数字矿山系统构成课件

第二章第二章 数字矿山系统构数字矿山系统构成成第二章 数字矿山系统构成12.1 数字矿山的特征、功能、内涵数字矿山的特征、功能、内涵2.2 数字矿山的理论框架、模型数字矿山的理论框架、模型2.3 数字矿山信息技术系统数字矿山信息技术系统2.4 数字矿山标准化建设数字矿山标准化建设2.5 数字矿山的系统构成数字矿山的系统构成2.1 数字矿山的特征、功能、内涵2.2 数字矿山的理论框架2 数字矿山数字矿山是以矿山系统为原型，以地理坐标为参考系，以矿山科学技术、信息科学、人工智能和计算科学为理论基础，以高新矿山观测和网络技术为支撑，建立起的一系列不同层次的原型、系统场、物质模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型并集成，可用多媒体和模拟仿真虚拟技术进行多维的表达，同时具有高分辨率、海量数据和多种数据的融合以及空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统。它是信息化、数字化的虚拟矿山，是用信息化与数字化的方法来研究和构建的矿山，是矿山地表面之下的人类工程活动的信息全部数字化之后由计算机网络来管理的技术系统。通过它可以了解整个矿山系统所涉及的信息过程，特别是矿山系统多体之间信息的联系和相互作用的规律。2.1 数字矿山的特征、功能、内涵数字矿山的特征、功能、内涵 数字矿山是以矿山系统为原型，以地理坐标为参考系3 数字矿山数字矿山是以多时空、动态的矿山系统为研究对象，以矿山观测、网络和计算机信息处理为主体的技术系统。它在空间上可把矿山工程的部分工作转移到实验室，在时间上可从过去、现在的研究发展到三维空间上定量地预测未来。41.空间性、数字性和整体性三者的融合统一。这是它与其它信息系统的根本区别。2.具有无边无缝的分布式数据层结构，包括多源、多比例尺、多分辨率的历史和现时的矢量格式及栅格格式的数据。3.具有海量、充实、分类、迅速、联网的矿山地理信息数据库。4.采用开放平台、构件技术、动态互操作等最先进的技术方案。数字矿山特征数字矿山特征1.空间性、数字性和整体性三者的融合统一。这是它与其它信55.可以用图形、图像、图表、文本报告等形式提供服务。6.用户可以以多种方式从中获取信息。无论生产者是谁，也无论数据在什么地方，任何一个用户都可以实时调用信息，国际互联网上的用户可以根据自己的权限查询“数字矿山”中的信息。7.服务对象覆盖整个矿山层面，分机构、分密级地为矿山机关、生产单位、科教部门、专业技术人员、普通矿工等提供其所需要的信息服务。5.可以用图形、图像、图表、文本报告等形式提供服务。6数字矿山基础理论与模型数字矿山基础理论与模型 主要研究内容包括:建立在矿山科学技术、信息科学和计算科学等学科研究的基础上，将矿山系统作为一个有机整体，研究矿山多体要素之间的相互联系、相互作用的规律，进而建立矿山系统现象的发生、发展的地学模型、物质模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型等。2.2 数字矿山的理论框架、模型数字矿山的理论框架、模型2.2 数字矿山的理论框架、模型7数字矿山技术支撑系统数字矿山技术支撑系统 主要研究内容包括:数据采集、存储、传输、处理和显示技术，构建宽带数据网，建立国家空间数据基础设施，发展超 级计算机、大容量时空数据存储、管理、模拟仿真和虚拟现 实、显示等。数字矿山系统工程是在上述理论研究和技术支 撑体系的共同支持下，通过软件开发和硬件集成，建立可行 的、分布式和开放的网络信息系统，为我国矿山资源合理开 采、合理利用、环境保护、减灾防灾、矿山安全、管理决策 和矿山科学技术研究服务。数字矿山技术支撑系统8原型原型 是指研究对象的实体。