張紹周，蘇之品，陳玉明

(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 安寧 650300；2.昆明理工大學(xué)，昆明 650093)

近年來，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)先后發(fā)布了《有色金屬行業(yè)智能工廠(礦山)建設(shè)指南(試行)》和《煤礦智能化建設(shè)指南(2021年版)》等重要文件，明確了有色金屬礦山和煤礦智能化分類分級(jí)建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)路徑，可見建設(shè)智慧礦山已經(jīng)成為我國(guó)礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路[1-4]。

現(xiàn)如今建設(shè)智慧礦山得到空前的重視，礦山智能化裝備加快迭代升級(jí)為智慧礦山建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐，同時(shí)安全生產(chǎn)倒逼礦業(yè)企業(yè)開展智慧礦山建設(shè)，國(guó)家監(jiān)管監(jiān)察體制不斷完善也為智慧礦山建設(shè)提供重要的制度保障。目前我國(guó)礦業(yè)企業(yè)在建設(shè)智慧礦山過程中投入了大量管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備、傳感設(shè)備、智能交互設(shè)備，已具備了初級(jí)的多系統(tǒng)數(shù)字礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，但由于整合子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)尚未打通，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型對(duì)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)聯(lián)，故存在以下諸多問題[5-9]：

1)子系統(tǒng)眾多，沒有統(tǒng)一的入口，使用不便，缺乏整合成統(tǒng)一的口徑；

2)數(shù)據(jù)資源無法實(shí)現(xiàn)共享，大多數(shù)數(shù)據(jù)以信息孤島的形式存在；

3)缺少數(shù)據(jù)集成及深度分析挖掘；

4)融合聯(lián)動(dòng)智能分析不足；

5)建的多，見的少，無法對(duì)外展示。

基于上述存在的問題，本課題組針對(duì)礦山不同系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過智能運(yùn)維設(shè)備各類數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與虛擬場(chǎng)景融合，將檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、智能設(shè)備數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)統(tǒng)一三維呈現(xiàn)，研發(fā)了礦山三維可視化管理系統(tǒng)，以達(dá)到輔助礦山管理者制定運(yùn)維決策、提高運(yùn)維效率、感知計(jì)量運(yùn)維態(tài)勢(shì)的目的[10-11]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

以三維可視化礦山管理系統(tǒng)為門戶入口，依托礦山現(xiàn)有的智能感知與監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)運(yùn)行綜合管控系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，打造智慧礦山指揮管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)、礦井、廠站的一張圖管理，整個(gè)可視化平臺(tái)主要分為智慧礦山子系統(tǒng)、數(shù)字礦井子系統(tǒng)和廠站管理系統(tǒng)(圖1～3)。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1 System architecture

主視覺場(chǎng)景為三維還原的礦區(qū)，場(chǎng)景支持旋轉(zhuǎn)縮放漫游?；诘乩砦恢眯畔?，在三維空間中實(shí)時(shí)還原各類場(chǎng)景站點(diǎn)，并集成加載對(duì)應(yīng)各區(qū)的安全風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)情況及相關(guān)數(shù)據(jù)，如礦區(qū)當(dāng)日產(chǎn)量、月累計(jì)產(chǎn)量、產(chǎn)量任務(wù)年完成率、當(dāng)前礦山存儲(chǔ)量、礦山銷售量、礦山銷售金額、銷售任務(wù)年完成率、當(dāng)日應(yīng)下井人員數(shù)量、實(shí)際下井人員數(shù)量、各區(qū)設(shè)備運(yùn)行情況、各區(qū)能耗指標(biāo)等。當(dāng)有物聯(lián)設(shè)備故障告警出現(xiàn)時(shí)，場(chǎng)景中自動(dòng)對(duì)報(bào)警位置、報(bào)警級(jí)別、故障等進(jìn)行標(biāo)注，點(diǎn)擊設(shè)備報(bào)警點(diǎn)可彈出運(yùn)行狀態(tài)、告警類型、維修方案等信息。根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的相關(guān)效能數(shù)據(jù)進(jìn)行交互呈現(xiàn)，包括產(chǎn)量、產(chǎn)值、人員、資產(chǎn)、利潤(rùn)等，便于全產(chǎn)業(yè)觀察效能數(shù)據(jù)和配套保障數(shù)據(jù)，直觀理解產(chǎn)業(yè)運(yùn)行效能和安全性。例如礦廠配套變電站，可標(biāo)注電壓、功率、設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)，關(guān)注電力設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，確保礦山安全生產(chǎn)、設(shè)備使用穩(wěn)定。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.2 System business architecture

