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三维可视化在煤矿安全中的研究与应用刘洋（国能数智科技开发【北京】有限公司，北京1 0 0 0 1 0）摘要：煤矿安全是国家能源安全的重要保障,对国家经济的建设与发展有着极为重要的影响，因此国家对于煤矿开采的安全性有着极高的要求。当前,随着科学技术的不断发展和进步，煤矿开采技术也取得了一定程度的提升和改进。智能化、信息化不断发展，与煤矿生产相互融合，使煤矿的科学发展开始大步前进，近些年煤矿三维可视化、智能化尤为突出。本文主要介绍三维可视化在煤矿安全中的应用。关键词：煤矿；安全生产；三维可视化；应用中图分类号：F406.3;TD67文献标识码：B文章编号：1 0 0 8-0 1 55(2 0 2 3)1 0-0 1 0 3-0 3三维可视化是将计算机三维技术运用于煤矿生产领域的一种新兴技术，以丰富的资源信息和逼真的效果模拟为基础，实现对煤矿生产、安全等各方面场景的构建和交互。通过引人三维可视化技术，实现在虚拟场景中对井下采掘、通风、机电、运输等重要环节进行三维可视化仿真分析研究和模拟训练，为煤矿的安全作业、灾害的防治预警、调度应急指挥等方面提供信息支撑。煤矿生产涉及诸多学科，如采掘、运输、通风、机电、应急指挥、调度、安全管理等1 1 个专业。各煤矿的生产都十分关注煤矿的安全生产管理，随着近些年计算机技术的不断发展，三维可视化也逐步开始应用到煤矿的安全生产中，并取得了不错的效果。三维可视化技术可以构建虚拟现实场景，能够对矿井的空间环境和生产设备及设施进行模拟展示，对井下作业人员进行定位及可视化管理，通过安全规范的培训及煤矿应急预案等方式，提高煤矿工作人员的安全意识和处理突发事件的能力。通过虚拟现实技术将生产作业的全过程展示在用户面前，利用交互功能将生产过程中涉及的各个要素连接起来,并通过一定的算法将各种信息联动融合，从而实现对煤矿安全生产的可视化管理。三维可视化技术能够直观、立体地展示井下各种道的布置情况，便于管理者对不同道施工进度和施工情况进行全方位的监督和管理，同时也为管理者提供了决策依据，能够及时发现作业过程中存在的问题并予以整改，避免生产事故的发生。煤矿的安全生产需要有可靠的数据支撑系统和预警机制。三维可视化技术能够将煤矿的生产情况以数据形式展现出来，加以数据的分析判断，为管理层及生产层提供可靠的信息保障。在煤矿的生产过程中，要想实现有效的安全防范与保障，必须保证现场环境和信息的真实可靠，才能为安全生产提供必要的支撑。1三维可视化在煤矿安全生产管理中的应用现状煤矿安全事故时有发生，安全生产问题始终是煤矿发展过程中面临的最大难题。早期为应对煤矿的安全问题，大部分煤矿通过现场巡查以及日常监管的方式，排查安全隐患。通过分析国内外煤矿安全事故的成因以及应急处理方式，对煤矿的管理人员、井下的实施人员进行安全常规培训,这种方式虽有一定成效，但效率低下。近年来,互联网技术的兴起，使诸多的煤矿安全系统在煤矿安全管理中得以应用，但存在的问题颇多。例如，应用于煤矿安全生产的管理系统较多，各系统采集数据的种类繁多，系统数据的标准、度量方式等不尽相同，且涉及的领域较为广泛,如测量、采掘、机电、运输、通风等。各业务系统之间独立运行，造成了各信息系统的信息孤岛；多数系统数据采用人工方式进行数据的处理、归类，造成生产效率低下、易出现差错及数据造假等问题，不利于管理层对煤矿安全生产隐患的筛查与管理 1-3随着计算机网络技术的发展和煤矿安全管理需求的提升，数字化、智能化逐渐成为煤炭企业提高管理水平和经济效益的重要手段。三维可视化技术逐步应用于煤矿的安全生产领域，为实现井下安全、高效的生产提供了更好的基础。通过应用三维可视化技术，可以全面了解地质状况、构造特征、生产系统的详细情况。特别是对于煤矿的开采环境，能实现对整个煤矿生产过程直观、动态、全方位的展示，对于煤矿安全隐患的排查、确认隐患的位置、整改留痕方面有着重要意义。