以煤矿为例，数字矿山原型也称数字矿山原型也称为矿山系统为矿山系统，主要由煤矿地质、井田开拓、井巷掘进与支护、采煤方法、机械电器、提升运输、矿井通风与安全、矿井生产系统、露天开采和煤的地下气化等子系统组成。煤矿的生产建设一般要经过地质勘探、矿井设计、建井、开采、提升运输以及加工洗选等多个程序组成，而开采是其中心环节。上述内容便构成了数字矿山的原型，其主要研究内容有矿山系统物质组成、矿山系统动力学特征、矿山系统工程活动效应、矿山系统资源特征和环境变化及灾害规律、矿山系统经济活动响应、矿山系统科学技术，以及矿山系统管理决策等。数字矿山系统构成课件9 数字矿山的物质模型数字矿山的物质模型 是数字矿山的重要组成部分，其主要研究内容由矿山系统的形态和规模、地质勘探、矿井设计、建井、开采、机械、电器、安全以及加工洗选等几个程序组成，而矿山开采是其物质模型的中心环节。围绕着数字矿山物质模型的几何学、运动学和动力学特征，数字矿山力学模型主要有数字矿山多体系统力学、非完整系统力学、变质量系统力学、碰撞系统力学、破坏系统力学、流体系统力学、极端系统力学和爆炸(发)系统力学等。10 数字矿山数学模型数字矿山数学模型（1 1）计算应用学科）计算应用学科 围绕数字矿山建立数学模型，包括数字矿山的数论分析、数字矿山动力系统的稳定性、数字矿山的自适应以及矿山的排队论研究等。（2 2）计算方法）计算方法 计算方法的研究将沿统一算法研究趋势发展，这与以往算法研究问题越来越细、范围越来越窄的趋势相反。这种研究将借助于更新的数学理论工具，高性能计算机和设计与结构优化紧密结合将是新一代算法的显著特点。（3 3）科学可视化）科学可视化 数字矿山的科学可视化是将科学计算的数值结果转化为图形、图像以及动画在计算机屏幕上显示，它帮助人们更好地观察及理解科学计算的结果及发现研究对象的规律。科学可视化依赖于计算几何、数值逼近等，它的实现离不开先进的计算方法、图形运算和高速计算机。数字矿山数学模型11 数字矿山信息模型数字矿山信息模型是依附于矿山系统能量流、物质流和人流而存在的，它是时空变化、特征和运动状态的表征与认识，是对矿山系统信息的机理、信息产生、信息获取和处理方法以及信息传播规律等进行研究。具体来说，它是从研究矿山系统信息机理入手，从信息流的角度，探讨矿山系统信息的结构和性质、矿山系统信息的认识和分类、矿山系统信息的获取与处理和应用基础理论等，其主要研究其主要研究内容内容包括矿山系统的物质流和能量流、矿山系统的信息模型、矿山空间的认知模型与信息图谱、矿山空间场的信息特征和矿山系统的全息信息与记忆信息模型。12数字矿山的信息技术体系数字矿山的信息技术体系 研究包括:矿山中各种信息的动态获取与实时更新技术、数据处理与信息提取技术、空间数据仓库、空间建模技术、虚拟仿真技术、决策模型、网络技术等。对这些技术体系及其相互集成方式的研究，是数字矿山实现的关键。2.3 数字矿山信息技术系统数字矿山信息技术系统2.3 数字矿山信息技术系统13数字矿山空间信息的本质特征数字矿山空间信息的本质特征 区域空间上的分布性，它具有明显的地理参考，可以根据行政区划、自然地理区域、坐标系统、地名、地址或数码来识别。数字矿山空间信息的另一重要特征是基础性和综合性矿山信息渗透、分布到矿山的不同部门和多种科学技术中，这些部门根据各自的需求收集、保存、更新、维护属于自己范围内的数据。数字矿山空间信息的本质特征14 矿山空间信息的基础性、区域性、共享性、综合性和分布性，使得它有别于其它任何信息。处理矿山信息涉及到广泛的学科和技术，同时也涉及最前沿的信息技术。矿山信息是数字矿山的重要基础信息，是矿山信息系统和矿山信息基础设施的重要组成部分。