摘要
本文讲述了东滩煤矿基于三维GIS技术和云计算的可视化矿井综合信息网络三维管理系统的开发与应用，系统以东滩综合信息化建设成果为基础，利用现有相关系统提供的数据接口进行集成，将二维数据转换为三维信息进行可视化集成展示，对于提高煤矿安全生产的管理水平、提高应急情况下的快速反应能力，以及对于提高生产效率、加快企业信息化建设都具有十分重要的意义。
关键词
GIS；云计算；物联网；矿井；三维；管理系统
东滩煤矿安全生产综合信息网络三维管理系统以当前东滩煤矿矿井综合信息化建设情况为基础，结合今后建设数字化、智能化矿山的发展方向，结合最近几年发展成熟起来的物联网、云计算和三维可视化技术而进行建设。系统的实施建设有利于打破专业壁垒，使复杂且专业的二维图形和符号转换为简单直观、清晰易懂、三维形象的立体模型，为煤矿安全生产、应急指挥救援、设备维护管理和人员技术培训等提供了一种更为有效、快捷的手段，对于提高矿井安全生产的管理水平、提高应急情况下的快速反应能力，以及提高生产效率、加快建设数字化、信息化矿山都具有十分重要的意义。
1系统建设目标
东滩煤矿安全生产综合信息网络三维管理系统运用物联网、云计算、三维仿真、RFID、嵌入式、数据库、网络及多媒体等技术，建立三维立体数据平台，为东滩煤矿的生产过程和设备运行提供智能的监控及管理服务。系统建设目标如下。（1）矿区基本三维模型建设：包括地面厂房建筑、地下煤层、岩层、断层、井下巷道、硐室、工作面、钻孔、管道以及生产安全相关的重点设备设施内外部结构等地下要素的动态建模。（2）实现从现有数据库中读取数据自动转换为三维模型：制定针对生成三维模型的地测数据采集标准、制作规范，能够利用软件使数据库中的地测数据自动生成三维地下煤层、岩层、断层、井下巷道模型，实现对井下三维地质结构的任意剖切，一方面以强有力的三维仿真技术辅助井下巷道规划及设计，另一方面使二、三维数据能够同步动态更新。（3）建设地上—井下一体化三维仿真展示系统：实现动态交互的东滩煤矿地上、井下的三维浏览，实现对重点设备内部结构、运行状态、温度、震动和润滑数据等的查询和实时监测。同时实现人员安全培训三维仿真展示，能够逼真的模拟井下工作环境，使人员在地面最大限度熟悉井下的巷道、硐室、工作面及相关设备位置情况；实现工艺流程三维仿真模拟，能够模拟采掘--运输--洗选煤过程中的每一个环节，并且可以在三维场景中动态直观地表现物料途经的所有装置。（4）建设三维井下人员、三条生命线（压风管路、供水管路、通讯联络线路）安全管理及应急指挥系统：在三维场景中直观地显示人员分布、数量、下井时间、行进路线、停留位置等情况，使地面人员全方位掌握井下人员的实时情况。并实时对压风管路、供水管路、通讯联络线路这三条生命线的路由、节点、阀、终端等的位置及管路口径变化情况、通信线路容量变化情况进行直观查询，当险情发生时，可以提供救灾物资以及避灾线路的查询与浏览等功能，为各类应急事件提供辅助决策支撑。（5）运维支撑平台：实现各个业务应用系统的用户权限分配管理、登录访问、日志查询、共享服务配置、监控和报警，保证整个平台能够稳定运行。
2系统建设思路
2.1对现有数据进行整合
对东滩矿区地面、井下的多种数据要素的属性及空间信息进行整合，为地形元素、交通设施、植被、建筑、煤层、钻孔、巷道、管道以及生产、安全相关设备等信息进行统一管理提供基础。利用三维仿真技术实现现实世界数字化，将矿区所有的空间信息和业务相关信息都装入计算机，为快速、科学决策提供全面、及时、有效的信息。2.2建立数据标准，自动生成三维数据建立统一的数据采集标准、地测图制作规范，实现矿区地测图自动生成三维巷道模型，从而保证二、三维数据同步更新，进一步减少煤矿在数据维护方面的投入。
2.3煤矿三维数据建模，为三维可视化提供基础
建设东滩矿区现状的地形、地质、工程模型，满足实际使用的要求，这是煤矿信息化管理的基础。利用三维仿真技术将地面建筑、设备、煤层、岩层、断层、钻孔、巷道、管道这些对象表达出来，可以为采矿、测量、检测、分析等工作提供基础。
