数字矿山及智能化系统教材课件

第一部分 数字矿山的一些概念 第二部分 通信系统概述 第三部分 煤矿安全监控系统李季春李季春20102010年年6 6月月煤矿通信及安全监控系统煤矿通信及安全监控系统1数字矿山的基本特征与关键技术数字矿山的基本特征与关键技术n 采矿业是以自然资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段，信息化程度很低。综观历史，采矿业曾受到大大小小技术进步的巨大冲击。如今，数字地球（Digital Earth,DE）和数字中国（Digital China,DC）的钟声，已经和正在惊醒一代采矿人。2数字矿山的基本特征与关键技术数字矿山的基本特征与关键技术n一、数字矿山及其战略意义n国际动态 加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划：即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿；3数字矿山及其战略意义数字矿山及其战略意义n芬兰采矿工业也于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题；瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划。4数字矿山及其战略意义数字矿山及其战略意义n 中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人（MR）、矿山地理信息系统（MGIS）、三维地学模拟（3DGM）、矿山虚拟现实（MVR）、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究。5数字矿山及其战略意义数字矿山及其战略意义n 随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策和3DGM的应用，国际上一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿区）已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理与遥控指挥系统。6数字矿山及其战略意义数字矿山及其战略意义n 此外，专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、GPS技术、并行计算技术、射频识别技术以及面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在智能矿山地质勘探调查与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与控制、矿山灾害遥感预报等研究领域得到应用。7数字矿山原型：遥控采矿数字矿山原型：遥控采矿 n国 际 著 名 矿 山 企 业 加 拿 大 国 际 镍 公 司（Inco）从20世纪90年代初开始研究遥控采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作。Inco公司给遥控采矿下的定义是“利用目前最先进的技术，包括地下通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统，去操纵采矿设备与采矿系统。”遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破、自动装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等，其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统（要求达到mm级）。8数字矿山原型：遥控采矿数字矿山原型：遥控采矿 基于遥控采矿的技术特点，设想未来的数字矿山的原形系统：n远距离高速通讯网络n地面控制中心（OA+MGIS）n无人采矿设备n井上/下自动定位与导航n采矿模拟与分析系统n数据采集与快速更新系统n决策与仿真控制系统n 工况动态监测与实时反馈9中国矿山面临的挑战中国矿山面临的挑战n近年，中国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不乐观。总体来看，中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软”领域，与发达采矿国家的差距越来越大。中国矿山既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和综合利用，更没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施（Mine Infrastructure）。10数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n基于DM的定义，主流意见认为，DM应具有以下六大特征：以高速企业网为“路网”、以采矿CAD（MCAD）、虚拟现实（VR）、仿真（CS）、科学计算（SC）与可视化（VS）为“车辆”、以矿业数据和矿业应用模型为“货物”、以真三维地学模拟（3DGM）和数据挖掘为“包装”、以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障”和以矿山GIS（MGIS）为“调度”。11数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n DM的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率，以至无人采矿和遥控采矿。12数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n 1)以高速企业网为“路网”DM的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础，逐渐建立宽带、高速和双向的通讯网络，确保海量矿山数据在企业内部、省内与省际矿业网络快速传递。同时，还必须与NII（National Information Infrastructure）与DC（Digital Control）建设相协调，以利于矿山产品、经营等社会化信息在Internet上的快速传递，便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。