其研究内容主要包括矿山信息基础设施、Internet与Web、下一代Intenet、通信网的新发展、矿山空间信息基础设施、矿山空间数据基础设施、矿山空间数据及其标准、空间信息框架、空间信息基础设施的体系结构和矿山空间信息基础设施规划等。数据标准化和元数据控制技术包括系统维护、标准与互操作规范、相关法规等，是数字矿山正常运行的重要保障。矿山空间信息的基础性、区域性、共享性、综合性和分布性，15数字矿山信息获取数字矿山信息获取 主要内容包括数据采集、存储、传输、处理和显示等技术，以及构建宽带数据网、建立矿山空间数据基础设施、发展超级计算机和大容量时空数据存储及其管理。要应用现代信息技术及高科技手段，从时空维或更高维尺度对整个矿山综合体进行监控，以触发机制解决数据的动态获取和更新。数字矿山系统构成课件16 数字矿山是一个复杂、开放的巨系统，是由数据采集系统、计算机处理与存储系统、高速通讯信息网络子系统、各部分或数据库与Web GIS,Com GIS组成的子系统、各处有关设备子系统，以及研究、开发与用户等人员子系统共同组成的一个庞大、复杂的技术系统。数字矿山是对矿山系统的数字化或信息化的表达。从拓扑的信息交互看，数字矿山系统与人的脑神经有相似之处，和生态系统、人类社会系统一样具有自组织功能，包括自调控、自适应、自发展(进化与遗传)等生命系统的特征。17 数字矿山要管理海量的空间数据和属性数据及其它数据，由于存储容量的限制，在集中存储与管理的基础上，可能需要适量分散以提高存取及更新的速度;但分散存储和建库的方法存在安全性差、数据兼容性及标准化困难等局限，需要做大量的研究及规范化工作。因而，数字矿山的建设需要大力数字矿山的建设需要大力发展数据存储和数据仓库技术发展数据存储和数据仓库技术。要使数字矿山中大量的数据有用，在基本数据分析处理的基础上，还需要采用现代科学方法进行挖掘，并提取可用的、相关的信息。这些都要借助数据挖掘及信息提取体系。数字矿山系统构成课件18数字矿山模拟仿真与虚拟现实数字矿山模拟仿真与虚拟现实 主要研究内容包括:矿山系统模拟的非线性和复杂性，矿山系统模式的提出、模式的检验、模式的组装、预报的可行性，数字矿山无级比例尺数据管理技术，多种数据的融合技术，数字矿山的虚拟与仿真技术，虚拟矿山系统的关键理论、系统模型，虚拟现实技术的发展，虚拟现实系统的类型和构成，GIS与虚拟现实技术相结合建立“数字矿山”，以及“数字矿山”数据模型与数据结构等。数字矿山辅助决策技术数字矿山辅助决策技术 在各种数据库和模型的支持下，利用定性定量方法和决策理论，形成动态实时的辅助决策方案。数字矿山模拟仿真与虚拟现实 19数字矿山数据标准化数字矿山数据标准化数字矿山信息处理标准化数字矿山信息处理标准化数字矿山系统构建标准化数字矿山系统构建标准化数字矿山管理标准化数字矿山管理标准化2.4 数字矿山标准化建设数字矿山标准化建设数字矿山数据标准化数字矿山信息处理标准化数字矿山系统构建标准20数字矿山数据标准化数字矿山数据标准化 是在对矿山的数据资源的属性特征进行分析的基础上，研究数字矿山信息体系、信息分类编码、数据质量和控制等标准化的理论、方法、内容等。包括包括3 3类标准类标准（1 1）数字矿山信息指标体系标准）数字矿山信息指标体系标准 它是指一定范围内所有信息的标准按其内在联系所组成的科学、有机的整体，具有目标性、集合性、可分解性、相关性、适应性和整体性等特征。在管理层次和管理部门众多的情况下，只有统一和规范指标体系，才能使各系统、各行业和各个层次开发和实施的信息系统能够实现数据和信息的兼容与共享。数字矿山系统构成课件21（2 2）信息分类编码标准）信息分类编码标准 信息分类编码是对一些常用的、重要的数据元素进行分类和代码化。信息的分类与取值是否科学、合理直接关系到信息处理、检索和传输的自动化水平与效率，信息代码是否规范、标准影响和决定了信息的交流与共享等性能。