地理信息系统在智慧矿山中的应用研究.pdf

2023年8月下 世界有色金属23Computer automation计算机自动化地理信息系统在智慧矿山中的应用研究孙移嘉（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 7 4 1 0 0 0）摘 要：随着现代社会不断创新发展，各种先进技术在矿山行业中得到广泛应用与研究，并在实际工作中良好的应用效果，进一步推动了我国建设智慧矿山运行体系的建设。其中，地理信息系统在智慧矿山体系建设中，具有十分显著的积极作用，能够在资源管理、矿山工作规划、系统设计以及工程地质等工作中有效应用。基于地理信息系统能够对矿山资源以及周围环境生态信息进行全面有效地采集整合、储存管理、应用分析等，从而构建出矿山信息数据库以及软件综合管理系统，为矿山综合管理工作提供良好的基础保障。基于此，本文首先对地理信息系统以及智慧矿山的基础概念进行阐述，随后分析地理信息系统在智慧矿山中的特点和功能，以此探究地理信息系统在智慧矿山中的具体应用情况，以供参考。关键词：智慧矿山；地理信息系统；应用中图分类分：P 2 0 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 6-0 0 2 3-3Research on the application of geographic information system in smart minesSUNYi-jia(S a n h e D i g i t a l S u r v e y i n g a n d Ma p p i n g G e o g r a p h i c I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y C o.,L t d.,T i a n s h u i 7 4 1 0 0 0,C h i n a)Abstract:Wi t h t h e c o n t i n u o u s i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f mo d e r n s o c i e t y,v a r i o u s a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s h a v e b e e n w i d e l y u s e d a n d r e s e a r c h e d i n t h e mi n i n g i n d u s t r y,a n d h a v e b e e n w e l l a p p l i e d i n p r a c t i c a l w o r k,w h i c h h a s f u r t h e r p r o mo t e d t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e i n t e l l i g e n t mi n e o p e r a t i o n s y s t e m i n C h i n a.A mo n g t h e m,g e o g r a p h i c i n f o r ma t i o n s y s t e m h a s a v e r y s i g n i f i c a n t p o s i t i v e r o l e i n t h e c o n s t r u c t i o n o f s ma r t mi n e s y s t e m,a n d c a n b e e f f e c t i v e l y a p p l i e d i n r e s o u r c e ma n a g e me n t,mi n e w o r k p l a n n i n g,s y s t e m d e s i g n a n d e n g i n e e r i n g g e o l o g y.B a s e d o n g e o g r a p h i c i n f o r ma t i o n s y s t e m,i t c a n c o l l e c t a n d i n t e g r a t e,s t o r e a n d ma n a g e,a p p l y a n d a n a l y z e t h e e c o l o g i c a l i n f o r ma t i o n o f mi n e r e s o u r c e s a n d s u r r o u n d i n g e n v i r o n me n t c o mp r e h e n s i v e l y a n d e f f e c t i v e l y,s o a s t o b u i l d a mi n e i n f o r ma t i o n d a t a b a s e a n d