三维可视化平台通过对井下采掘工作面全方位、无死103角的实时监控，利用平台直观展现工作面各主要设备的运行情况，对设备故障的排查、井下安全操作的监控、故障的分析等方面提供可靠的保障。对可视化平台所采集的数据进行自动化、可视化的处理，配套平台推演算法、煤矿灾害预警及应急预案,在灾害即将发生和发生后的第一时间做出预测和反应。煤矿数据传统共享方式如图1 所示。通风系统机电管理系统地测管理系统人员定位系统危险源管理系统通风数据机电数据地测数据人员定位危险源数据图1 煤矿数据传统共享方式2三维可视化在煤矿安全生产管理中的应用2.1智能安全实时监测煤矿生产中的安全监测三维可视化，是对煤矿进行整体实时的监测，通过对监测数据的采集、分析和处理,及时发现异常信息，采取相应的安全措施，防止事故发生。从煤矿现场实时监测的数据中获得信息，主要来自实时监控系统、安全监测系统、人员定位系统、矿压在线监测系统等。通过对不同类型的系统数据进行阈值设定，设定报警机制及应急预案，对提升安全生产的效率及安全意识有着重要意义。人员定位系统通过利用UWB定位技术对井下人员开展定位、追踪，发生井下危险事故时，地面人员可以通过人员定位技术对被困人员开展救援；矿压系统可以通过顶板、液压支柱等数据监测和模拟数据预测，对井下的安全事故提前预警。煤矿危险源的分类结构如图2 所示 4瓦斯、粉尘、危险物质气体、水顶板冒顶、顶板松软、冲击地压矿井危险源设备损坏、漏设备设施电过载、保护失效人员疏忽、技人为因素术不熟、安全决策失误、操作不规范图2 煤矿危险源的分类结构安全监测系统通过获取数值输人系统数据库，将数据的状态、趋势以曲线或图形方式显示。利用监测点获取的数据进行统计及分析，从中寻找和分析变化的规律,推演发展情况。研究对象一定时间内的数据变动过程，对系统设定的运行逻辑，进行数据分析。例104如，对时间序列的影响因素进行分析，如长期趋势、季节周期因子、不规则变动因子的分析等，可以作为系统判断推演的依据。为提前发现煤矿生产事故和安全事故发生后应急指挥预案提供可靠的数据支撑。2.2煤矿安全可视化的应急指挥三维可视化是将虚拟的物体进行三维建模，然后将三维模型显示在计算机屏幕上，通过计算机将虚拟的物体和现实世界进行模拟和联系，在计算机中展示可以让人们看到整体煤矿场景或者物体。随着我国煤矿开采力度的加大、我国经济的转型，传统的煤矿监控系统已不能满足当前安全生产的要求。三维可视化技术结合计算机仿真技术和视频采集技术，实现了对监控场景的三维立体效果。对实时监控场景展现以及动态显示效果，为煤矿现场管理人员快速提供信息，保障现场指挥决策正确。在矿井灾害发生后，可视化平台可以利用已铺设的专业视频采集设备对地面及井下进行全面实时的视频查看，利用软件中的报警管理模块，对视频图像进行分级管理和存储,并可与地面通信系统实现互联互通。通过对各图像数据进行处理，得到井下和地面信息，使各部门领导及值班人员可以从中得到第一手视频信息及处理情况报告；实现在监控中心通过大屏幕查看现场实时画面以及现场实时信息等功能，为求生救援、应急指挥、事故判断、应急管理、日常演练等方面提供信息支撑 52.3安全操作规程培训煤矿安全生产关乎国家大计。我国矿井存在大量的危险因素，例如瓦斯、水害、火灾等多种煤矿安全事故。在此情况下，对煤矿安全生产知识进行培训显得尤为重要。三维可视化安全操作规程培训系统通过在VR场景中进行虚拟技术的展现,将矿井内存在的危险因素进行真实呈现；通过3D仿真软件对操作规程要素进行设置，将虚拟与现实融合起来；使煤矿职工可以直观了解在矿并内可能发生的各种事故并加以预防，避免事故发生后造成伤害。同时，可通过软件对相关人员的操作规范进行培训。系统可以结合VR虚拟现实技术和3D仿真软件，为煤矿提供一个具有沉浸感的生产环境，使其更加直观、形象、容易接受。同时，还可实现在虚拟场景中对相关知识及操作规程进行培训以及演练。三维可视化矿山安全技术主要针对目前我国煤矿开采中存在的隐患，导致安全事故频繁发生而设计的系统，包括在矿井建设中出现一些事故时，如何有效地预防及处理；通过系统三维可视化矿山安全生产技术，使企业可以在发生事故时准确、快速、高效地制订处理方案并快速有效地实施。