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引言
长期以来，受资源产业模式和传统生产工艺的影响，国内矿山企业在信息化建设方面不同程度地存在短期效益、重“硬”轻“软”等现象。由于采矿井下作业处于地表深处，地质条件复杂，环境恶劣，瓦斯、粉尘、水害、顶底板事故、火灾隐患难以探测和辨识，大型事故时有发生，给我国采矿生产造成了重大损失，也极大地危及了矿工的人身安全。信息化程度低下往往导致矿山在开拓设计、巷道布置、采掘设计、接替安排、进尺计划等生产方面没有充分的安全性、可靠性和合理性保障，由此引发了通风、防尘、运输、排水、支护、注浆、供电等系统的设计不合理、配套性不好、连动性不强、反映迟缓，造成避灾措施不利、系统抗灾能力差等诸多问题。要从根本上实现矿山安全、高效生产，除了技术更新和改造外，更重要的是建立一个完整的矿山数字化系统，以实现矿山地上地下所有时间、空间对象的透明管理，矿区的气象、地形、水文、建筑、道路、桥梁、地面设施以及地下的岩层、断层、裂隙、陷落柱、水体、瓦斯和各类地下工程和地下设施统一集成管理，整个矿山从勘探、规划、设计、生产到管理等全过程都能兼顾工艺的先进性、设备的可靠性和生产的安全性，大幅度地提高抗灾能力和生产效率。
数字化矿山（Digital Mine）是在首届“国际数字地球”大会上被提出，于2008年末被列为国家“863计划”，其科学研究与实践已开始应用于国内行业领域之中。数字化矿山以遥测遥控、网格GIS和无线通讯为主要技术手段，在统一的空间框架下，对矿山地上地下整体、采矿过程及其引起的相关现象进行全面监控、统一描述、数字表达、精细建模、虚拟再现、仿真模拟、智能分析和可视化决策，保障矿山安全、高效、绿色、集约开采，实现采矿自动化、智能化，推动采矿科学与技术的创新发展。数字化矿山的特点为基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化。
虚拟现实（virtual reality），VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
系统建设目的
三维数字化矿山集成管理平台利用VR等先进的技术手段，提供给使用者一个模拟真实生活环境的数字立体矿山，用户不仅可以辨识山河、地面建筑与井下巷道、设备设施等，并且在系统的辅助下，可对矿山进行安全生产监管、日常生产进度管理、应急培训及应急救援辅助决策支持，做到矿山管理的可视化、信息化。
构建数字矿山三维场景“一张图”工程
利用矿区三维地形数据库场景，并在此基础上叠加二维矢量空间数据（如：道路、河流、地名地址等）、矿区地面建筑三维模型以及地下巷道三维模型、设备设施模型等多源数据，最终构建基于三维地形数据库之上的数字化矿山三维场景“一张图”工程。
构建数字化矿山信息服务一体化平台
基于空间地理位置以及相应的时空属性，在数字化矿山三维场景“一张图”工程基础上，通过对系统平台软件接口开发和应用，集成各个矿区现有的工业电视监控系统、瓦斯监控系统、人员定位系统、风井通风机自动控制系统、皮带传输监测系统及采区变电所电力监测系统、提升监控系统等自动化控制子系统，融合现有其它资料信息，共同整合到数字化矿山三维场景“一张图”工程之中，实现矿山信息的资源共享、解决信息孤岛的问题，真正构建成“数字化矿山”信息服务一体化平台。
实现数字化矿山的可视化管理应用
在强大引擎支撑的“一张图”工程和信息资源整合服务一体化平台基础之上，通过对矿山管理者、监督者、生产者等各阶层人员的业务需求的整理和分析，进行相应的软件应用层专题功能开发，实现对矿山的基础资料、设备设施、动态监测、应急信息等的可视化管理，为矿山的生产管理、安全运营、培训考核和应急救援指挥等提供管理、决策服务平台。
综上所述，通过构建数字化矿山三维场景“一张图”工程，集成各矿区现有系统资源信息的基础上，通过对专题应用功能的软件开发，利用网络传输和分发服务技术，最终搭建成为三维数字化矿山集成管理平台，为政府和企业在矿山的生产管理、安全监督、救援指挥等方面提供了一个全新的、综合性的、可视化技术平台。
系统架构设计