因此，高速企业网技术是关键之一。13数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n2）以MCAD、VM、MS、SC、AI与SV为“车辆”为满足不断扩展的矿山需求，必须开发适合不同用户层次、具有不同功能的矿山应用系统和软件模块，即需要制造多品种、多型号的“车辆”：如采矿CAD、采矿仿真技术、各类科学计算工具（如有限元、离散元、边界元和有限差分模型等）和3D可视化工具等。随计算机性能的不断提高和并行计算技术的采用，矿山业主和技术人员不仅可以对采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与虚拟分析，而且可对矿工进行虚拟岗前培训，提高矿工的安全意识、防灾减灾能力和作业工作效率。14数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n3)以矿业数据和应用模型为“货物”n DM的核心是数据仓库。DM数据仓库由两部分组成，就象人的左右心室：一侧为数据仓库，管理海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息；另一侧为模型仓库，管理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、瓦斯聚集模型、涌水计算等。数据仓库所管理的海量数据与模型仓库所管理的矿业模型，就是可以被各类“车辆”在DM“路网”上运输的数字“货物”。15数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n 4）以3DGM和数据挖掘为“包装”为满足不同用户和不同目的的需要，必须对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型进行相应“包装”处理，即进行数据与模型的过滤和重组。三维地学模拟（3DGM）是DM的技术核心之一。它是基于钻孔资料、地震资料、开挖设计数据及各类物探、化探资料，来建立矿山井田、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3D模型。在此基础上进行矿床地质条件评估、地质构造预测、精细地学参量半定量分析、深部成矿定位预测、矿产资储量管理、经济可采性评估、开拓设计、支护设计和风险评估等，从而辅助矿山决策，确保矿山工程的科学、可靠与安全。16数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n数据挖掘是利用基于知识的工程（KBE）技术和人工智能，从DM中的海量矿山数据中为用户挖掘有用数据、获取决策信息，以及建立求解各类具体工程、生产、管理与经营等问题的应用模型，是DM的实用化工具。只有当DM能够方便、快速地从其数据仓库中提取用户所需的显式数据与模型，智能、快速地从其数据仓库中重新组织并产生用户所需的隐式数据与模型的能力时，DM的海量矿山信息才能被未经过特别培训的用户和各业务部门所共享。17数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n 5)以多源异质矿业数据采集与更新为“保障”nDM必须以测量（遥感RS、全球定位系统GPS、数字摄影测量DP、常规地面测量NS和井下测量US等）、勘探（钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、传感（指各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备/仪器采集系统，如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动监测、机械信号与故障传感、工业电视等）和文档录入（法规、法令、文件、档案、统计数据等）为综合手段，来建立精确、动态和全面的矿山综合信息采集与数据更新系统。18数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征 只有实现了矿业综合数据的动态采集与快速更新，才能为动态时效的3DGM与MGIS提供数据粮食，为遥控采矿或无人采矿提供信息保障。此外，还要在3DGM的基础上，基于统一的时空参照、元数据和编码，根据需要将上述多源异质数据进行有选择的融合和分类，形成无缝无斥的数据组织。19数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n5)以MGIS为“调度”nDM是以MGIS作为矿山整体信息与办公决策的公共载体和总“调度”。在统一的时空间参照下进行采矿动态组织与管理，并调度和控制各类“车辆”与设备的使用和运行、“货物”的制造、管理与包装等系统功能。面向21世纪DM的MGIS系统应该是一个能为采矿业提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化、分析与决策支持的复杂巨系统。20数字矿山的基本特征数字矿山的基本特征n它允许在2D或3D TIN表面上叠加影像、图片、测量数据、地震资料、纹理及其它数据。它应具有3DGM整合、3D空间网络分析、多目标决策分析、飞行模拟等基本功能，并实现以下应用功能：辅助勘探、交互式采矿设计与规划、实时开采模拟、作业安排与监测、资源动态管理、地质统计、地下水模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、支持复垦规划、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等。21数字矿山的基本框架数字矿山的基本框架nDM应是一个层次结构。结构一：DM按数据流和功能流，由外向里分别为采集系统、调度系统、功能系统、包装系统、核心系统共5部分。n1)采集系统：负责数据采集与处理，包括测量、勘探、传感和文档4类基础数据采集子系统；n2)调度系统：指MGIS，负责提供拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出等GIS基本功能，并进行数据访问控制、开放接口和生产调度与指挥管理；22数字矿山的基本框架数字矿山的基本框架n3)功能系统：负责提供各类专业模拟与分析功能，包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV等；n4）包装系统：负责提供3D空间建模工具和多源异质矿山数据的空间融合环境和数据过滤、组合与封装机制，包括3DGM和数据挖掘工具；n5）核心系统：负责统一管理数据和模型，由时空数据仓库和应用模型库两个子系统组成。