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摘要
本文講述了東灘煤礦基于三維GIS技術和云計算的可視化礦井綜合信息網絡三維管理系統的開發與應用，系統以東灘綜合信息化建設成果為基礎，利用現有相關系統提供的數據接口進行集成，將二維數據轉換為三維信息進行可視化集成展示，對于提高煤礦安全生產的管理水平、提高應急情況下的快速反應能力，以及對于提高生產效率、加快企業信息化建設都具有十分重要的意義。
關鍵詞
GIS；云計算；物聯網；礦井；三維；管理系統
東灘煤礦安全生產綜合信息網絡三維管理系統以當前東灘煤礦礦井綜合信息化建設情況為基礎，結合今后建設數字化、智能化礦山的發展方向，結合最近幾年發展成熟起來的物聯網、云計算和三維可視化技術而進行建設。系統的實施建設有利于打破專業壁壘，使復雜且專業的二維圖形和符號轉換為簡單直觀、清晰易懂、三維形象的立體模型，為煤礦安全生產、應急指揮救援、設備維護管理和人員技術培訓等提供了一種更為有效、快捷的手段，對于提高礦井安全生產的管理水平、提高應急情況下的快速反應能力，以及提高生產效率、加快建設數字化、信息化礦山都具有十分重要的意義。
1系統建設目標
東灘煤礦安全生產綜合信息網絡三維管理系統運用物聯網、云計算、三維仿真、RFID、嵌入式、數據庫、網絡及多媒體等技術，建立三維立體數據平臺，為東灘煤礦的生產過程和設備運行提供智能的監控及管理服務。系統建設目標如下。（1）礦區基本三維模型建設：包括地面廠房建筑、地下煤層、巖層、斷層、井下巷道、硐室、工作面、鉆孔、管道以及生產安全相關的重點設備設施內外部結構等地下要素的動態建模。（2）實現從現有數據庫中讀取數據自動轉換為三維模型：制定針對生成三維模型的地測數據采集標準、制作規范，能夠利用軟件使數據庫中的地測數據自動生成三維地下煤層、巖層、斷層、井下巷道模型，實現對井下三維地質結構的任意剖切，一方面以強有力的三維仿真技術輔助井下巷道規劃及設計，另一方面使二、三維數據能夠同步動態更新。（3）建設地上—井下一體化三維仿真展示系統：實現動態交互的東灘煤礦地上、井下的三維瀏覽，實現對重點設備內部結構、運行狀態、溫度、震動和潤滑數據等的查詢和實時監測。同時實現人員安全培訓三維仿真展示，能夠逼真的模擬井下工作環境，使人員在地面最大限度熟悉井下的巷道、硐室、工作面及相關設備位置情況；實現工藝流程三維仿真模擬，能夠模擬采掘--運輸--洗選煤過程中的每一個環節，并且可以在三維場景中動態直觀地表現物料途經的所有裝置。（4）建設三維井下人員、三條生命線（壓風管路、供水管路、通訊聯絡線路）安全管理及應急指揮系統：在三維場景中直觀地顯示人員分布、數量、下井時間、行進路線、停留位置等情況，使地面人員全方位掌握井下人員的實時情況。并實時對壓風管路、供水管路、通訊聯絡線路這三條生命線的路由、節點、閥、終端等的位置及管路口徑變化情況、通信線路容量變化情況進行直觀查詢，當險情發生時，可以提供救災物資以及避災線路的查詢與瀏覽等功能，為各類應急事件提供輔助決策支撐。（5）運維支撐平臺：實現各個業務應用系統的用戶權限分配管理、登錄訪問、日志查詢、共享服務配置、監控和報警，保證整個平臺能夠穩定運行。
2系統建設思路
2.1對現有數據進行整合
對東灘礦區地面、井下的多種數據要素的屬性及空間信息進行整合，為地形元素、交通設施、植被、建筑、煤層、鉆孔、巷道、管道以及生產、安全相關設備等信息進行統一管理提供基礎。利用三維仿真技術實現現實世界數字化，將礦區所有的空間信息和業務相關信息都裝入計算機，為快速、科學決策提供全面、及時、有效的信息。2.2建立數據標準，自動生成三維數據建立統一的數據采集標準、地測圖制作規范，實現礦區地測圖自動生成三維巷道模型，從而保證二、三維數據同步更新，進一步減少煤礦在數據維護方面的投入。
2.3煤礦三維數據建模，為三維可視化提供基礎