三维数字化矿山集成管理平台逻辑上从上到下，依次为支撑环境层、数据层、服务层和应用层，具体结构如图1所示。
·数据层
数据层分为地理信息数据、设备交换数据和系统管理数据三个部分：
（1）地理信息数据
该部分包含了矿区正射影像数据、基础地理数据（道路、河流、建筑、高程等）、三维模型数据（地形、地上建筑物、地下井巷、仪器设备等）、矿区测量数据、矿山基础资料数据、其他GIS数据等。其中矿山基础资料数据包括：矿山地质图、地形图、矿体分布图、矿山勘探报告、矿山勘探基础资料、矿山储量核实成果资料、矿山工程布置资料等基础资料。
（2）设备交换数据
存贮如瓦斯监测设备、井下小灵通通讯设备、生产视频监控设备、人员定位设备等专项设备接收到的交互数据。
（3）系统管理数据
存储系统运行所需的各项参数、配置、表单等数据。
·服务层
服务层包含了功能服务和数据服务：
（1）空间数据引擎（SDE）
系统以基于空间数据库的 GIS 平台为支撑，进行海量数据的管理，为实现准确、快速的空间相关的综合查询和分析，提供有力支持。
（2）数据交换共享服务
数据交换层通过数据共享标准，数据管理机制以及数据转换中间件的配合工作，实现各系统、各类异质异构数据的交换共享。 ·应用层
应用层为三维数字化矿山集成管理平台的应用程序端，包含了综合信息管理系统（C/S）、信息查询子系统（B/S）、系统管理子系统。
·支持环境层及保障体系建设
支撑保障体系有运维管理、安全保障、标准规范、政策法规等几个方面组成，建立能够保障项目实施及成果长期应用得支撑环境，成立专门的运行维护机构，配置先进、合理的软件、硬件及网络环境，建立健全框架的共享与更新机制，全面支撑三维数字化矿山集成管理平台的建设、运行和应用。
系统建设流程
·数据生产流程
三维数字化矿山信息集成管理平台的运行依赖于空间数据中心的GIS数据和三维模型数据，空间数据建库建设依据现有资料情况，包括了数据整理转换、数据导入、3D建模等过程.
·三维模型构建
通过对矿体、主要构造、地表、巷道等进行三维模型的构建，并根据监控监测设备、通信设备位置，构建设备三维模型，为防灾减灾和应急管理奠定基础。
（1）地表模型构建
由等高线或高程点数据构建DEM表面，叠加DOM生成地表三维模型，一些地表工程的设计和施工，如排土场、选场、井口等位置都是以地表模型为参考。
（2）建筑物模型
通过矿区工程建设图纸，建立建筑物模型数据库，在三维可视化系统中将其附着在地表模型之上。
（3）井巷模型构建
通过巷道工程建设图纸和井巷平剖面图，构建井巷三维模型。
（4）生产设备模型构建
根据巷道工程建设图纸、井巷平剖面图和生产设备空间位置进行各类监测传感器的三维建模。
·业务系统构建
根据系统应用需求并结合系统的用户对象，三维数字化矿山集成管理平台分为综合信息管理系统、系统管理子系统、信息查询子系统、数据管理子系统四个部分，如图2所示。
（1）综合信息管理系统
综合信息管理系统面向于矿山生产管理部门和安全监控部门，该系统集成了矿山全景三维视图和第一人称沉浸视图，并在场景中集成自动化控制设备，可与现有的生产管理系统、安全监控系统、人员定位系、视频监控系统进行实时数据交换，以实现人员定位、设备管理、应急管理等场景全息化、生产可视化功能。（如图3）
（2）数据管理子系统
数据管理子系统面向数据管理维护人员，主要包括矿山地质、储量等数据的管理维护，建筑物模型、巷道场景、设备模型管理，实时监控录像数据连接管理和矿山成果数据检查入库等，为综合信息管理系统和信息查询系统提供数据支撑。
（3）信息查询子系统
该部分基于B/S架构设计，通过浏览器即可进行三维场景的浏览、相关信息查询。该系统主要面向于上级主管部门和集团公司用户，客户端直接通过网络接入服务器，经过授权即可进行功能操作。
（4）系统维护子系统
系统管理子系统面向系统维护人员，用于保障系统正常运行。主要包含用户权限管理、数据库备份恢复优化管理、系统运行参数管理、系统运行状态监控、字典表管理等功能。
结束语
系统虽然通过虚拟现实技术实现了矿山场景的三维虚拟化、形成了矿山信息综合集成管理的模式，极大地提高了矿山安全生产水平和矿山生产效率；但是对于进行矿山场景的三维模型自动构建、系统中模型的编辑处理、将矿山信息集成管理与矿山物联网相结合进行综合管理等方面还不成熟，有待进一步研究。