s o f t w a r e i n t e g r a t e d ma n a g e me n t s y s t e m,w h i c h p r o v i d e s a g o o d b a s i c g u a r a n t e e f o r t h e c o mp r e h e n s i v e ma n a g e me n t o f mi n e.B a s e d o n t h i s,t h i s p a p e r f i r s t e x p o u n d s t h e b a s i c c o n c e p t s o f G I S a n d s ma r t mi n e,a n d t h e n a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d f u n c t i o n s o f G I S i n s ma r t mi n e,s o a s t o e x p l o r e t h e s p e c i f i c a p p l i c a t i o n o f G I S i n s ma r t mi n e f o r r e f e r e n c e.Keywords:s ma r t mi n e;g e o g r a p h i c i n f o r ma t i o n s y s t e m;a p p l i c a t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 6作者简介：孙移嘉，男，生于1 9 8 8 年，汉族，甘肃定西人，本科，工程师，研究方向：国土空间规划，地理信息系统，自然资源调查。矿产资源是我国社会建设与经济发展中十分重要的自然能源之一，对我国整体发展进程具有直接的影响作用。新时代发展背景中，构建智慧矿山已经成为矿产企业必然发展趋势。而智慧矿山属于一种数字化发展概念，即智能化、科学化，通俗来讲，就是借助现代化技术建立的矿山管理与开采系统，帮助企业提高经营效益。智慧矿山是现阶段大多数矿产企业主要发展目标，通过智慧矿山能够大幅度提高矿山管理的信息化水平，从而提高矿产开采效率和管理质量，对现代矿产企业发展具有十分显著的现实意义。1 地理信息系统概述地理信息系统又可以称为GIS技术，在矿山系统建设中具有十分重要的积极作用。地理信息系统的基础运行原理就是基于遥感技术和摄影技术对地理信息进行全面的收集整理，基于计算机技术对收集的信息数据进行计算分析，进而得到更加全面精准的矿产工程资料信息，以此为后续工程开展提供良好的数据保障。地理信息系统的功能包括基础数据的采集、空间数据的管理、空间信息的分析、分析数据的输出等，基于这些功能能够实现对原始数据的检索与分析，同时能够进行空间叠加系统分析，以此对各物体属性进行统计研究。地理信息系统在智慧矿山中应用能够分成两大类，分别是以多元信息集成为主和以多元信息分析为主的系统。通过这两项分类功能实现对矿山区域数据信息的全面系统整合计算，为矿山开采与管理提供精准真实的数据支持。2 智慧矿山内涵分析智慧矿山的概念很早就被人们提出，并将其定位为能够对矿区生产、职业健康、生产安全、技术保障、后勤管理等环节进行自我智能管理以及分析预测的无人矿山系统。智慧矿山概念的本质就是保证矿产生产的高效化、绿色化、安全化以及科学化等。而智慧矿山发展时间相对较晚，因此其内涵和概念仍处于不断升级调整的过程，在与计算、大数据以及物联网等先进技术不断趋于成熟的发展背景下，智慧矿山的内涵与功能也得到进一步优化升级。传统智慧矿山更侧重于生产技术维度的智能化，即对生产技术和设备进行科学化建设，这种发展模式下，矿山各生产环节主要依靠智能化设备与机器系统进行生产运行，以此保证整个运行环节的高效性与高质量性1。从矿山管理角度分析，想要保障各生产环节的协调运行发展，则需要保证矿山管理的智能化与智慧世界有色金属2023年8月下24Computer automation 计算机自动化化，且从实际发展角度考虑，管理工作已经成为影响智慧矿山发展的重要因素之一。因此，将地理信息系统应用到智慧矿山建设中具有十分明显的作用。GIS技术的应用不仅能够对矿山生产管理系统进行优化建设，同时能够对矿山测量以及地面控制等环节提供有力支持，以此为后续建设工作提供指导帮助。3 地理信息系统在智慧矿山中的特点与功能3.1 地理信息系统的特点矿山地理定位新消息是地理信息系统中的基础数据信息，利用矿山数据信息能够构建立体空间模型，矿山数据包括测量资料、地形图、土地利用图、矿井对照图、挖掘工程图、矿山建筑图以及矿床产状图等。其数据存储形式包括表格、文字、图片等，又可以称为静态数据源。矿山生产过程中会产生大量的动态化数据信息，并且在矿山生产与管理过程中不断更新产生，因此称为动态数据源。这些数据信息具有以下特点，多源性。主要是指数据信息的来源不同、载体不同以及领域不同。时空性，数据信息具有四维属性，包括几何和属性等信息，且在生产过程中不断变化更新。多时段性。矿山数据信息覆盖了智慧矿山运行的全过程。