2.4地面—井下一体化管理
利用三维仿真技术，实现地面--井下一体化三维管理，所见即所得，打破专业与非专业的限制。可使相关领导、不同专业专家和业务人员更加高效、准确的了解现场情况，提高决策速度和质量。
2.5三维显示管理系统
在三维数据中直观地显示人员分布、数量、下井时间、行进路线、停留位置等情况，在地面全方位掌握井下人员实时情况。能够对井下三条生命线（压风管路、供水管路、通讯联络线路）路由、节点、阀、终端的位置进行查询、管路口径变化情况及通信线路容量变化情况进行直观查询。建立应急指挥系统及应急处理预案，为领导处理矿井突发事件时提供快速、直观的辅助决策。
2.6建立重点设备库，并集成监测数据
将三维设备模型与设备台账进行关联，实现重点设备的内部结构查看，运行、停止状态的监测。并将最新的监测、监控数据实时加入三维系统中，动态而且直观的反映现场设备设施的运行情况。如：皮带机和地面通风机主要部件的温度、振动、润滑信息进行监测，从而为安全应急事件与设备日常维护及管理提供辅助决策支撑。
3总体框架设计
系统总体设计坚持数据、管理、服务、应用相分离的架构思想，在保持灵活性和扩展性的前提下，整个系统采用了以VRMap为基础的三维仿真网络应用解决方案为总体框架，综合应用物联网、云计算、三维仿真、RFID、嵌入式、数据库、网络及多媒体等技术，以计算机网络和硬件平台为依托，以国家政策、法规和相关行业标准为保障，建设三维信息共享服务平台，在此基础上进行业务系统的建设。数据层利用大型关系型数据库存储、管理三维空间数据，作为上层应用的数据基础。服务层采用云计算技术通过三维数据共享服务接口提供三维空间数据服务，实现各类三维数据的网络。应用层整合服务层提供的三维数据服务，在网络数据的基础上，根据具体业务需要，划分阶段逐步实现各个方面的业务需求，实现井下数据自动建模系统、三维仿真展示系统、三维井下人员、三条生命线安全管理及应急指挥系统、重点设备管理系统等。
4系统建设内容
项目研究建设的内容主要是基于东滩综合信息化建设的成果，利用现有地测、人员定位、矿井综合信息化相关等系统提供的数据、接口进行集成，并将二维数据转换为三维信息进行可视化集成展示。
4.1业务应用系统
（1）灵图三维地图平台软件。（2）巷道三维数据建模。制定针对生成三维模型的地测数据采集标准、制作规范，将井下相关二维数据自动生成三维井下巷道、钻孔、管道等模型、建立拓扑关系，使二、三维数据同步更新。（3）三维地测自动建模系统。将龙软地测数据库中井下巷道、硐室、工作面二维数据自动生成三维数据，建立井下巷道、硐室、工作面三维模型。对井下重要场所（井底车场、副井下口等）、工作岗点（运搬调车室、变电所、皮带控制硐室、给煤机岗点、主井装载硐室等）、巷道等有内部虚拟展示。（4）三维虚拟展示及模拟培训系统。系统能展示矿井生产实时工况，对主副井、煤流系统皮带、采煤工作面三机及综掘迎头掘进机等运行情况应和井下生产实际工况一致，并能接入现有工作点实时视频。（5）三维井下人员定位、安全监测、三条生命线安全管理及调度应急指挥系统。（6）三维井下人员定位。集成现有KJ251人员定位系统数据，在三维系统中直观地显示人员分布、数量、上下井时间、行进路线、停留位置等情况。系统调用现有人员定位系统中的人员信息数据，并与人员定位数据保持一致，自动更新，避免了重复性维护。（7）三维安全信息综合监测。系统应能与安全生产实时监测系统实现无缝连接，实时读取该系统的监测数据，系统不得影响安全生产实时监测系统的稳定性和数据准确性。在本系统中应实现对井下瓦斯、一氧化碳、温度、风速、风压、风门、主要设备开停状态实时监测，使显示结果更加直观和便捷，并能对监测点及监测项目进行模糊查询及快速定位。（8）三维三条生命线。建立压风管路、供水管路、通讯联络线路的三维模型，对井下三条生命线进行直观查询，主要包括：能够对相关管路、线缆路由、节点、阀门、终端设备进行定位及相关属性进行信息查询；能够结合通讯联络系统的数据信息，对通信线路容量情况进行查询。