（作者单位：南京当可顺软件科技有限公司）
长期以来，受资源产业模式和传统生产工艺的影响，国内矿山企业在信息化建设方面不同程度地存在短期效益、重“硬”轻“软”等现象。由于采矿井下作业处于地表深处，地质条件复杂，环境恶劣，瓦斯、粉尘、水害、顶底板事故、火灾隐患难以探测和辨识，大型事故时有发生，给我国采矿生产造成了重大损失，也极大地危及了矿工的人身安全。信息化程度低下往往导致矿山在开拓设计、巷道布置、采掘设计、接替安排、进尺计划等生产方面没有充分的安全性、可靠性和合理性保障，由此引发了通风、防尘、运输、排水、支护、注浆、供电等系统的设计不合理、配套性不好、连动性不强、反映迟缓，造成避灾措施不利、系统抗灾能力差等诸多问题。要从根本上实现矿山安全、高效生产，除了技术更新和改造外，更重要的是建立一个完整的矿山数字化系统，以实现矿山地上地下所有时间、空间对象的透明管理，矿区的气象、地形、水文、建筑、道路、桥梁、地面设施以及地下的岩层、断层、裂隙、陷落柱、水体、瓦斯和各类地下工程和地下设施统一集成管理，整个矿山从勘探、规划、设计、生产到管理等全过程都能兼顾工艺的先进性、设备的可靠性和生产的安全性，大幅度地提高抗灾能力和生产效率。
数字化矿山（Digital Mine）是在首届“国际数字地球”大会上被提出，于2008年末被列为国家“863计划”，其科学研究与实践已开始应用于国内行业领域之中。数字化矿山以遥测遥控、网格GIS和无线通讯为主要技术手段，在统一的空间框架下，对矿山地上地下整体、采矿过程及其引起的相关现象进行全面监控、统一描述、数字表达、精细建模、虚拟再现、仿真模拟、智能分析和可视化决策，保障矿山安全、高效、绿色、集约开采，实现采矿自动化、智能化，推动采矿科学与技术的创新发展。数字化矿山的特点为基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化。
虚拟现实（virtual reality），VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
系统建设目的
三维数字化矿山集成管理平台利用VR等先进的技术手段，提供给使用者一个模拟真实生活环境的数字立体矿山，用户不仅可以辨识山河、地面建筑与井下巷道、设备设施等，并且在系统的辅助下，可对矿山进行安全生产监管、日常生产进度管理、应急培训及应急救援辅助决策支持，做到矿山管理的可视化、信息化。
构建数字矿山三维场景“一张图”工程
利用矿区三维地形数据库场景，并在此基础上叠加二维矢量空间数据（如：道路、河流、地名地址等）、矿区地面建筑三维模型以及地下巷道三维模型、设备设施模型等多源数据，最终构建基于三维地形数据库之上的数字化矿山三维场景“一张图”工程。
构建数字化矿山信息服务一体化平台
基于空间地理位置以及相应的时空属性，在数字化矿山三维场景“一张图”工程基础上，通过对系统平台软件接口开发和应用，集成各个矿区现有的工业电视监控系统、瓦斯监控系统、人员定位系统、风井通风机自动控制系统、皮带传输监测系统及采区变电所电力监测系统、提升监控系统等自动化控制子系统，融合现有其它资料信息，共同整合到数字化矿山三维场景“一张图”工程之中，实现矿山信息的资源共享、解决信息孤岛的问题，真正构建成“数字化矿山”信息服务一体化平台。
实现数字化矿山的可视化管理应用
在强大引擎支撑的“一张图”工程和信息资源整合服务一体化平台基础之上，通过对矿山管理者、监督者、生产者等各阶层人员的业务需求的整理和分析，进行相应的软件应用层专题功能开发，实现对矿山的基础资料、设备设施、动态监测、应急信息等的可视化管理，为矿山的生产管理、安全运营、培训考核和应急救援指挥等提供管理、决策服务平台。
综上所述，通过构建数字化矿山三维场景“一张图”工程，集成各矿区现有系统资源信息的基础上，通过对专题应用功能的软件开发，利用网络传输和分发服务技术，最终搭建成为三维数字化矿山集成管理平台，为政府和企业在矿山的生产管理、安全监督、救援指挥等方面提供了一个全新的、综合性的、可视化技术平台。
系统架构设计
三维数字化矿山集成管理平台逻辑上从上到下，依次为支撑环境层、数据层、服务层和应用层，具体结构如图1所示。
