǎn)生實時位置坐標、運輸距離、運輸重量以及礦車運行等信息，系統(tǒng)借助結(jié)構(gòu)完善的MySQL數(shù)據(jù)庫存儲這些信息。本模塊能夠提供便利的各類信息檢索查詢，并以表格、圖表的形式進行直觀展示。同時，提供靈活多樣的統(tǒng)計功能，為管理人員了解礦山的整體運作情況提供便利。

2.1.2? 礦車管理模塊

礦車管理模塊包含的功能為：（1）礦車信息維護，將礦車信息錄入系統(tǒng)以便于查詢管理。（2）礦車GPS定位，基于GPS技術(shù)獲取礦車的實時位置信息、運輸距離信息和運輸軌跡信息。（3）礦車監(jiān)控管理，在獲取GPS定位信息的基礎(chǔ)上可對礦車進行實時監(jiān)控和軌跡展示。（4）礦車自動識別和重量獲取，自動識別礦車號碼和獲取礦車通過地磅時的稱重數(shù)據(jù)，并將號碼和重量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后存入數(shù)據(jù)庫。

2.1.3? 系統(tǒng)支撐模塊

系統(tǒng)支撐模塊包含的功能為：（1）系統(tǒng)登錄，對客戶端發(fā)起的系統(tǒng)登錄請求進行合法性驗證，保證系統(tǒng)只對合法用戶提供服務(wù)。（2）用戶和權(quán)限管理，管理可登錄系統(tǒng)的用戶并給用戶分配相應(yīng)權(quán)限。（3）三維配置展示，借助高分辨率遙感影像和高精度的地形數(shù)據(jù)實現(xiàn)礦區(qū)的三維展示，以及礦車實時位置和軌跡信息的三維展示。

2.2? 核心功能應(yīng)用

2.2.1? 信息綜合查詢

系統(tǒng)首頁實時顯示所有礦車的當前運行狀態(tài)、當天采礦量信息、當月采礦量信息及總采礦量信息，如圖3所示。通過表格、圖表等多種樣式展示，為管理人員監(jiān)控礦車提供便利。

系統(tǒng)提供靈活的查詢功能，能夠查詢一段時間內(nèi)礦山的采礦量并分析其趨勢;輸入礦車編號可查詢當前時刻該礦車的位置、該礦車歷史運輸情況;可查詢一定時間段內(nèi)某輛車或者所有礦車的運輸情況和軌跡信息等。

系統(tǒng)提供豐富的統(tǒng)計功能，可以統(tǒng)計某輛礦車、所有礦車在某一時間段內(nèi)的運輸距離信息和采礦量信息，并使用直方圖、線性圖等形式進行展示，同時能夠自動制作數(shù)據(jù)報表并輸出，方便管理人員統(tǒng)計報表。

2.2.2? 礦車信息維護

通過礦車信息維護功能對礦山所有礦車信息進行管理維護，只有通過該功能錄入的礦車才是系統(tǒng)中的有效礦車。礦車信息維護頁面默認分頁顯示所有車輛信息，每頁顯示10條，點擊分頁按鈕可查看相應(yīng)頁面的礦車信息。通過頁面的添加車輛和批量添加功能，可以手動錄入和通過Excel表格導(dǎo)入的方式錄入礦車信息，包括礦車編號、空車重量、車型、司機、司機手機號、所屬車隊、GPS識別碼、SIM卡號等信息。

2.2.3? 重量獲取及礦車自動識別

在礦車運輸?shù)V產(chǎn)過磅稱重時，地磅獲得礦車的運輸重量信息;同時，通過部署監(jiān)控攝像頭，利用基于CNN實現(xiàn)的自動化信息識別技術(shù)，識別礦車編號。完成后，將獲取的運輸重量信息以及礦車編號信息傳送給服務(wù)端。服務(wù)端根據(jù)編號匹配礦車凈重，運輸重量減去礦車凈重可得本次礦車運輸?shù)牡V產(chǎn)重量，并存入數(shù)據(jù)庫。