不确定性。各种环境、资源以及空间等数据信息具有一定的模糊性和不确定性。3.2 地理信息系统的功能地理信息系统在智慧矿山建设过程中应用需要具有多功能的特点，基于虚拟现实、云计算、可视化、物联网、数据采矿、空间分析等现代化技术对矿山工程进行综合管理，包括矿产评估、矿区规划、工程设计、生产安全保障、发展决策管理等，通过仿真模拟手段能够使得矿产企业大幅度提高综合管理效率。地理信息系统具有以下功能：对矿区经济、社会环境、地区资源等时空信息数据进行收集整理、分析规划、计算应用等2。对矿区环境进行实时监测。对矿井设计、生产管理等进行辅助，同时对矿山防灾救灾进行指挥。利用遥感技术对矿山综合信息进行全面评估，以此为基础制定可持续发展规划，保证矿区稳定安全生产。利用可视化技术以及3D建模等技术进行动态仿真模拟，以此对矿山开采活动对周围环境造成的影响和干扰进行预测分析。4 地理信息系统在智慧矿山中的具体应用分析4.1 系统总体需求利用地理信息系统、大数据以及物联网等技术对矿山信息进行全面系统的调查整合，包括地质勘测、矿产开采、井下作业、机械设备、交通运输等方面的信息，将矿山3D立体空间结构信息作为主要依据，设计出科学化的智慧化矿山数据仓库。利用云计算、人工智能、虚拟现实等技术，进行矿山信息的空间属性分析、数据深入挖掘、知识系统探索等功能，以此建设出以矿山数据为中心的智慧化矿山服务系统，将矿山工程中各项子系统进行有效联结，实现数据资源的统一化、调度工作的标准化、监控管理的便捷化，从而为矿山工程规划等部门的工作提供有力支持3。进一步降低矿山工程运行审查生产成本，实现降本增效的目的，同时推动智慧矿山系统进步发展。4.2 协同管理系统协同化管理是智慧矿山系统能正常稳定运行的核心，因此需要应用到协同管理系统。协同地理信息系统在应用过程中需要具有高效化、灵活化、并行化的夜店，能够做到实时交互、同步协调管理控制。协同管理系统注重于面向对象的多用户综合管理，以此保证利益相关者以及专业管理人员之间的协调与有效互动。现阶段，协同管理系统在矿山数据生产、电子政务、资源信息管理、灾害应急响应、水文气象调查以及空间模型仿真等环节中得到良好应用。在智慧矿山系统中，协同管理系统的对象主要主旨矿山的地理信息，在网络化技术的支持下实现各种管理操作以及协同任务，针对矿山地理信息的特征，以及管理过程中容易发生的问题，建设出现代化智慧矿山地理信息协同管理体系。具体功能如下：服务协作层，在协作管理系统中提供数据信息的读写功能，其中包括检索服务、地图服务以及协作服务。数据层，对矿山全部数据信息进行统一管理与存储。应用层，提供各专业系统对数据信息的交接端口，利用应用层能够实现各部门的UI交互，从而在实际生产过程中实现对数据信息的综合管控。4.3 系统需要解决的问题建设大型的数据信息集市，将矿山工程中的各项业务系统进行统一管理，保证各子系统之间能够进行数据链接、信息互通以及跨系统操作，从而建设出以数据驱动为核心的矿山安全系统模型。矿山GIS技术与虚拟现实技术联动的问题。通过弥补技术对数据信息和技术设计之间的差异问题进行有效填补，从而保证设计部门设计的系统和模型能够得到有效应用，防止出现数据资源更新难度较大的问题。通过工业数据融合技术以及仿真模拟技术建立矿山实时数据资源库，对国内外各种先进的优秀数据库产品进行合理应用，基于矿山自身发展进行改进开发，从而保证数据库系统能够适应智慧矿山运行需求，实现和各系统之间的有效对接4。通过对子系统的运行融合，能够作为监督管理以及集成控制的统一化，在规范化的矿山视图下对生产环节中的各项参数数据进行查看分析，进而解决传统的调度系统中存在的画面单一、多屏切换、现实感低下、数据滞后等问题，不仅降低了人力和物力资源的投入，提高了综合管理效率。此外，还需要利用GIS系统具备实时定位的特点，保证监控管理具有真实精准的信息支持，能够在三维空间系统中快速确定事故发生点位，同时对周围环境进行及时感知。4.4 给排水设计系统地理信息系统在智慧矿山中应用还包括给排水系统的设计。功能模块需要具备以下几项功能：内部具有也有完整的图形符号资源库，能够实现图形符号的有效管理。能够和裁决设计以及地质勘测等系统图之间进行有效联动，实现动态化管理。能够直接进行数据文件编辑管理，进行设备设施选型计算以及平差计算等操作，依据数据库资源以及系统图进行管道与管件的型号选择设计、复杂管网的平差计算、水泵最佳选择计算、设备系统管道统计、泵房或水泵的2023年8月下 世界有色金属25Computer automation计算机自动化工况计算等，依据计算结果对图形信息进行自动更新5。具备完善健全的排水设备以及管网系统的参数信息库，排水设备包括管件、水泵、消防设施、闸阀门以及其他设备等，以此实现参数化高效管理。4.5 矿井电源系统矿井内外环境的配电系统包括低压供电系统以及高压供电系统，因此在设计过程中需要区分开来，注意电气设备的具体分布情况。基于地理信息系统能够得到矿井配电系统的数据信息库，以此进行数据信息的修改、存储、计算、标注以及调用等，其中供电计算包括电压损失计算、负荷统计计算、灵敏度计算、短路电流计算等。以此生成统计信息表，形式包括数据、图形和表格等，最后汇总集合成为供电系统设计报告。