煤矿数字化矿山系统平台建设设计

煤矿数字化矿山系统平台建设设计

【摘要】文章介绍了煤矿基于3D GIS数字化矿山系统平台的建设设计，煤矿矿井数字化矿山基础信息平台，矿井生产综合自动化安全生产监控系统技术，数字化矿山系统平台建设内容、系统功能、技术要求，数字化矿山系统建设实施基础以及数字化矿山的信息网络系统结构设计。

【关键词】煤矿；数字化矿山；3D GIS；自动化；信息网络

1.引言

数字矿山是以矿井综合自动化安全生产监控系统为原型，以矿井新型的高科技技术和网络技术为支撑，在矿山范围内建立一个以三维坐标为主线，将矿山信息构建成一个矿山信息模型和计算机数字模型，描述矿山中每一点的全部信息。按三维坐标组织，存储起来，形成海量数据和多种数据相融合的数字化、网络化、智能化和可视化的三维空间技术系统。它采用现代信息技术、数据库挖掘技术、网络技术、智能化控制技术实现信息化、数字化的虚拟矿山并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段。使有关人员都可以快速准确、充分和完整地了解及利用矿山各方面的信息。数字矿山就是一个矿山范围内的以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所获得的信息的总称，通过数字化矿山系统可以直观了解整个矿山的安全生产信息监控系统，矿山信息系统之间的联系。通过利用数据挖掘技术的专业应用信息系统有利于企业管理层做出专业的、合理的管理决策。

可以从两个层次上来理解煤矿数字矿山。一个层次是将数字矿山中的固有信息（即与空间位置直接有关的相对固定的信息，如地面地形、井下地质、开采方案、已完成井下工程等）数字化，按三维坐标组织起来一个数字矿山，全面详尽地刻画矿山及矿体；另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息（即空间位置间接有关的相对变动的信息，如储量管理、机电管理、人事管理、生产管理、技术管理等等）组成一个意义更加广泛的多维的数字矿山。

2.数字化矿山系统平台实施流程

数字化矿山系统平台建设的主要目的是建设成为具备专业决策分析功能管理分析系统，专业决策分析离不开数据，没有足够的数据支持，就无法发挥数字化矿山系统平台的最大功能。因此在数字化矿山系统平台建设之前，需要完成现场子系统的建设。如：安全监控系统、人员监测系统、皮带监控系统，井下水泵监控系统，主扇风机监控系统、地测信息管理系统、设备管理信息系统等。为数字化矿山系统平台实施打下坚实的基础，为数字化矿山系统平台做好充分的准备。然后通过矿井自动化系统平台方式将各个现场子系统的数据集成存储，形成一个庞大的数据存储中心。最后完成基于3D GIS数字化矿山平台的建设。

数字化矿山系统平台建设流程如图1所示。

3.数字化矿山系统平台系统网络架构建设

为了实现煤矿子系统数据高速性、可靠性、安全性传输，结合煤矿机电设备、控制系统分散的特点，数字化矿山网络拓扑结构采用基于TCP/IP技术的工业以太环网+现场工业总线来实现。实现将井下的各个设备信息，如：瓦斯传感器信息、一氧化碳传感器信息、皮带的开停、井下变电所电流电压等信息传输到地面，并整合集成地面各个监控系统采集的信息实现所有机电设备信息与系统数据信息共享。

根据整个矿山的层次结构分析，可将矿山的工业网络系统分为三层的系统体系架构：

（1）管理层（以太网）；

（2）控制层（冗余工业以太网）；

（3）设备层（现场总线）。

设备层作用是通过现场总线的方式将井下与井上的各种机电设备，如监控分站、人员监测分站、井下网络信号、井下水泵PLC控制器，井下皮带控制器等进行整合连接，将采集到的信息经过网络传输到地面。

控制层由工业冗余交换机组成的千兆光纤冗余工业以太网。煤矿矿山地面和井下2个环网采用单环单节点冗余方式组环，并采用主备链路连接方式与核心工业交换机进行连接。工业冗余交换机配备有网络冗余协议，可以使整个网络很简单的就建立起冗余的以太网络。当冗余工业以太网的任意网络光纤断开连接的时候，则自动启用备用连接链路，整个的工业网络系统将在最短时间自动恢复正常。

管理层主要进行集中控制管理，矿山安全生产监控系统信号与井下设备信号经过工业以太网传输至矿山中心机房服务器中，通过矿井自动化系统软件标准接口将数据集中采集到数据库中，可以对各个子系统的数据集中分析管理，也为数字化矿山系统平台提供数据基础。

数字化矿山系统平台网络拓扑结构如图2所示：

图2 数字化矿山系统平台网络拓扑结构图

4.基于3DGIS数字化矿山系统平台建设

“数字化矿山系统平台建设”系统的研发成功打破了数字矿山建设理论体系仅停留在理论层面的现状，真正实现了三维GIS（地理信息系统）与煤矿生产系统的结合，并且具有数据更新灵活方便、自动化三维建模等特点，为煤矿提供再现井下生产状态的高科技辅助工具。本系统主要开发流程、内容及实现的功能如

下：

（1）根据煤矿系统结构组成，煤矿数据多源异构的特点，研究了矿井基础数据采集更新的手段，结合矿井自动化OPC、FTP等多种接口技术研发了数据集成的软件包，实现了多源异构数据实时获取。主要实现了如下功能：

1）实现了从测量数据库导入数据，自动进行巷道相交生成巷道数据；

2）实现了以采掘工程平面图为底图，手动采集录入巷道数据；

3）实现了供电系统采集布置数据入库功能；

4）实现了给排水系统采集布置数据入库功能；

5）实现了运输系统采集布置数据入库功能；

6）实现了工作面采集布置数据入库功能等；

7）实现了安全监测监控系统实时数据接入；

8）实现了人员定位系统实时数据接入；

…………

针对“数字化矿山系统平台”的基础数据来源包含多个矿井生产子系统，各子系统可能分布于不同的部门、以及“智能化数字矿山”的维护及使用也涉及到不同的部门的特点。研究了系统数据安全、高效传输的方式，实现了依靠井下工业（下转第63页）（上接第60页）环网、地面环网、防火墙及交换机的合理配置保证数据正常传输；（2）为了更高效率的管理及使用矿山基础数据，研究了对矿山数据进行存储、管理及应用的机制。系统对矿用数据进行归纳、分类及处理后，搭建了矿用空间数据中心和矿用监控数据中心，对井上下所有矿用对象相关的空间数据和属性数据采用关系型网络数据库实现一体化存储、管理。主要实现了如下功能：

1）实现了按照矿用对象和生产系统组织数据功能；

2）实现了对象属性结构自定义功能；

3）实现了数据字典管理功能；

4）实现了矿用对象库管理功能；

5）实现了测点配置管理功能。