建設東灘礦區現狀的地形、地質、工程模型，滿足實際使用的要求，這是煤礦信息化管理的基礎。利用三維仿真技術將地面建筑、設備、煤層、巖層、斷層、鉆孔、巷道、管道這些對象表達出來，可以為采礦、測量、檢測、分析等工作提供基礎。
2.4地面—井下一體化管理
利用三維仿真技術，實現地面--井下一體化三維管理，所見即所得，打破專業與非專業的限制?？墒瓜嚓P領導、不同專業專家和業務人員更加高效、準確的了解現場情況，提高決策速度和質量。
2.5三維顯示管理系統
在三維數據中直觀地顯示人員分布、數量、下井時間、行進路線、停留位置等情況，在地面全方位掌握井下人員實時情況。能夠對井下三條生命線（壓風管路、供水管路、通訊聯絡線路）路由、節點、閥、終端的位置進行查詢、管路口徑變化情況及通信線路容量變化情況進行直觀查詢。建立應急指揮系統及應急處理預案，為領導處理礦井突發事件時提供快速、直觀的輔助決策。
2.6建立重點設備庫，并集成監測數據
將三維設備模型與設備臺賬進行關聯，實現重點設備的內部結構查看，運行、停止狀態的監測。并將最新的監測、監控數據實時加入三維系統中，動態而且直觀的反映現場設備設施的運行情況。如：皮帶機和地面通風機主要部件的溫度、振動、潤滑信息進行監測，從而為安全應急事件與設備日常維護及管理提供輔助決策支撐。
3總體框架設計
系統總體設計堅持數據、管理、服務、應用相分離的架構思想，在保持靈活性和擴展性的前提下，整個系統采用了以VRMap為基礎的三維仿真網絡應用解決方案為總體框架，綜合應用物聯網、云計算、三維仿真、RFID、嵌入式、數據庫、網絡及多媒體等技術，以計算機網絡和硬件平臺為依托，以國家政策、法規和相關行業標準為保障，建設三維信息共享服務平臺，在此基礎上進行業務系統的建設。數據層利用大型關系型數據庫存儲、管理三維空間數據，作為上層應用的數據基礎。服務層采用云計算技術通過三維數據共享服務接口提供三維空間數據服務，實現各類三維數據的網絡。應用層整合服務層提供的三維數據服務，在網絡數據的基礎上，根據具體業務需要，劃分階段逐步實現各個方面的業務需求，實現井下數據自動建模系統、三維仿真展示系統、三維井下人員、三條生命線安全管理及應急指揮系統、重點設備管理系統等。
4系統建設內容
項目研究建設的內容主要是基于東灘綜合信息化建設的成果，利用現有地測、人員定位、礦井綜合信息化相關等系統提供的數據、接口進行集成，并將二維數據轉換為三維信息進行可視化集成展示。
4.1業務應用系統
（1）靈圖三維地圖平臺軟件。（2）巷道三維數據建模。制定針對生成三維模型的地測數據采集標準、制作規范，將井下相關二維數據自動生成三維井下巷道、鉆孔、管道等模型、建立拓撲關系，使二、三維數據同步更新。（3）三維地測自動建模系統。將龍軟地測數據庫中井下巷道、硐室、工作面二維數據自動生成三維數據，建立井下巷道、硐室、工作面三維模型。對井下重要場所（井底車場、副井下口等）、工作崗點（運搬調車室、變電所、皮帶控制硐室、給煤機崗點、主井裝載硐室等）、巷道等有內部虛擬展示。（4）三維虛擬展示及模擬培訓系統。系統能展示礦井生產實時工況，對主副井、煤流系統皮帶、采煤工作面三機及綜掘迎頭掘進機等運行情況應和井下生產實際工況一致，并能接入現有工作點實時視頻。（5）三維井下人員定位、安全監測、三條生命線安全管理及調度應急指揮系統。（6）三維井下人員定位。集成現有KJ251人員定位系統數據，在三維系統中直觀地顯示人員分布、數量、上下井時間、行進路線、停留位置等情況。系統調用現有人員定位系統中的人員信息數據，并與人員定位數據保持一致，自動更新，避免了重復性維護。（7）三維安全信息綜合監測。系統應能與安全生產實時監測系統實現無縫連接，實時讀取該系統的監測數據，系統不得影響安全生產實時監測系統的穩定性和數據準確性。在本系統中應實現對井下瓦斯、一氧化碳、溫度、風速、風壓、風門、主要設備開停狀態實時監測，使顯示結果更加直觀和便捷，并能對監測點及監測項目進行模糊查詢及快速定位。（8）三維三條生命線。建立壓風管路、供水管路、通訊聯絡線路的三維模型，對井下三條生命線進行直觀查詢，主要包括：能夠對相關管路、線纜路由、節點、閥門、終端設備進行定位及相關屬性進行信息查詢；能夠結合通訊聯絡系統的數據信息，對通信線路容量情況進行查詢。