23数字矿山的基本框架数字矿山的基本框架n还有一种划分层次的方法，更加直接和易于理解：还有一种划分层次的方法，更加直接和易于理解：n数字矿山自下而上可分为以下七个主层次：n(1)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。n(2)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。24数字矿山的基本框架数字矿山的基本框架n(3)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。n(4)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。n(5)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。n(6)管理层。包括MIS与办公自动化。n(7)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。25DM的关键技术的关键技术 n基于DM的定义、内涵、特征与基本框架需要围绕以下九项关键技术进行研究和攻关：26DM的关键技术的关键技术 n1）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，为统一管理和共享数据，必须研究一种新型的数据仓库技术，包括矿山数据组织、分类编码、元数据标准、高效检索、快速更新与分布式管理等；27DM的关键技术的关键技术 n2）矿山数据挖掘技术：由于矿山空间信息的上述特点，为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息、发掘隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测等，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；28DM的关键技术的关键技术 n3）真3DGM与可视化技术：只有集钻孔、物探、测量、传感等数据于一体进行真3D地学模拟，并实现动态数据维护（局部快速更新、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的、实时的3D可视化再现、模拟与分析；29DM的关键技术的关键技术 n4）矿山3D拓扑技术：矿山信息的拓扑查询、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3D实体的属性、几何与拓扑数据的统一组织为基础，因此，必须立足矿山3D数据的矢栅集成，解决矿山3D拓扑描述、表达、组织与维护这一技术难题；30DM的关键技术的关键技术 n5）应用软件与相关模型：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，必须研制为满足不同需求、提供不同服务的多品种、多型号、多功能、组件式“车辆”；31DM的关键技术的关键技术 n6）地下快速定位与自动导航技术：基于GPS的地面快速定位与自动导航问题已基本解决，而在卫星信号不能到达的地下矿井，除传统的陀螺定向与初露端倪的影像匹配之外，尚没有满足矿山工程精度与作业速度要求的地下快速定位与自动导航的理论、技术与仪器；32DM的关键技术的关键技术 n7）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，并以多媒体的形式进行地面-井下双向、无线传输，是有待研究解决的关键技术；33DM的关键技术的关键技术 n8）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“人”的概念，要从整体采矿设备整体与全作业流程的自动控制、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”；34DM的关键技术的关键技术 n9）矿山GIS、OA、CDS三位一体技术：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MGIS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（OA）和指挥调度系统（CDS），真正做到数据融合、流程匹配与组织协调。35DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n近几年来，数字矿山一直是国内的热门研究课题，取得了一批研究成果。以神华、首钢为代表的一批煤矿、非煤矿山也进行了有益的实践。相关设备的研制也有了一定进展，但主要集中在网络构建及通信方面。36DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n数字矿山通用功能划分模型 37DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n数字矿山通用功能划分模型 38DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n煤炭井工矿井综合自动化系统：n将数字矿山网络分为办公信息网和矿区生产网两部分，并实现相互安全分区隔离，为煤炭企业构建坚实网络基础平台。n矿区生产网直接承载了煤炭生产调度、瓦斯监控、井下生产人员安全管理、风机监控等关键业务，任意一个环节出现问题，都可能导致爆炸、塌方、渗水等致命事故。因此，安全性、可靠性设计是矿区生产网最核心的内容。39DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n典型矿区生产网方案40DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n为保障生产网的安全，生产网全部采用高可靠光纤环网技术，以避免强电磁环境的干扰。