数字矿山概论

belinda · 发表于 2011-8-18 09:24

数字矿山
地理信息系统和智能化技术的快速发展给采矿业带来了前所未有的机遇和挑战。近年，国际上发达采矿国家已纷纷利用数字信息技术来改造和提升其采矿业技术水平，不仅变革了传统矿业沿袭百年的生产工艺和组织管理模式，而且极大地提高了矿山企业的生产效率和安全水平。

1.数字矿山及其基本特征
数字地球是指“一个多种分辩率，三维的表述方式，使我们能嵌入巨大数量的地理坐标系数据系统”《数字地球：展望21世纪我们这颗行星》戈尔．1998年）就是指在全球范围内建立一个以空间位置为主线。将信息组织起来的复杂系统，即按照地球坐标整理并构造一个全球的信息模型，描述地球上每一点的全部信息，按地理位置组织，存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示方式，使用户能够快速、准确、充分和完整地了解及利用地球上各方面的信息。在这个意义上，数字地球就是一个全球范围的以地球位置及其相联系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称。
因此，我们可以从两个层次上来理解数字地球。一个层次是将地球表面每个点上的固有信息（即与空间位置直接有关的相对固定的信息，如地形、地貌、植被、矿产、建筑、水文等）数字化。按地理坐标组织起来一个三维的数字地球，全面、详尽地刻画我们居住的这个星球，亦即我们通常所指的那样，是地球本身；另一个层次是在此基础上嵌入所有相关信息（即与空间位置间接有关的相对变动的信息，如人文、资源、经济、政治、军事、科学技术乃至历史等)组成一个意义更加广泛的多维的数字地球，为各种应用服务。