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.3 System technical architecture

2 系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)現(xiàn)

研發(fā)智慧礦山三維可視化管理系統(tǒng)，是利用圖形模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、計(jì)算、融合等功能，最終能夠控制各個(gè)環(huán)節(jié)從而優(yōu)化決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)視圖、業(yè)務(wù)概覽、設(shè)備資產(chǎn)、安全生產(chǎn)、采網(wǎng)分布等信息的全過程監(jiān)控與管理。從功能開發(fā)層面來看，整個(gè)系統(tǒng)共分為三維場(chǎng)景的構(gòu)建、交互數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)、資產(chǎn)設(shè)施的標(biāo)注、智能設(shè)備的連接等方面，完成地下世界到數(shù)字世界的鏡像。

2.1 數(shù)字礦井子系統(tǒng)

礦井層級(jí)，通過地理位置信息，對(duì)整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行三維還原，構(gòu)建了地上的廠房、辦公、站臺(tái)、濃縮池、變電站等站點(diǎn)設(shè)施，以及對(duì)地下的地質(zhì)、采區(qū)、礦道等場(chǎng)景還原。并對(duì)接已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過三維空間結(jié)合二維數(shù)據(jù)的方式，詳細(xì)呈現(xiàn)人員、開采、設(shè)備、物資、安全生產(chǎn)等各類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 數(shù)字礦井子系統(tǒng)Fig.4 Digital mine subsystem

2.1.1 地質(zhì)地礦

整理礦區(qū)地理信息大數(shù)據(jù)，從大量的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)或測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中構(gòu)造出等值面、等值線，顯示出礦區(qū)范圍及礦體走向，并用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其相互關(guān)系。從而使地質(zhì)勘探作業(yè)人員可對(duì)原始數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確判斷與決策，得出礦體是否存在、位置及儲(chǔ)量大小等重要信息。通過鉆孔、探槽數(shù)據(jù)建立完善的礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)如礦床、巖層、斷層、破碎帶、采空區(qū)等對(duì)象的三維場(chǎng)景還原，在生產(chǎn)過程中動(dòng)態(tài)更新地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，并對(duì)地質(zhì)儲(chǔ)量、損失貧化、三級(jí)礦量等進(jìn)行管理。在系統(tǒng)中還原地質(zhì)層結(jié)構(gòu)，包括地表層、礦層等，以三維的形式全局展示礦區(qū)礦產(chǎn)的分布情況。

2.1.2 安全生產(chǎn)

通過對(duì)接礦山現(xiàn)有的數(shù)字化系統(tǒng)，包括人員進(jìn)出、井下定位、安全逃生、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的點(diǎn)擊交互和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，主要解決三大問題：

1)人、物、環(huán)境的不安全：對(duì)接環(huán)境、視頻、設(shè)備、車輛、門禁等物聯(lián)感知設(shè)施，監(jiān)測(cè)例如行車不行人、操作工離崗、掛載礦車超載、壓道岔、擋車設(shè)施復(fù)位、水倉(cāng)積水等問題。

2)生產(chǎn)運(yùn)行的安全：對(duì)接自動(dòng)化管控平臺(tái)，監(jiān)測(cè)例如排水、通風(fēng)、運(yùn)輸、故障、巡檢、定位等問題。

3)應(yīng)急管理：對(duì)接應(yīng)急管理系統(tǒng)，直觀顯示例如區(qū)域排班、值班、交接班、應(yīng)急隊(duì)伍、物資、預(yù)案等信息。

2.1.3 實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)

運(yùn)輸設(shè)備監(jiān)測(cè)：將運(yùn)輸膠帶設(shè)備、提升設(shè)備與礦井場(chǎng)景相結(jié)合，實(shí)時(shí)了解當(dāng)前運(yùn)輸設(shè)備及提升設(shè)備運(yùn)行情況、機(jī)電電流/電壓監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警點(diǎn)分布。在系統(tǒng)中通過點(diǎn)擊故障點(diǎn)可彈出相應(yīng)故障點(diǎn)的故障情況及分析、智能推薦運(yùn)維方案、推薦運(yùn)維人員、預(yù)計(jì)恢復(fù)時(shí)間、知識(shí)庫引用情況等，統(tǒng)一呈現(xiàn)故障告警預(yù)警與維護(hù)方案，降低判斷時(shí)間成本、提高運(yùn)維效率。