考虑到井下工作环境的恶劣性，井下设备选择具有防尘、防爆特性的第三方工业以太网交换机；而井上生产网设备可完全采用商用设备，以降低组网成本和维护成本。n由于矿区生产网事关煤炭企业生产运营以及井下人员生命安全，因此，生产网内只允许少数合法用户具有网络接入和业务系统访问权限，生产网与办公信息网之间要通过防火墙设备实现安全隔离。在此基础上，生产网用户可正常访问信息网资源，但与Internet隔离，避免互联网病毒和黑客的入侵，而信息网只有特定用户可通过防火墙访问部分生产网数据。41DM在国内的一些实践在国内的一些实践：42DM在国内的一些实践在国内的一些实践：n地质信息系统 43中国工程院院士于润沧谈数字化矿山中国工程院院士于润沧谈数字化矿山的三个阶段：的三个阶段：n数字化矿山现在是一个热门话题，国家科技部的中长期科学发展规划里边也有了这样的内容。但是到目前为止，关于数字化矿山还没有一个准确的定义。综合国外矿山信息化建设的各种战略设想，还有一些学者对数字化矿山的理解，将数字化矿山分为三个层次。44中国工程院院士于润沧谈数字化矿山中国工程院院士于润沧谈数字化矿山的三个阶段：的三个阶段：n第一个层次是矿山数字化信息管理系统。第二个阶段是虚拟矿山，是把真实矿山的整体以及和它相关的现象整合起来，以数字的形式表现出来，从而了解整个矿山动态的运作和发展情况。第三个阶段是远程遥控和自动化采矿的阶段。n总体来讲，数字化矿山就是矿山地面和井下的、人类从事矿产资源开采的各种动态、静态的信息都能够数字化，而且用计算机网络来管理，同时利用空间技术、自动定位和导航技术实现远程遥控和自动化采矿。45中国工程院院士于润沧谈数字化矿山中国工程院院士于润沧谈数字化矿山的三个阶段：的三个阶段：n数字化矿山是矿业发展的一个目标，而不是一个具体的工程。n有专家这样预测，再过25年到30年，就会出现整个矿山实现远程遥控和自动化采矿。这大概就是真正的数字化矿山。我国现在已经有一些比较现代化的矿山，在做初级阶段的工作。有些科研单位也在研究第二阶段的虚拟矿山的工作。从我们国家的情况来看，第三个层次的工作基本上还没有开始，但是也有的企业提出来希望要做。46中国工程院院士于润沧谈数字化矿山中国工程院院士于润沧谈数字化矿山的三个阶段：的三个阶段：n于院士认为，还是从建立安全监控系统，开采方案决策优化系统以及生产调度系统等方面入手，向数字化矿山方向发展。这是比较现实的，也是能够很快收到实效的。47煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n个人理解，数字矿山在目前阶段仍处于探索、研究、发展阶段，代表了一种方向，国内已经宣称已经实现的数字矿山建设，与理想模型仍有差距。而设计规范本身的规定，是基于现实可行的实用技术，对煤矿建设作出的一般规定。具有普遍的指导意义。48煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.1 一般规定n12.1.1 矿井智能化系统的装备标准，应根据矿井设计能力、开采技术条件、机械化装备水平及智能化技术发展水平等因素，经综合分析论证合理确定。n12.1.2 矿井智能化系统必须以保障生产安全为原则，以提高生产效率、保证产品质量、改善劳动条件、提高经济效益为目的，采用行之有效、质量可靠的先进技术和设备。n12.1.3 矿井安全、生产监控系统宜与计算机管理系统分别组网，并实现网络之间的通信。条件允许时，可实行上述系统的一体化集成。49煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.2 安全、生产监控及自动化系统n12.2.1 矿井生产系统自动化及安全、生产监控系统，应以采煤、掘进、提升、通风、运输、排水、地面生产系统等矿井主要生产和辅助生产系统为重点，因地制宜合理确定其自动化水平和监控范围，并应符合下列规定：1 主要生产和辅助生产系统均应分别具体情况，对单机、生产环节或系统采用半自动化、自动化、集中监测和控制；2 大型矿井和条件适宜的中型矿井应建立全矿井安全生产监控系统。50煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.2.4 宜在下列场所设置工业电视摄像设备：1 井底车场；2 主井装卸载点；3 副井井口房；4 井下主胶带输送机机头；5 综采工作面；6 地面产系统主要环节；7 其他需要设置工业视摄像设备的场所。51煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.2.5依据现行国家标准火灾自动报警系统设计规范规定，应在相关场所设置火灾自动报警系统。条件许可时，宜与安全、生产监控系统联网。52煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.3 计算机管理系统n12.3.1 计算机管理系统应以综合管理信息系统为核心，实现各子系统间信息相互传输，实现矿井办公自动化。n12.3.3 计算机管理系统应包括信息管理系统、综合决策支持系统、物业管理系统。n12.3.4 新建矿井应组建计算机局域网，实现全矿井资源的共享。n12.3.5 矿井局域网应根据矿区的总体规划设计，实现与矿区计算机网络联网。有条件的矿井，宜构建宽带网接入。矿井局域网的接入方式可视具体情况确定。53煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.4 通 信n12.4.1 矿井行政电话和生产调度电话宜分别设置。行政电话交换设备和矿井生产调度电话总机应选用程控数字交换设备，当选用矿用程控数字调度交换机时，矿井行政电话和生产调度电话可合用交换机。n12.4.2 行政电话交换设备对矿区中继线数量宜按行政电话交换设备容量的510配置。54煤炭工业矿井设计规范中煤炭工业矿井设计规范中智能化系统的有关规定智能化系统的有关规定 n12.5 信 号n12.5.1 提升信号系统，应符合下列规定：n12.5.2 罐笼及箕斗提升信号，应符合下列规定：n12.5.3 斜井串车双钩提升的工作信号应为转发式。当升降人员时，必须在运行途中任何地点都有向绞车司机发送紧急信号的装置。n12.5.7 矿井地面生产系统集中控制装置，应设有声光兼备的启动预告信号。n12.5.8 新建和扩建的矿井井底车场和运输大巷，当在同一水平同时行驶3台及以上机车时，应设置信号联锁装置。n12.5.9 井下采用无轨胶轮车运输时，对运输繁忙的区段，应设置交通运输信号装置。55