（3 3）数据控制和质量标准）数据控制和质量标准 包括空间数据质量标准，空间数据质量控制的内容、方法、质量评价过程的标准，旨在为数据生产者提供质量控制的依据，以便生产出合格的空间数据;为用户提供质量评价的方法和要求，以便对数据的应用价值做出客观的评价。数字矿山系统构成课件22数字矿山信息处理标准化数字矿山信息处理标准化 是在数字矿山业务模型研究的基础上，引用和建立信息系统开发、信息交换接口、空间数据转化等的规范和标准体系。它包括制定下述标准规范数字矿山系统构成课件23（1 1）信息系统开发标准）信息系统开发标准 主要指在系统开发中应遵守统一的系统设计规范、程序开发规范和项目管理规范。（2 2）信息交换接口标准）信息交换接口标准 即对信息系统内部和信息系统之间各种软件和硬件的接口与联系方式以及信息系统输入和输出的格式制定规范和标准，包括网络的互联标准和通信协议、异种数据库的数据交换格式、不同信息系统之间数据的转换方式等。（3 3）空间数据转换格式标准）空间数据转换格式标准 该标准应能使国内自主研制以及引进的主要商品化GIS软件数据实现无损失的相互转换。数字矿山系统构成课件24数字矿山系统构建标准化数字矿山系统构建标准化 就是要建立数字矿山系统平台的软硬件、网络和数据库管理系统的标准体系。软件环境标准化包括数字矿山工程的软件环境、网络的结构和连接方式、系统的安全和保密等。硬件环境标准化包括数据的采集、数字化、处理、输出、交换等硬件设施。数据库标准包括数据库命名、设计、查询、联接等规范。数字矿山系统构成课件25 标准化管理标准化管理 即在系统开发和建设过程中对系统内部的各个技术环节提出相应的标准化原则和要求，制定并贯彻执行相应的各级标准，使得数字矿山的设计、开发和应用工作有一个共同的依据和约束。它的建设内容包括制定下述标准规范。数字矿山系统构成课件26（1 1）管理规定标准）管理规定标准 数字矿山标准体系编写的基本规定、原则与方法，以及有关符号、代码、术语等的编写规定。（2 2）方法标准）方法标准 标准化的规则，以及数据元、文件格式和其它各类信息的表示方法、规则。（3 3）术语标准）术语标准 数字矿山涉及各领域的专业术语、词汇、软件工程术语的界定和规范。（4 4）管理办法标准）管理办法标准 数字矿山的标准管理办法、有关机构的职能等。（1）管理规定标准 272.5.1 2.5.1 数字矿山的功能数字矿山的功能 数字矿山数字矿山不仅仅看成是建立一批数据库，或一个矿山地理矿山地理信息系统信息系统，或3S3S技术技术在矿山的应用。数字矿山是以计算机及其网络为手段，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工，并应用于各个生产环节与管理和决策之中。只具有存储、传输和表述功能的“数字矿山”是不会给矿山企业带来多大效益的。试想，数字矿山是建立了一个较完善的地理信息系统，在屏幕上地图上查询到大量的信息；为矿山建立三维虚拟现实模型，可以“驱车”遍游整个采场；建立高精度数字监测系统，建立数据库把监测数据存储起来。这些都是很有用的。然而，如果就停留在这一步，而开采方案的设计和执行与过去没有两样采方案的设计和执行与过去没有两样，能产生多大效益、提高多少生产率是不言而喻的。2.5 数字矿山的系统构成数字矿山的系统构成2.5.1 数字矿山的功能2.5 数字矿山的系统构成28 因此，数字矿山的功能数字矿山的功能必须从对矿山数据的存储、传输和表述向更深层次延展，包括各个层次的更实质性的应用，特别是作用于生产过程的直接应用。只有这样，我们才能从数字矿山得到可观的回报。