4.2運維支撐系統
實現各個業務應用系統的用戶權限分配管理、登錄訪問、日志查詢、共享服務配置、監控和報警，保證整個平臺能夠穩定運行。
4.3數據維護管理系統
基于平臺數據庫的管理系統，對東灘煤礦三維空間基礎信息數據進行更新、維護及日常管理，為空間信息應用接口提供數據支持與保障，其數據維護管理權限由運維管理系統統一分配。
4.4地面三維數據建模
采場地上60km2建模，包括廠房建筑、地面建筑、地面管線、道路等的全角度拍照、電子紋理的處理加工及三維模型制作。
5創新點
系統的技術研發是以真實的礦井為原型，結合具有精確坐標和空間信息的交互式人機環境，對礦井生產設計及安全監測監控，進行數字化再現、統一表達分析與輔助決策的綜合平臺系統。該系統有利于在處理礦井復雜系統問題時幫助人們更好地建立直觀感和全局觀念，形成群策群力的協同調度機制。同時搭建了設計與生產，安全與決策，安全與人之間的橋梁；最大限度地挖掘和發揮礦井數據的潛能和作用，并貫穿于煤礦規劃、安全管理與生產模擬的全過程，對保障東灘煤礦的科學發展與現代管理具有積極意義。系統成果在東灘煤礦得到了應用，并實現了以下創新。（1）該項目的設計和研發創造性地利用計算機虛擬仿真技術的優點，采用空間融合技術，結合煤礦安全生產特殊性的專業化要求，成功解決了礦井安全生產管理僅停留在二維信息的層面，以及決策與信息不對稱，數據信息共享性差等難題。做到了對復雜系統關鍵數據的“精確”表達。（2）在平臺開發的基礎上，深化了設計與分析的功能應用，如：二、三維地質數據自動更新、巷道延伸與采空區積水區關聯報警、場景定位、任意空間點測距等分析工具，為礦井安全生產的管理及災害預警與防控提供更科學的手段和有力的輔助決策支持。與傳統的二維方式相比，對災變救援和應急指揮的信息支持更強大。（3）在技術方面，通過可視化圖形技術、數據融合技術的研究，創造了直觀表達、靈活互動、有效溝通的信息呈現方式。在礦井生產及安全管理信息共享與高效協同層面，提供了在設計論證、整合調度與分析決策上的支持。
6同類技術對比情況
與傳統的二維制圖軟件CAD等軟件相比，三維虛擬展示系統有其獨特的優勢。三維虛擬展示系統因更接近于人的視覺習慣而更加真實，同時三維能提供更多信息，能表現更多的空間關系。目前的三維GIS基礎軟件功能還不夠完善，因此本系統采用二維GIS平臺（龍軟地測空間管理系統）和三維可視化軟件（靈圖VRMap）相結合的方式開發應用系統，推進三維GIS技術在東灘煤礦的應用深度。通過整合龍軟二維地測系統的數據實現在數據模型、數據結構上的一致，實現二、三維地測數據的動態實時更新，即同樣的數據在兩套軟件中均可管理更新，但只需更新一次，不僅減少了數據冗余，而且減少了二、三維數據更新維護的代價。通過集成現有的視頻監控系統、生產工況實時監測系統、安全生產實時監測系統等生產系統，實現對井上下視頻、井下瓦斯、一氧化碳、溫度、風速、風壓、風門、主要設備開停狀態實時監測，使顯示結果更加直觀和便捷，并能對監測點及監測項目進行模糊查詢及快速定位。方便快速定位。
7結束語
與傳統的二維制圖軟件CAD等軟件相比，三維虛擬展示系統有其獨特的優勢。三維虛擬展示系統因更接近于人的視覺習慣而更加真實，同時三維能提供更多信息，能表現更多的空間關系，更加便于相關工作人員了解掌握礦井生產和經營情況。同時提高了安全生產的管理水平，真正實現安全生產信息化化管理與現代化管理，極大的減少了東灘煤礦的安全生產管理費用。
作者：劉增寶 邊紅星 孟德茂 潘澤棟 單位：兗州煤業股份有限公司東灘煤礦
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