矿井配电系统图的具体功能包括整定计算、供电制图、图库管理、设备型号选择以及数据库管理等模块，具体情况如下：供电制图，设有基础绘图、图框设置、电缆绘制、电缆操作、图例管理、井下图库、信息表格自动生成等功能。设备型号选择，对变压器装置、开关装置、电缆材料、电动机装置以及各种电气元件等型号进行选择，同时对负荷情况进行统计，对短路电流、损失电压、长时载流、启动电压损失等进行计算。开关整定，其中主要为保护模块，包括对馈电系统、移变高低压侧、启动器、配电箱、综合保护系统高以及组合开关等系统结构的保护。4.6 地质模型可视化能够实现矿区底层建模、采空区域建模、第四系建模、工作面建模、构件建模、钻孔建模、含水层建模、积水区建模以及巷道结构建模等，与地理信息系统之间进行有效对接，从而生成全面精准的三维动态模型，同时能够执行剖析和数据查询等功能6。随着矿山开采工作不断深入进行，地质信息也会发生变化，地理信息系统能够对二维化的GIS系统信息进行实时有效的处理，以此对断层、老巷道、陷落区域、矿物资源层、瓦斯与水层、老巷等空间位置进行控制，实时进行数据信息的增删改查等操作，比如对采空区域的模型进行修改、对地质模型进行优化、对航道的拓扑关系进行错误纠正等，从而实现对数据信息的自动化更新。4.7 动态可视化应急预案基于地理信息系统中的空间拓扑分析功能，结合矿山应急事故应急方案，在三维环境中制定巷道，并在其上设计相关点，对模拟类型进行明确，以此模拟矿山突发事件的避灾救灾线路图，实现动态化的现实分析。利用VRGIS技术实现虚拟现实模拟，以此对矿山资源开采原理以及具体流程进行模拟展示，将矿山数据资源进行集成管理，进而实现矿井展示和设计的同步化管理，利用FDO技术对设计、检测以及展示等环节进行一体化变动，从而使得各系统之间的数据链接与共享不仅局限在接口级，能够与外界自动化系统以及政府部门推行的六大安全系统的数据库之间进行有效连接，实现数据信息共享范围的进一步扩大。同时，将六大安全系统与矿山三维可视化系统连接，实现多元化管理，包括二维管理、三维模拟、音频与视频管理、数据检测、系统联动等，最终实现动态化的应急救灾系统，以保证智慧矿山系统的有效性。4.8 矿山三维漫游状态查看基于三维数据模型，能够实现多角度的动态监督管理，包括宏观角度以及微观角度的生产安全管理，进而实现对矿井下环境的道路、工业建筑物、主要航道、植被、回采作业面等的漫游管理；同时将矿产资源开采设备、综合挖掘以及运输设备等进行动画化显示7。矿山资源、主要巷道以及工业广场等地能够实现三维的可视化叠加，从而形成全面的矿井三维视图，以此对矿井上下环境进行对照分析。4.9 生产调度指挥生产调度指挥主要是指将调度、指挥、信息、通信等功能聚集于一身的信息化管理模块。系统能够实现对矿山日常生产调度、报表、图纸以及台账等信息档案的综合管理，以此保证矿山生产与综合管理工作中各部门之间能够实现有效的数据资源共享。在突发事故或者日常生产环节中，利用生产调度指挥系统实现对矿山环境的实时监控，为决策人员提供有力支持，保证决策的效率性与精准性，进一步加强矿山生产的安全性与稳定性。生产调度指挥系统能够完成以下需求：技术矿山数据信息构成综合调度管理平台，对矿山生产调度情况、安全监测信息以及生产过程监控等信息进行展示、从而全面反映出矿山企业运行过程中的综合情况。对矿井中人员定位信息、监控信息等进行实时调取，基于WebGIS技术进行可视化展示，从而快速查找到监测物的实际位置，周围工况以及报警点的具体位置，从而为调度指挥人员提供有力支持8。将井下运输、电源系统、通风系统、综合开采系统以及排水系统等进行全面监控，以此形成集成化调度信息平台。系统课余信息平台之间进行联动，将会议消息、生产消息、警报提示等内容以短信形式发送给相关管理人员，以此满足智慧矿山智能化、便捷化的发展需求。5 结论综上所述，将地理信息系统应用到智慧矿山中，能够大幅度提高矿山生产以及环境管理效果，同时保证生产效率和质量，降低了人工投入成本。在现代化社会发展背景中，信息化建设已经成为必然发展趋势，利用地理信息系统能够推动矿山行业的进步发展，向着智慧化、科学化以及安全化的方向稳定发展。1唐凝,赵琛.智慧矿山GIS模型的创建与应用J.能源与环保,2021,43(6):192-196.2杨祯.智慧矿山GIS模型创建与应用J.四川建材,2022,48(4):47-48.3胡耀元.基于BIM+GIS的智慧矿山建设体系构建研究D.西安科技大学,2020.4罗发明,高中文,陶歆贵.露天矿山测绘地理信息系统的建立研究与实践J.铜业工程,2018(04):14-16.5郑磊.基于三维GIS的矿山计量管理系统J.无线互联科技,2020,17(5):34-36+54.6黄智煌,邬娜,仇巍巍.基于3DGIS和物联网的智慧矿山三维可视化系统设计与实现J.自然资源信息化,2022(2):50-56.7戚雪松.探析测绘遥感技术和地理信息系统在矿山地质勘测中的应用J.西 部 资 源,2022(01):95-97.DOI:10.16631/15-1331/p.2022.01.006.8侯雪.测绘地理信息在智慧矿山发展中应用研究J.世界有色金属,2022(8):31-33.