数字矿山技术.doc

数字矿山技术
信息技术的快速发展和浪潮般的推广应用为矿山企业带来了机遇, 也带来了压力。“ 数字矿山”应运而生并开始提到一些决策者的议事议程。
随着计算机技术、信息技术、通信技术、自动控制技术、3S ( G IS, GPS, RS) 技术、网络技术的发展, 国内众多研究机构和学者对数字矿山建设的关键技术和建设方案从不同角度提出了各自的看法及思路。建立数字矿山既可以实现安全管理的数字化, 为打造本质安全型矿井提供信息保障, 也是实现生产管理的精细化, 为打造高产高效矿井提供决策手段。
数字矿山既不是“数字地球”概念的简单延伸, 也不是普通ERP概念的简单复制,而是一个包含二者部分特性的崭新概念。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,也没有形成“数字矿山”建设规范。
2 数字矿山的定义
数字矿山也称智慧矿山, 是建立在矿山数字化基础上能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务的数字化智慧体。
1) 数字化基础: 已把矿山的所有内容处理成现代计算机可以接受、储存、拷贝、加工和网络传输的数字信息, 并保证信息的完整性。
2 ) 精准适时采集: 能准确地采集到任何地点、任何时间所需要的安全、生产和管理等信息,并保证信息的及时性。
3) 网络化传输: 所有信息包括实时数据、多媒体数据和管理数据可以通过局域网和广域网进行准时、可靠、安全的传输, 必要的数据要保证时钟同步。
4) 规范化集成: 通过标准的数据格式、开放的通信协议和统一的管理规范所定义的数据仓库实现各种应用中信息的互连互通, 确保数据的唯一入口和一致性。
5) 可视化展现: 对于数据仓库中的所有信息和模型均可用四维地理信息系统技术、虚拟现实技术、模拟仿真技术、多媒体技术和可视化分析技术进行表达和展现, 实现透明管理。
6) 自动化操作: 对于主要生产执行环节、监听监视环节、时限性强、准确度高的环节以及环境恶劣、易疲劳环节实现操作自动化或无人化。
7) 智能化服务: 在一些诸如危险辨识、灾害预警、事故报警、方案设计、计划编制、过程控制、经济分析、调度优化等方面提供智能化工具和综合决策支持, 最大限度地降低脑力劳动强度, 避免人为决策失误。
8) 数字化智慧体有2层含义: 1 通过数字化再造使整个矿山具有自我分析能力和决策能力, 使矿山的人、机、环境处在高度协调的统一体中运行; 2通过不断地收集、学习和浓缩相关专家的最新知识, 使数字矿山的神经中枢具有众多专家集体决策的能力。
5 数字矿山研发进展
随着计算机网络技术的发展和众多硬件厂商的努力, 数字矿山的网络平台和有关硬件的研究已经取得了长足进展, 无论是技术还是应用都已经基本成熟。众所周知, 数字矿山软件系统的技术关键是先进的理念、科学的模型和快速的计算机算法, 通过众多学者的研究, 已经突破了包括三维精细化快速建模, 矿体圈定和精细储量评价, 各种矿图的自动生成, 矿山四维地理信息系统技术规范建设, 矿山灾害仿真、预警和事故预测预报, 专业系统分析等一系列理论难题。
3) 我国矿山信息化程度低, 目前应该投入大量的人力、物力、财力在全国大力进行数字矿山建设, 尽快地把我国的矿山建设成数字矿山, 化解矿山开采过程中的高风险、高危害因素, 落实我国资源开发政策, 力保使我国资源开发进入可持续发展的良性轨道, 从而提高我国矿山在国际上的竞争力。
4) 信息技术在我国矿山企业的应用现状