数字矿山的特征与数字地球是一致的，只是尺度和范围上不同。所谓数字矿山就是指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。描述矿山中每一点的全部信息。按三维坐标组织，存储起来，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。在这个意义上说，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。
所谓DM是“以地理信息系统为时空平台，以现实矿山信息为对象，建立的虚拟矿山系统，并将现实矿山信息加载到虚拟矿山的系统。数字矿山是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分"，也是数字地球的一个重要组成部分。
数字矿山的核心是在统一的时间参照与空间框架下、科学有序地组织、管理、维护和通过真三维可视化表达等不同手段获取海量、异质、异构、多维、动态的矿山信息、并建立矿山信息的分布式共享、协同与利用机制、形成多种灵活便捷的数字方法与模拟工具、最大限度地挖掘和发挥矿山数据的潜能和作用、并贯穿于矿山规划、生产、经营与管理的全过程、保障矿山的科学决策与现代管理。
1.数字矿山基本框架
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 A 部分#其基本组成如图 B 所示)*$ 采集系统负责数据的采集%处理与更新$包括测量%勘探%传感和文档&含设计数据’C 大类矿山基础数据#
)*+调度系统作为矿山信息化办公与决策的公共平台和各类矿山软件集成和各类模型融合的公共载体的$@23$负责矿
山地物对象的拓扑建立与维护%空间查询与分析%矿山制图与输出等@23基本功能$并进行数据访问控制$调度和控制各类!车
辆"的运行%!燃料"的采集%更新与过滤等# )*)应用系统各种专业应用软件的集合$包括采矿D7#&$D7#’%虚拟采矿&E$’%矿山模拟&$3’%工程计算&FD’%人工智能&72’和科学可视化&3E’等$为矿山业务流程和决策所需的各类工程计算与应用分析提供功能服务# )*,过滤系统负责多源异质数据的集成和质量控制$集
2.数字矿山理论基础
#$ 是一个典型的多学科交叉学科新领域$具有综合性%复
杂性%系统性和前沿性$所涉及的学科领域非常广泛#它以空间信息理论&以 J3%@G3%@23 为代表的现代测绘理论’%数字地质学%现代采矿理论%通讯理论%机器人与自动化理论%监测监控理论%
运筹学理论等为理论基础$涉及多门工程学科%基础学科和管理学科&如图C所示’#3.数字矿山关键技术数字矿山是一个目标%一个方向$不是一项具体的工程$不可能一蹴而就$需要化较长的时间甚至很长的时间分阶段分步骤地组织不同领域%不同学科的一大批科研人员来进行攻关研究#基于#$特征与框架$当前应重点对以下K项关键技术进行攻关 =<<># -*$矿山数据仓库技术针对矿山信息的!五性四多"&复杂性!海量性!异质性!不确定性和动态性"多源!多精度!多时相和多尺度#特点"研究一种新型的数据仓库技术"包括矿山数据分类组织!分类编码!元数据标准!高效检索!快速更新与分布式管理等$其中"适合多源异质矿山数据集成且独立于应用软件与数据模型的数据组织结构"为当务之急$ #$% 矿山数据挖掘技术指%从海量的矿山数据中挖掘&发现矿山系统中内在的&有价值的信息&规律和知识的过程’$必须研究一种高效&智能&透明&符合矿山思维&基于专家知识的数据挖掘技术"这些信息&规律和知识对矿山的安全&生产&经营与管理能发挥预测和指导作用$
&$’真’()*与可视化技术只有通过真!"地学模拟技术对钻孔&物探&测量&传感&设计等地层空间数据进行过滤和集成"并实现动态维护(局部更新&细化&修改&补充等)"才能对地层环境&矿山实体&采矿活动&采矿影响等进行真实&实时的!"可视化再现&模拟与分析* &$+矿山’(拓扑建模与分析技术矿山信息的拓扑空间查询+分析与应用及许多采矿安全问题的模拟&分析与预测等"均以矿山!"空间实体的属性&几何与拓扑数据的统一组织为基础$必须立足矿山!"数据的矢栅集成"尽快攻克矿山!"实体拓扑描述&表达&组织与动态维护这一技术难题$ &$&组件式矿山软件与模型矿山信息的分析与应用&矿山生产的评估与监控&矿山工程的模拟与决策等"均以各类应用软件与相关模型为工具$必须针对不同应用和矿山工程需求"研究开发多品种&多型号&多功能&组件式软件与模型$ &$, 地下&$!井下多媒体通讯与无线传输技术在矿井通信方面"除宽带网络之外"如何快速&准确&完整&清晰&实时地采集与传输矿山井下各类环境指标&设备工况&人员信息&作业参数与调度指令等数据"并以多媒体的形式进行地面(井下双向&无线传输"也是4.有待改进的技术问题$ &$-智能采矿机器人!班组"技术在矿山自动化方面"要突破过去关于采矿机器人的个体行为方式"要从群体协同的角度"从采矿设备整体与整个作业流程中的自动控制&协调&适应&保护&调整&修复甚至再生的角度"去理解&研究和设计新一代智能化采矿机器人%班组’及其作业模式$ &$. 矿山 ’/#01#2(/ 五位一体技术为实现全矿山&全过程&全周期的数字化管理&作业&指挥与调度"必须基于矿山 #)%对矿山信息的统一管理与可视化表达"无缝集成自动化办公
(*+ )与指挥调度系统(,"% ),并集成 -% 和 #$% 技术"真正做到从数据采集&处理&融合&设备跟踪&动态定位&过程管理&流程优化到调度指挥的全过程一体化$ 此外"还应在以下领域开展交叉研究.即现代矿山测绘理论&智能采矿与高效安全保障技术&数字环境中采动影响分析与仿真模拟&采矿动态模拟与非线性分析算法&矿山系统工程与多目标决策理论与技术&数字环境中现代矿山管理模式与机制等$  ,我国数字矿山战略对策  我国矿山企业信息化现状基本是%无路无车’(既没有起码的计算机网络设施与硬件资源"又没有相应的矿山应用软件)&%有路无车’(进行了计算机网络设施与硬件资源建设投入"却忽视了矿山应用软件的投入)&%车货不一’(矿山应用软件及基础数据的建设混乱无序"无法实现信息资源共享)三层次并存 /&&0$受体制&观念和教育程度的限制"我国矿山企业的决策者&管理者和工程技术人员在矿山信息化建设方面尚存在 1 种不良倾向-因循守旧&短期效益&重硬轻软和事不关己高高挂起 /&&0$  "2 战略在给我国矿业带来挑战的同时"也带来了前所未有的发展机遇$矿山信息化改造是一项复杂&系统而艰巨的工作"有观念的因素"也有技术的因素和资金的制约$因此"提出以下战略对策$  ,$3进行观念更新$组织人才培训应加大宣传力度"组织各类人才培训"尽!
结语
数字矿山是矿业科技创新的核心方向"是采矿业改造与可持续发展的重要保障"任重而道远$我国矿业要走出困境"面向 4&世纪寻求可持续发展"必须走 "3 之路"将 "3 建设与整个矿山企业的技术创新&管理改革相结合$就当前而言"通过 "3 建设"至少可以给矿山企业带来以下 1 方面的好处 /50-(&)拓展矿山企业的生存与发展空间,(4)促进矿山企业组织结构的优化,(!)降低决策的风险性,(1)提高企业快速反应能力"从而使矿山企业在现代企业竞争中取胜"并逐步走向可持续发展之路$但必须清醒地认识到""3建设是一项复杂的巨系统工程"有观念的因素"也有技术的因素和资金的制约$因此"必须兼顾观念更新&人才培训&资金投入和科研攻关各个方面"有计划&有步骤地稳步实施"3战略$基于数字矿山与矿山企业的信息基础设施建设的战略,分析了我国矿山信息化建设现状,指出了开放式矿山信息系统建设的必要性.结合矿山科技创新与实际,提出了矿山信息系统开放式架构模型.该模型以实现业务流程与功能模块的完全分离为基础,以业务流程的集成管理为核心,具有良好的灵活性、柔性、通用性与开放性.研究表明,矿山信息系统开放式架构模型,能够提高矿山企业的信息化管理及生产、设计和决策水平,提高矿山企业的信息快速反应能力.
关键词：矿山信息系统; 数字矿山; 开放式架构; 业务流程