2.2.4? 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析包括點、線、面的分析，具體指在點、線、面實體的周圍，自動建立一定寬度的多邊形。點緩沖區(qū)用于確定礦車運輸?shù)钠瘘c和終點;線緩沖區(qū)用于規(guī)劃礦車的運輸路徑;基于緩沖區(qū)結(jié)合GPS定位信息進行礦車運輸距離的計算。

2.2.5? GPS定位及三維信息展示

借助GPS定位技術(shù)在礦車上搭載GPS芯片，實現(xiàn)對運輸?shù)V車的高精度定位。GPS終端實時向服務(wù)端發(fā)送位置信息，服務(wù)器端接收到位置信息后存儲到數(shù)據(jù)庫中?；贕PS定位建設(shè)3個功能：（1）礦車的實時監(jiān)控，展示礦車的實時位置及當前工作狀態(tài)。（2）在三維場景中展示礦車的實時位置和運輸軌跡。（3）結(jié)合起點、終點緩沖區(qū)以及運輸路徑緩沖區(qū)計算礦車運輸距離。

客戶端提供三維展示界面，通過服務(wù)端查詢數(shù)據(jù)庫中礦車的位置信息，實時顯示礦車的運行位置及礦車運行軌跡，以便在階梯狀礦山中展示礦車的位置。如圖4所示，系統(tǒng)可以展示實時位置信息和歷史運輸軌跡信息。

3? ? 結(jié)語

在礦山管理智能化的趨勢下，本研究詳細討論了礦車管理及采礦計量管理系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建。本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)的Web方式，基于三維GIS，GPS等技術(shù)實現(xiàn)礦山及礦車實時位置和運輸軌跡的三維展示。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)礦車位置數(shù)據(jù)和地磅數(shù)據(jù)的實時獲取與存儲。其中，礦車號碼自動識別是基于CNN實現(xiàn)的，預(yù)先采集大量可明顯顯示礦車編號的視頻和圖片，進行數(shù)據(jù)處理與訓(xùn)練得到特征矩陣?？删_地識別每一輛經(jīng)過地磅的礦車編號，結(jié)合地磅數(shù)據(jù)得到每輛礦車每趟運輸?shù)倪\輸距離和采礦量，提供豐富智能的信息查詢統(tǒng)計功能，方便管理人員指導(dǎo)決策。

本系統(tǒng)采用多種新技術(shù)，結(jié)合礦山智能化管理的實際情況實現(xiàn)對礦車和采礦量的實時監(jiān)控以及自動化、數(shù)字化、可視化、智能化控制。本研究開發(fā)的三維礦山計量管理系統(tǒng)，根據(jù)礦山的實際開采和運輸而設(shè)計，當監(jiān)測區(qū)域發(fā)生變化時，只需要重新設(shè)計和更新數(shù)據(jù)庫表格和三維影像數(shù)據(jù)，而基本設(shè)計框架保持不變，具有較廣泛的適用性。

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Designed on a three-dimensional GIS-based mine metrological management system

Zheng Lei

（Beijing Sankuai Online Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）

Abstract：The construction of smart mines will become an inevitable trend in the future and its top priority will be the management of mining cart and the measurement of mining volume. With the rapid development of new technologies such as the Internet of Things and the Internet， GIS technology based on the Internet is gradually applied to the metrological management of mine. In this context， this article focuses on the construction and key technologies of the metrological management system of mine. Taking Beiya mining area as an object， a three-dimensional GIS-based metrological management system is designed and developed to realize the actual monitoring and automatic scheduling of mining cart and mining volume. With this system， visual， digital and intelligent control is achievable. It provides a unified， integrated， intelligent and efficient platform for mining enterprises in metrological management.

Key words：three-dimensional geographic information system; global positioning system; mining cart; metrological managemen; Internet of Things