人員監(jiān)測(cè)：通過已建各類系統(tǒng)中獲取人員進(jìn)出井記錄、人員井下定位、井下活動(dòng)軌跡、地壓監(jiān)測(cè)、井下環(huán)境監(jiān)測(cè)等不同的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)下井人員的位置分布，將人員位置信息與礦井場(chǎng)景結(jié)合，實(shí)時(shí)查看當(dāng)前各區(qū)域人員數(shù)量及分布、井下人員位置、特定人員的活動(dòng)軌跡、禁區(qū)及下井超長(zhǎng)報(bào)警點(diǎn)等。在系統(tǒng)中通過點(diǎn)擊禁區(qū)及下井超長(zhǎng)報(bào)警點(diǎn)可彈出禁區(qū)具體位置、禁區(qū)闖入人員設(shè)備編號(hào)、下井時(shí)間超長(zhǎng)人員設(shè)備編號(hào)、下井時(shí)間、當(dāng)前位置，統(tǒng)一呈現(xiàn)人員定位信息及報(bào)警信息，確保人員安全、提高反應(yīng)效率。

排水監(jiān)測(cè)：呈現(xiàn)主排水泵、水位線傳感器分布，將各設(shè)備的位置分布與井下場(chǎng)景結(jié)合，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)礦井當(dāng)前水位線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、主排水泵排水?dāng)?shù)據(jù)、排水設(shè)備工作狀態(tài)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)情況、設(shè)備超限報(bào)警及故障點(diǎn)分布。在系統(tǒng)中點(diǎn)擊超限報(bào)警及故障點(diǎn)時(shí)，可彈出相應(yīng)超限報(bào)警及故障點(diǎn)的報(bào)警故障信息、嚴(yán)重級(jí)別、解決方案等，統(tǒng)一呈現(xiàn)當(dāng)前排水設(shè)備運(yùn)行信息、報(bào)警信息，降低判斷時(shí)間成本、提高運(yùn)維效率。

2.2 廠站管理子系統(tǒng)

通過三維還原技術(shù)，展現(xiàn)地面設(shè)施全貌，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)礦區(qū)廠站的人員、車輛下井信息、各類設(shè)施效能、重要建筑屬性等。對(duì)接廠站地面的安防系統(tǒng)，如門禁、視頻監(jiān)控等設(shè)施，對(duì)地面全場(chǎng)景視頻監(jiān)控，形成人臉識(shí)別、行為識(shí)別、現(xiàn)象識(shí)別、車牌識(shí)別等多種AI應(yīng)用的可視化管理，拓展廠站安全一張圖管理模式。

利用礦區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)，還原包括地面建筑、避災(zāi)路線、重要設(shè)備、危險(xiǎn)禁區(qū)等在內(nèi)的三維場(chǎng)景。通過全局標(biāo)識(shí)，一方面可以對(duì)外展示廠站的精細(xì)化管理及安全防范建設(shè)成果，另一方面可用于應(yīng)急或逃生預(yù)案的講演培訓(xùn)，強(qiáng)化礦區(qū)作業(yè)人員安全意識(shí)?？山尤霃S站監(jiān)控視頻，在三維空間中更準(zhǔn)確地查看各監(jiān)控畫面。

在礦區(qū)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)之上，對(duì)接廠站地面的物聯(lián)設(shè)施系統(tǒng)，完成廠站的產(chǎn)能數(shù)據(jù)、人車信息、設(shè)備工況、環(huán)境參數(shù)在統(tǒng)一的平臺(tái)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)“人、機(jī)、環(huán)、管”信息的集成管理和綜合監(jiān)控，便于決策與統(tǒng)一指揮調(diào)度(圖5)。

圖5 廠站管理子系統(tǒng)Fig.5 Plant and station management subsystem

3 關(guān)鍵技術(shù)

1)對(duì)現(xiàn)有大數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化以利于數(shù)據(jù)信息融合