纵观矿业发达国家的实践，数字矿山的主要功能可以归纳为以下几点：(1)(1)数据的获取、存储、传输和表述数据的获取、存储、传输和表述 利用现代技术(如RS,GPS等)获取更具时效性、更准确的有关数据，对矿区的空间、属性和管理数据实现全方位的存储、管理和限定的传输，并能够根据数据的性质和需要提供各种必要的表述形式。29(2)(2)矿山生产与经营决策优化矿山生产与经营决策优化 数字矿山应该使分析、预测和优化方法走出书本，在矿山生产方案确定、参数选取与经营决策中发挥尽可能大的作用。发达国家的实践表明，生产优化与科学决策能够创造巨大的经济效益，尽管这样的效益大都是隐形的。(3)(3)设计、计划和生产计算机化设计、计划和生产计算机化 所有生产中的设计和计划工作(包括把方案优化解转化为可执行方案)在计算机上完成；实现主要生产设备运营的计算机调度等。(4)(4)生产工艺流程和设备的自动控制生产工艺流程和设备的自动控制 、选厂工艺流程自动控制；设备远程操作或全自动驾驶；全自动机器人化验室等。数字矿山系统构成课件302.5.2 2.5.2 数字矿山的系统结构层次数字矿山的系统结构层次数字矿山自下而上可分为以下七个主层次：(1)(1)基础数据层基础数据层 即数据获取与存储层。数据获取包括利用各种技术手段获取各种形式的数据及其预处理；数据存储包括各类数据库、数据文件、图形文件库等。该层为后续各层提供部分或全部输入数据。(2)(2)模型层模型层 即表述层。如空间和矿物属性的三维和二维块状模型、矿区地质模型、采场模型、地理信息系统模型、虚拟现实动化模型等。该层不仅将数据加工为直观、形象的表述形式，而且为优化、模拟与设计提供输入。2.5.2 数字矿山的系统结构层次数字矿山自下而上可分为以下31(3)(3)模拟与优化层模拟与优化层 如工艺流程模拟、参数优化、设计与计划方案优化等。(4)(4)设计层设计层 即计算机辅助设计层。该层为把优化解转化为可执行方案或直接进行方案设计提供手段。(5)(5)执行与控制层执行与控制层 如自动调度、流程参数自动监测与控制、远程操作等。该层是生产方案的执行者。(6)(6)管理层管理层 包括MIS与办公自动化。(7)(7)决策支持层决策支持层 依据各种信息和以上各层提供的数据加工成果，进行相关分析与预测，为决策者提供各个层次的决策支持。(3)模拟与优化层 322.5.3 2.5.3 数字矿山的系统组成数字矿山的系统组成 按功能划分，数字矿山包括六大类系统：数据获取与管理系统、数字开采系统、矿区地理信息系统、选矿数字监控系统、管理系统、决策支持系统。其中数字开采系统是核心系统，也是效率和效益的主要创造者。国际上有名的矿山专业软件公司都把开发重点放在这一系统上。各系统的组成和功能简述如下：（1 1）数据获取与管理系统）数据获取与管理系统 利用各种技术手段(如RS,GPS,常规测量、取样化验等)，获取各种形式的空间与属性信息，对信息进行必要的预处理(如图形和资料的数字化或矢量化、影像判读、坐标转换、数据集成等)，建立数据库，对数据进行存储和管理。该系统的软件主要包括 若若 干干 信信 息息 预预 处处 理理 软软 件件 包包 和和 数数 据据 库库 及及 其其 管管 理理 软软 件件 系系 统统。2.5.3 数字矿山的系统组成 按功能划分，数字矿山包括六33 （2 2）数字开采系统）数字开采系统 完成与开采各工序直接相关的所有工作，它有以下几个分系统组成：1)1)矿床模型系矿床模型系 建立有关矿岩属性的空间数字模型。就形式而言，可以是块 状模型、线框模型或实体造型。对矿山生产最重要的是品位模型、杂质含量模型及价值模型，它们是矿岩圈定、矿量品位计算和设计、计划的基础。国际上使用最多的是三维块状模型，因为大部分优化算法以此为基础。这一模型现阶段的主要数据来源是钻孔、探槽和炮孔取样。2)2)地质模型系统地质模型系统 其功能是根据钻探或遥感、遥测信息建立矿床地质构造模型，如断层、破碎带、岩性、构造等，现阶段以线框模型居多。