3三维可视化在煤矿安全生产管理中的应用优势我国煤矿的安全生产管理一直以来都是重点和难点，随着我国信息化技术的不断发展，三维可视化技术将会成为煤矿安全生产管理的重要手段。通过三维可视化技术，能够让井下作业人员更加直观、清晰地了解井下巷道、设备等各种复杂环境，有效提升安全意识。比如,在井下的巷道中，由于巷道地形复杂，容易出现塌、冒顶等安全隐患，并且还会因人为疏忽而发生许多安全隐患。通过三维可视化技术，对巷道进行三维建模，利用VR设备对其进行仿真模拟。在虚拟环境中，井下巷道、设备等各项数据会以动画的形式出现，可以使井下作业人员更加直观、清晰地了解巷道环境，同时也能将以往无法直观看到的井下气体、矿压等数据展现出来。通过这种方式，可以显著提升井下作业人员的安全意识 6 与传统的煤矿安全系统相比，三维可视化技术通过模拟矿井的实际情况,在虚拟场景中构建出井下环境，并且在场景中添加井下工人工作及行迹过程的动态信息，并为其提供必要的操作方法、注意事项等。通过对井下工人进行实时的培训，可以有效提高工作效率，减少煤矿工人因不规范操作导致的安全事故。4三维可视化技术在煤矿安全生产管理中的发展趋势随着数字化技术的不断发展，三维可视化技术在煤矿安全生产管理中的应用也将会更加广泛。三维可视化技术不仅可以为各业务部门提供直观、形象的决策支持功能，还可以进行实时调度、统计分析和安全预警等功能，便于管理者对矿区各区域进行动态管控。三维可视化技术是在传统GIS系统的基础上开发而成的三维可视化综合信息管理系统平台，其可以帮助煤矿解决以下问题：将煤矿各专业业务系统进行整合与协同工作，实现一体化的综合管理；为用户提供直观、形象、生动的决策支持服务；提高煤炭企业对安全生产工作的认识。随着煤矿安全信息化、智能化的不断提升，将三维可视化技术与物联网、大数据、AI人工智能等多项技术相结合，进一步提升煤矿的安全生产管理水平,为煤矿的安全生产管理带来更多的便利。煤矿安全生产集成管理多源数据融合存储技术，实现数据的共享和综合的分析展示；基于云计算、物联网、三维可视化等新一代信息技术，进行集成应用和开发；采用WebService技术实现对用户服务端数据的访问与分析处理等功能。可广泛应用于安全生产领域，并可与各种行业资源信息相结合，通过对信息系统和业务系统间进行交互处理与管理控制,完成信息化。最后,还可以利用三维可视化技术对矿井机械设备零部件的损坏情况进行识别判断，为煤矿的生产安全提供保障。在数字化时代的背景下，利用三维可视化技术实现井下人员和设备的精确定位，会为煤矿的安全生产带来更大的便利。因此，三维可视化技术在未来有着十分广阔的应用前景。5结语综上所述，在矿山信息化建设过程中，随着信息技术、网络技术以及三维可视化技术的发展，矿山企业的安全生产管理进人了一个新时代，在传统煤矿安全管理模式的基础上，形成了以数据为中心、以应用为驱动、以可视化为核心的“互联网+”煤矿安全生产新模式。煤矿借助三维可视化平台，在实现生产管理信息化、安全生产监督、科学决策等方面具有重要意义。参考文献：1李敬贤，高峰.基于云BIM在煤矿井巷的三维协同设计应用 J.内蒙古煤炭经济，2 0 2 1（1 8）：40-41.2孙树根.煤矿地质灾害救援三维可视化预警系统的设计 J.山东煤炭科技,2 0 2 0,38（1 2)：1 9 2-1 9 4.3申海生.煤矿三维可视化安全生产集成管理平台的设计 J.机械管理开发，2 0 2 0,35（1 1）：2 6 3-2 6 5.4车德福，刘中华，陈凯，基于二三维可视化的煤矿储量管理系统 J.矿山测量,2 0 1 9,47（0 5）：2 3-2 6.5郑凌霄，王飞.基于三维可视化危险源的煤矿风险预控手机管理系统设计J.中国安全生产科学技术,2 0 1 6，12(08):120-124.6马新平.三维可视化钻孔成像技术在煤矿井下钻探中的应用研究 J.河北能源职业技术学院学报，2 0 1 5,1 5(04):68-70+74.作者简介：刘洋（1 9 9 2-），男，内蒙古伊金霍洛旗人，硕士，助理工程师，研究方向：煤矿信息化。105