·数据层
数据层分为地理信息数据、设备交换数据和系统管理数据三个部分：
（1）地理信息数据
该部分包含了矿区正射影像数据、基础地理数据（道路、河流、建筑、高程等）、三维模型数据（地形、地上建筑物、地下井巷、仪器设备等）、矿区测量数据、矿山基础资料数据、其他GIS数据等。其中矿山基础资料数据包括：矿山地质图、地形图、矿体分布图、矿山勘探报告、矿山勘探基础资料、矿山储量核实成果资料、矿山工程布置资料等基础资料。
（2）设备交换数据
存贮如瓦斯监测设备、井下小灵通通讯设备、生产视频监控设备、人员定位设备等专项设备接收到的交互数据。
（3）系统管理数据
存储系统运行所需的各项参数、配置、表单等数据。
·服务层
服务层包含了功能服务和数据服务：
（1）空间数据引擎（SDE）
系统以基于空间数据库的 GIS 平台为支撑，进行海量数据的管理，为实现准确、快速的空间相关的综合查询和分析，提供有力支持。
（2）数据交换共享服务
数据交换层通过数据共享标准，数据管理机制以及数据转换中间件的配合工作，实现各系统、各类异质异构数据的交换共享。 ·应用层
应用层为三维数字化矿山集成管理平台的应用程序端，包含了综合信息管理系统（C/S）、信息查询子系统（B/S）、系统管理子系统。
·支持环境层及保障体系建设
支撑保障体系有运维管理、安全保障、标准规范、政策法规等几个方面组成，建立能够保障项目实施及成果长期应用得支撑环境，成立专门的运行维护机构，配置先进、合理的软件、硬件及网络环境，建立健全框架的共享与更新机制，全面支撑三维数字化矿山集成管理平台的建设、运行和应用。
系统建设流程
·数据生产流程
三维数字化矿山信息集成管理平台的运行依赖于空间数据中心的GIS数据和三维模型数据，空间数据建库建设依据现有资料情况，包括了数据整理转换、数据导入、3D建模等过程.
·三维模型构建
通过对矿体、主要构造、地表、巷道等进行三维模型的构建，并根据监控监测设备、通信设备位置，构建设备三维模型，为防灾减灾和应急管理奠定基础。
（1）地表模型构建
由等高线或高程点数据构建DEM表面，叠加DOM生成地表三维模型，一些地表工程的设计和施工，如排土场、选场、井口等位置都是以地表模型为参考。
（2）建筑物模型
通过矿区工程建设图纸，建立建筑物模型数据库，在三维可视化系统中将其附着在地表模型之上。
（3）井巷模型构建
通过巷道工程建设图纸和井巷平剖面图，构建井巷三维模型。
（4）生产设备模型构建
根据巷道工程建设图纸、井巷平剖面图和生产设备空间位置进行各类监测传感器的三维建模。
·业务系统构建
根据系统应用需求并结合系统的用户对象，三维数字化矿山集成管理平台分为综合信息管理系统、系统管理子系统、信息查询子系统、数据管理子系统四个部分，如图2所示。
（1）综合信息管理系统
综合信息管理系统面向于矿山生产管理部门和安全监控部门，该系统集成了矿山全景三维视图和第一人称沉浸视图，并在场景中集成自动化控制设备，可与现有的生产管理系统、安全监控系统、人员定位系、视频监控系统进行实时数据交换，以实现人员定位、设备管理、应急管理等场景全息化、生产可视化功能。（如图3）
（2）数据管理子系统
数据管理子系统面向数据管理维护人员，主要包括矿山地质、储量等数据的管理维护，建筑物模型、巷道场景、设备模型管理，实时监控录像数据连接管理和矿山成果数据检查入库等，为综合信息管理系统和信息查询系统提供数据支撑。
（3）信息查询子系统
该部分基于B/S架构设计，通过浏览器即可进行三维场景的浏览、相关信息查询。该系统主要面向于上级主管部门和集团公司用户，客户端直接通过网络接入服务器，经过授权即可进行功能操作。
（4）系统维护子系统
系统管理子系统面向系统维护人员，用于保障系统正常运行。主要包含用户权限管理、数据库备份恢复优化管理、系统运行参数管理、系统运行状态监控、字典表管理等功能。
结束语
系统虽然通过虚拟现实技术实现了矿山场景的三维虚拟化、形成了矿山信息综合集成管理的模式，极大地提高了矿山安全生产水平和矿山生产效率；但是对于进行矿山场景的三维模型自动构建、系统中模型的编辑处理、将矿山信息集成管理与矿山物联网相结合进行综合管理等方面还不成熟，有待进一步研究。
（作者单位：南京当可顺软件科技有限公司）