数字矿山系统构成课件34 3)3)优化与模拟系统优化与模拟系统 该系统应用优化算法和计算机模拟，对重要参数和方案进行优化和评价。包括若干个相对独立的单功能软件包，如最终境界的优化；生产能力的优化；基于配矿和经济效益的采剥(掘)计划的优化；最佳工业品位的动态优化；矿量品位最优估算；调度优化；排岩优化;采矿方法参数优化；选矿工艺参量优化；设备更新寿命优化；系统模拟等。4)4)辅助设计系辅助设计系 其功能是通过与使用者的交互，将优化系统产生的方案优化结果加工为可执行的方案，或在没有优化的情况下独自形成方案。就生产矿山而言，该系统是地测、计划和采矿工程师的笔、纸、求积仪和计算器。地测验收、爆区设计、开采和推进计划、生产勘探、贮量和各级矿量计算等各项工作，以及工作中涉及的矿量、品位计算和出图，都在该系统上完成。该系统要有高度灵活、方便的人机交互界面，将各项工作有机结合的高度系统性，和尽可能高的自动化程度，使原来手工需几天完成的一个方案在几分钟内即可完成。3)优化与模拟系统 355)5)调度系统调度系统 其功能是基于计算机、GPS,无线通讯技术实现开采运输的自动、优化调度。通过降低总运输功能和采掘、运输设备的等待时间等，提高采装、运输系统的效率，降低采运成本。调度系统的神经中枢是优化调度软件系统，包括配车线路优化、设备维护优化、调度规则趋优等。数字矿山系统构成课件36（3 3）矿区地理信息系统）矿区地理信息系统 提供矿区及周边近邻地区有关信息资料的存储、查询和表述。根据矿区的特征和需要，系统可能包括:地形地貌、地表与地下重要设施、矿区总图、村镇、环境等。系统通过不同的图层来表述不同类型的信息及其组合，提供方便、快捷的查询、浏览手段，形成地图和查询信息图表等。（4 4）选厂数字监控系统）选厂数字监控系统 主要包括：重要部位的监测；重要设备运行参数的监测;故障预警；对选矿回收率、精矿品位和成本有重要影响而需要精确控制的参数(如流量、浓度、药量等)的监测与自动控制；监测参数的记录、分析和优化。（3）矿区地理信息系统 37（5 5）管理系统）管理系统 该系统是各行各业中信息技术的推广应用最快的领域，如今已具有相当程度的普及。矿山企业的管理系统包括MIS系统(财务管理、人事管理、设备管理、备品备件及耗材管理、能源管理、综合统计、成本核算等)和办公自动化系统。过去这一系统都是客户一服务器形式，近几年大都被基于Web技术的网站形式取代。不少人提出将E RP用于矿山，或为矿山企业开发E RP，称之为“矿山E RP。E RP的核心功能是资源物流计划，最适合于原材料种类和产品规格较多、工艺流程较复杂、原料和中间产品(部件)在各工艺间形成的物流较复杂的企业，如制造企业。矿山企业的特点是：没有主原材料(只有辅助材料)、流程简单(只有采、选，对开采中的各工艺E RP又管不了)、产品单一(原矿或精矿)。因此，E RP最具优势的功能在矿山企业几乎无用。矿山企业管理系统的主要功能仍属MIS和办公自动化的范畴，还是开发适用于矿山企业特点的管理系统为好(如果硬把这样的管理系统叫做“矿山E RP，也未为不可)。（5）管理系统 38（6 6）决策支持系统）决策支持系统 该系统对各种内部信息(包括以上各层提供的数据及其加工成果)和外部信息(主要是市场和政策信息)，进行相关分析、推理和预测，为决策者制定各种生产经营策略提供决策支持，提高决策的时效性和科学性。数字矿山系统构成课件39 数字矿山的系统构成和技术路线如图数字矿山的系统构成和技术路线如图2 21 1、图、图2 22 2所示。所示。图21 数字矿山的系统构成 数字矿山的系统构成和技术路线如图21、图22所示。图40 图22 数字矿山技术路线图图22 数字矿山技术路线图41 谢 谢！谢 谢！42