数字矿山是信息技术在矿山企业的应用程度的集中体现。建设数字矿山, 必须立足现状, 有目标、有步骤地推进。因此, 有必要对信息技术在我国矿山企业的应用现状进行实事求是的定位, 对我们现在处在通向数字矿山道路的什么阶段有一个清醒的认识。从上个世纪80 年代中期起, 计算机在我国矿山开始得到应用, 经过学术界与工业界近20 年的努力, 取得了不小进展。许多以前需要纯人工完成的工作, 如文字处理、报表生成、财务管理、绘图等, 如今已不同程度地在计算机上完成; 一些矿业公司和矿山企业建成了局域网; 不同规模的管理信息系统的应用较为普遍, 并开始向更高层次升级。然而, 从发挥的效用看, 信息技术在我国矿山企业的应用还十分有限, 概括起来有以下主要特点:( 1) 应用的广度和深度处于初级阶段。虽然计算机及外围辅助设备不断更新, 系统软件和常用的平台软件大都是最新版本, 但应用的广度和深度仍处于初级阶段。例如, 在管理方面, 计算机与网络主要用于财务、生产台帐、综合统计、报表生成等, 以及这些工作中的数据传输; 在矿体圈定、矿量品位计算及生产计划等与矿山生产直接相关的领域, 计算机主要用于模仿手工作业过程, 即使如此, 计算机化的程度也还较低( 不少矿山仍然在图板上完成大部分工作) ; 在选矿方面, 少数矿山安装了简单的监测系统。先进的手段与实践中观念和方法的陈旧之间的矛盾阻碍了信息技术向更广、更深层次的应用推进。( 2) 尚未形成矿用软件的专业开发队伍和适合国情的专业软件产品。简单的办公自动化和管理软件可以交给任何一家软件公司开发, 但深层次应用必需的、直接用于生产过程与技术方案设计的专业软件, 至今没有专业的开发队伍, 没有达到商业化水平、成熟的软件产品。由高等院校和科研院所以合作科研项目形式开发了一些用于矿山生产过程的软件, 但它们大都是针对某个具体问题而开发, 功能专一、零散, 形不成系统, 实用性不强, 大部分只有很短的使用寿命, 有的甚至一开发出来就束之高阁。国外有不少高水平的、功能强大的用于矿山生产的专业软件产品, 但在中国的推广困难重重。除一套完整的进口系统价格昂贵外, 最重要的原因是软件系统中使用的解决问题的理念和方法与我国现行的理念和方法差别太大, 难于应用。凡此种种, 致使适用于我国矿山生产实际的专业软件在低水平上徘徊了若干年后, 许多科研院所和矿山开发的软件出现应用流产, 而后处于近乎停顿不前的状态。( 3) 信息技术的应用所带来的效益甚微。如前所述, 直到今日, 信息技术在矿山企业主要用于对生产过程没有直接影响的浅表外围阵地( 如办公、统计、绘图等) , 再加上体制和高知识层次应用人才缺乏的制约, 致使信息技术带来的效益( 直观效益和隐形效益) 甚微。
矿山资源勘查开发信息化建设是数字矿山建设的核心内容, 而实现矿山资源勘查开发信息化是数字矿山建设的目标。数字矿山建设内容中所包括的运行机制与保障系统、信息技术系统、信息增值服务系统3 个方面, 都与矿山资源勘查开发信息化密切相关。根据信息系统工程原理, 在数字矿山建设中应以整体最优化为基本目标, 整体设计、分步实施、循序渐进, 其中的信息技术系统建设应以主题式矿山地质点源数据库建设为核心, 并且与MIS、DDS、ERP 和OAS 建设密切结合, 抓住几个关键技术和数据标准体系, 实行多S结合与集成。
数字矿山系统研发中的部分关键技术
“数字矿山”是真实矿山整体及其相关现象和生产过程的全面数字化、信息化, 是存储于计算机网络上的、能供多用户访问和应用的一种虚拟矿山.通过“数字矿山” 能使矿山自然地理、生态环境、矿床地质、矿山建设、掘采选冶、决策规划等实现数字化、信息化、网络化和可视化.数字矿山系统开发涉及诸多关键技术。2 .1 　矿山三维可视化建模关键技术
三维模型是数字矿山表达的基本方式, 也是实现数字矿山的关键.矿山三维地质模型是在野外地质勘探和室内地质资料分析的基础上, 利用计算机量化描述地质对象的几何形态、拓扑关系和物性特征等信息.通过对矿山地质对象的一维、二维和三维信息数据综合解释后重构而建立的复杂整体计算机三维模型即为矿山三维地质模型。2 .2 　快速市场响应机制下的动态资源储量估算技术