利用系統(tǒng)對(duì)礦山安全、生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)進(jìn)行接口的標(biāo)準(zhǔn)化整合，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，從而達(dá)到真正的數(shù)據(jù)集成并在同一界面上進(jìn)行統(tǒng)一呈現(xiàn)。同時(shí)對(duì)礦山原有零散的數(shù)據(jù)來源進(jìn)行了采集、屬性分類、接入集成的工作，根據(jù)接入數(shù)據(jù)及其屬性的建立，進(jìn)行實(shí)時(shí)且直觀的可視化交互呈現(xiàn)(圖6)。并將傳統(tǒng)過程中單向被動(dòng)獲取信息的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向互動(dòng)的方式。如圖紙類：礦區(qū)整體范圍標(biāo)注圖、礦區(qū)各區(qū)域分布圖、礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、礦區(qū)巖層分布圖、各類監(jiān)測(cè)設(shè)備分布圖、采礦設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備CAD圖紙等；接口類：各類監(jiān)測(cè)設(shè)備接口說明文檔、需接入系統(tǒng)的接口說明文檔等。

圖6 數(shù)據(jù)處理路徑Fig.6 Data processing path

2)數(shù)據(jù)的整理與提煉，進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試

對(duì)數(shù)據(jù)的使用目的進(jìn)行整理和提煉，并根據(jù)數(shù)據(jù)具體特性，利用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的用途和場(chǎng)景進(jìn)行深度的結(jié)合，通過高效集成實(shí)時(shí)渲染功能，融入大數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)方案形成標(biāo)準(zhǔn)可復(fù)制化結(jié)果，使目標(biāo)數(shù)據(jù)更加便捷地部署到系統(tǒng)的其它分支機(jī)構(gòu)。同時(shí)通過系統(tǒng)的獨(dú)有特性，在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和不同的設(shè)備平臺(tái)上可以任意部署和安裝。

3)整合云數(shù)據(jù)構(gòu)建統(tǒng)一的管控平臺(tái)

通過系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的高度整合管理，礦山管理者可在統(tǒng)一工作平臺(tái)、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中協(xié)同工作、資源共享、確保數(shù)據(jù)安全，為礦山安全生產(chǎn)管理提供輔助決策支持。礦山技術(shù)人員能夠同時(shí)在線處理各類圖件及數(shù)據(jù)信息，提升各專業(yè)崗位工作的配合度，極大地提高工作效率。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例及成果

某礦山為我國(guó)特大型地下金屬礦山，礦產(chǎn)量超過1 000萬t/a，開采深度超過1 000 m，多年來隨著礦山裝備自動(dòng)化、智能化，礦山管理信息化、數(shù)字化的不斷發(fā)展，為智慧礦山建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。但存在著系統(tǒng)眾多、數(shù)據(jù)信息孤島等問題，根據(jù)礦山安全生產(chǎn)的需要，課題組開發(fā)了智慧礦山三維可視化管理系統(tǒng)，并成功應(yīng)用到該礦山。實(shí)現(xiàn)了在同一系統(tǒng)中對(duì)礦區(qū)、礦井、廠站的三維可視化管理，使地質(zhì)、采礦、選礦、管道運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)鏈上各環(huán)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互呈現(xiàn)，有利于礦山在生產(chǎn)過程中對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析與監(jiān)控、對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和人員的智能化管控、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)高精度預(yù)警，最終能夠及時(shí)做出決策解決現(xiàn)場(chǎng)問題。在本系統(tǒng)應(yīng)用到該礦山后，提高了礦山的生產(chǎn)效率，節(jié)省了成本(設(shè)備檢測(cè)維護(hù)、安全監(jiān)管、用工等費(fèi)用)，直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約2 000萬元/a。該礦山成為地方國(guó)有企業(yè)智慧礦山建設(shè)的示范礦山，提高了該省智慧礦山建設(shè)的整體水平，產(chǎn)生了較好的社會(huì)效益。

5 結(jié)論

基于三維還原技術(shù)，利用各種技術(shù)手段對(duì)礦山大數(shù)據(jù)(傳感器數(shù)據(jù)、移動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù))進(jìn)行采集、分析、計(jì)算、輸入、呈現(xiàn)，最終研發(fā)成智慧礦山三維可視化礦山管理系統(tǒng)。通過這套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形可視化、場(chǎng)景化以及實(shí)時(shí)交互，讓礦山管理者更加方便地進(jìn)行礦區(qū)及礦井管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警快速響應(yīng)，從而更加直觀地指揮礦山安全生產(chǎn)管理，提升管理水平和工作效率。