4.2运维支撑系统
实现各个业务应用系统的用户权限分配管理、登录访问、日志查询、共享服务配置、监控和报警，保证整个平台能够稳定运行。
4.3数据维护管理系统
基于平台数据库的管理系统，对东滩煤矿三维空间基础信息数据进行更新、维护及日常管理，为空间信息应用接口提供数据支持与保障，其数据维护管理权限由运维管理系统统一分配。
4.4地面三维数据建模
采场地上60km2建模，包括厂房建筑、地面建筑、地面管线、道路等的全角度拍照、电子纹理的处理加工及三维模型制作。
5创新点
系统的技术研发是以真实的矿井为原型，结合具有精确坐标和空间信息的交互式人机环境，对矿井生产设计及安全监测监控，进行数字化再现、统一表达分析与辅助决策的综合平台系统。该系统有利于在处理矿井复杂系统问题时帮助人们更好地建立直观感和全局观念，形成群策群力的协同调度机制。同时搭建了设计与生产，安全与决策，安全与人之间的桥梁；最大限度地挖掘和发挥矿井数据的潜能和作用，并贯穿于煤矿规划、安全管理与生产模拟的全过程，对保障东滩煤矿的科学发展与现代管理具有积极意义。系统成果在东滩煤矿得到了应用，并实现了以下创新。（1）该项目的设计和研发创造性地利用计算机虚拟仿真技术的优点，采用空间融合技术，结合煤矿安全生产特殊性的专业化要求，成功解决了矿井安全生产管理仅停留在二维信息的层面，以及决策与信息不对称，数据信息共享性差等难题。做到了对复杂系统关键数据的“精确”表达。（2）在平台开发的基础上，深化了设计与分析的功能应用，如：二、三维地质数据自动更新、巷道延伸与采空区积水区关联报警、场景定位、任意空间点测距等分析工具，为矿井安全生产的管理及灾害预警与防控提供更科学的手段和有力的辅助决策支持。与传统的二维方式相比，对灾变救援和应急指挥的信息支持更强大。（3）在技术方面，通过可视化图形技术、数据融合技术的研究，创造了直观表达、灵活互动、有效沟通的信息呈现方式。在矿井生产及安全管理信息共享与高效协同层面，提供了在设计论证、整合调度与分析决策上的支持。
6同类技术对比情况
与传统的二维制图软件CAD等软件相比，三维虚拟展示系统有其独特的优势。三维虚拟展示系统因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维能提供更多信息，能表现更多的空间关系。目前的三维GIS基础软件功能还不够完善，因此本系统采用二维GIS平台（龙软地测空间管理系统）和三维可视化软件（灵图VRMap）相结合的方式开发应用系统，推进三维GIS技术在东滩煤矿的应用深度。通过整合龙软二维地测系统的数据实现在数据模型、数据结构上的一致，实现二、三维地测数据的动态实时更新，即同样的数据在两套软件中均可管理更新，但只需更新一次，不仅减少了数据冗余，而且减少了二、三维数据更新维护的代价。通过集成现有的视频监控系统、生产工况实时监测系统、安全生产实时监测系统等生产系统，实现对井上下视频、井下瓦斯、一氧化碳、温度、风速、风压、风门、主要设备开停状态实时监测，使显示结果更加直观和便捷，并能对监测点及监测项目进行模糊查询及快速定位。方便快速定位。
7结束语
与传统的二维制图软件CAD等软件相比，三维虚拟展示系统有其独特的优势。三维虚拟展示系统因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维能提供更多信息，能表现更多的空间关系，更加便于相关工作人员了解掌握矿井生产和经营情况。同时提高了安全生产的管理水平，真正实现安全生产信息化化管理与现代化管理，极大的减少了东滩煤矿的安全生产管理费用。
作者：刘增宝 边红星 孟德茂 潘泽栋 单位：兖州煤业股份有限公司东滩煤矿
参考文献：
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