数字矿山的发展历史、内涵和关键技术

数字矿山的现状与发展

***** **** *** 引言

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。信息技术迅速发展，给采矿业带来了巨大的冲击。科技进步、矿产资源消费的急剧增长和开采加工难度的日益增大，促使采矿逐渐走向数字化和智能化。早在1998年, 美国前副总统戈尔就提出了数字地球(Digital Earth)的概念，之后1999年召开的首届国际数字地球大会上又提出了数字矿山(Digital Mine)的概念。数字矿山作为信息时代的必然产物, 在矿业中发挥出越来越大的作用, 是矿业发展的目标和方向。

自1999年首届国际数字地球大会上提出了数字矿山(Digital Mine简称DM)概念以来，DM的思想已开始深入人心，DM科学研究与技术攻关已悄然兴起。2001年“国际APCOM”会议上组织了首次“国际DM”主题讨论；2004年4月中国科协青年科学家论坛第86次活动以“数字矿山战略与未来发展”为主题。2006年, 煤炭工业技术委员会和煤矿信息与自动化专业委员会在新疆乌鲁木齐召开了数字化矿山技术研讨会，提出了建设安全、高效、绿色、和谐的新型现代化矿井的目标。由于矿山是一个以资源为开发对象的离散生产系统，因此，数字矿山既不是“数字地球”概念的简单延伸，也不是制造型企业用得非常普遍的企业资源计划（ERP，Enterprise Resource Planning）概念的简单复制，而是一个包含二者部分特性的新概念。

我国是一个发展中国家，工业化任务尚未完成，对矿业而言，目前尚处于机械化矿山的初级阶段。随着经济全球化以及中国加入WTO，矿产资源的不可再生性以及各国对资源占有的战略性思维，使其迅速成为经济全球化竞争的首要领域。中国矿山企业在获得良好发展机遇的同时，也面临着不可避免的、全面而残酷的竞争。与其他行业一样，国内矿业为了能够抓住机遇，并在激烈竞争中获得生机，必须改变传统的经营管理观念、经营管理方式，积极应用先进适用的信息技术等来改造提升我国的传统矿业的装备、工艺与方法、经营管理方式和手段，使企业决策、生产、经营、管理效率和水平得以较大增长，提高企业的经济效益，实现我国矿业的跨越式发展，从而增强矿业企业的创新能力和国际竞争力，这是建立“数字矿山”的原因和目标。

一、数字矿山的内涵

“数字化矿山”(Digital Mine)或简称为“数字矿山”，是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是一个“硅质矿山”，是数字矿区和数字

矿山的一个重要组成部分。核心是在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织各类矿山信息，将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合。它们利用电子技术与机械技术的结合把工业机器人用于生产,使机械化转向自动化,从而大大提高了生产率,降低了成本,增加了竞争能力。数字矿山的任务是在矿业信息数据仓库的基础上，充分利用现代高科技技术，建立在数字化、信息化、虚拟化、智能化、集成化基础上的，由计算机网络管理的管控一体化系统，综合考虑各种因素，协调并优化企业结构，提高整体效益、市场竞争力和适应能力，最终实现矿山的综合自动化。

著名的矿山工程设计专家、中国工程院院士于润沧认为：根据矿业发达国家对矿山信息化建设的不同战略设想和不同学者对数字矿山概念的表达，对数字矿山的概念可以表述为由初级到高级的三个层次: 矿山数字化信息系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿。

东北大学吴立新教授采用“五化”来描述数字矿山的发展目标, 即数字化的集成管理和共享利用各类矿山数据与信息资源，可视化的三维模拟和虚拟再现矿山地质采矿环境、过程及其相关现象，仿真化地模拟分析矿山采掘活动、采动影响与灾变过程，智能化地分析提取采动影响规律及环境与工艺参数，自动化地预警矿山灾害和启动安全预案。

二、数字矿山的目标

我国矿业行业目前仍然处于机械化的初级阶段，与国外矿业相比无论在技术、装备、管理模式、思想观念等方面均具有非常大的差距。作为国民经济的基础产业，国内矿业在经济全球化的现实条件下，为在激烈的全球竞争环境中立于不败之地、获取经济效益和市场竞争力，利用信息技术改造传统矿业，引进和应用先进的网络技术、通讯技术、计算机软硬件技术、自动控制技术及装备等建立起一个数字化的矿山系统，显得更为必要和紧迫。

数字矿山的建设是一个庞大的系统工程，其长期目标是：实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。结合当今世界科技的发展水平及我国矿山现阶段的技术装备与管理水平，在我国数字矿山的建设还要经历一个漫长的过程，因此，总体规划分步实施是我国数字矿山建设的必经之路，就目前而言，我国数字矿山建设的具体目标:

1)采用成熟的计算机软件系统，实现从矿山资源、开采方案优化、设计、

生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化；

2)建立以光纤、泄漏电缆或无线通讯为主体的多媒体通讯网络，形成语音、

视频与数据同网传输的网络体系，实现矿山数据的分布式共享；

3)采用先进传感器网络技术，实现矿山生产过程、设备、安全与开采环境

监控等数据的自动采集、智能分析与可视化处理；

4)采用工业以太网、PLC智能控制及视频监视系统，实现对矿井提升、运输、

通风、排水等系统及设备的智能化集中监控；

5)采用先进的生产管理系统，实现矿山生产人员与移动设备的定位、跟踪

及生产过程智能化调度与控制，全面提升矿山的生产管理与决策的科学

性。

三、数字矿山建设的框架即内容

1.数字矿山基本框架

数字矿山作为一个复杂巨系统，具有同心圆型的层次结构特点。按数据流和功能流进行剖分，数字矿山结构由外向里依次为采集系统、调度系统、应用系统、过滤系统、核心系统共5部分。其基本组成如下图1所示。

图1 数字矿山的基本组成

3.1.1采集系统负责数据的采集、处理与更新，包括测量、勘探、传感

和文档（含设计数据）4大类矿山基础数据。

3.1.2调度系统作为矿山信息化办公与决策的公共平台和各类矿山软

件集成和各类模型融合的公共载体的MGIS负责矿山地物对象的拓扑建立与维护、空间查询与分析、矿山制图与输出等GIS基本功能，并进行数据访问控制，调度和控制各类“车辆”的运行，“燃料”的采集、更新与过滤等。

3.1.3应用系统各种专业应用软件的集合，包括采矿CAD（MCAD）、虚

拟采矿（VM）、矿山模拟（MS）、工程计算（EC）、人工智能（AI）和科学可视