矿产资源储量估算是矿山矿产勘探各阶段极其重要的工作之一, 资源储量估算的结果是安排矿产勘查计划、矿山开发、生产计划和管理的基础和依据.其工作过程不仅仅限于矿石的资源储量估算, 而且还涉及到矿石质量、矿体形态、规模、复杂程度、工程程度、开采条件及经济价值等问题.因此, 资源储量估算一直被列为地质勘探开发各阶段极其重要的工作中.并且现代矿山生产也迫切需求能适应大规模生产和市场动态变化, 对矿体的矿石量和品级做出快速应变和动态化、自动化管理的资源储量估算方法及软件系统。2 .3 　支持矿山信息化全程计算机辅助的系统集成化技术
对于矿山, 由于问题域的复杂性导致信息化中往往是在勘探、开采设计、矿山生产等环节采用多个不同的软、硬系统, 多种技术综合应用, 如何整体实现信息化是一个难题.进行“多S”的集成, 使各部分有机结合、相互衔接, 数据在系统中流转顺畅、充分共享.这既是矿山工作信息化的基本内容之一, 也是矿山工作信息化的基本标志之一。
建设数字矿山对充分利用开发矿山资源, 化解开采过程中的高危险、高危害因素, 落实我国矿产资源开发政策, 促进矿山科技进步的发展等具有积极重要的意义。通过对数字矿山定义的分析, 阐述了数字矿山的主要特征并据此提出了我国数字矿山建设的主要内容。
数字矿山是未来矿山的发展方向。矿山应根据实际情况, 整体规划矿山的数字化建设, 有重点、分步骤地实施。建立矿山信息管理系统, 为矿山数字化搭建好软硬件网络平台, 实现矿山管理数字化。数字建设涉及到企业的方方面面, 首先是人的思想观念与思维方式的转变, 然后是企业管理体制与管理模式的变革. 企业决策者、管理者和广大工程技术人员要共同参与和积极配合, 才能再创矿山企业辉煌。在数字矿山建设的过程中, 既要从系统的角度去探讨数字矿山的整体功能及其构架, 也应该有侧重的对数字矿山的系统功能内涵及含盖的几个核心技术.
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"尽快进行观念更新"使企业决策者&管理者和广大工程技术人员积极参与和协同配合"3 建设$,$% 加大经费投入$组织科技攻关政府&企业应高度重视和联合投入"通过设立持续稳定的%数字矿山’创新基金来支持"3 创新研究" 组织不同层次& 不同范围的科研攻关与技术推广$,$’ 形成优势合力$稳步健康推进有关高校&院所和矿山企业之间&不同高校和学科之间应优势互补&通力合作"有计划&有步骤地稳步实施"3 战略"力争实现我国矿业生产的跨越式发展"使我国的矿山和矿区逐步走向可持续发展之路$。
DM 的基本组成
􀀁 􀀁 DM 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, DM 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5 部分. 其基本组
成如图1 所示.
( 1) 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) 四大类矿山基础数据.
( 2) 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MGIS, 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GIS 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.
( 3) 应用系统􀀁 即各种专业应用软件的集合, 包括MCAD、
VM、MS、EC、AI 和SV 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.
( 4) 过滤系统􀀁 负责多源异质数据的集成和质量控制, 集成和融合多源异质矿山数据进行3D 空间建
模, 并通过数据过滤与重组机制进行数据挖掘和规律发现.
( 5) 核心系统􀀁 负责统一管理矿山数据和应用模型, 由矿山时空数据仓库和矿业应用模型库两个子系
统组成, 是DM 的心脏或􀀁 油库􀀁.