数字矿山的发展历史、内涵和关键技术

数字矿山的现状与发展 *****  **** *** 引言 21世纪是信息主导的世纪！“数字化生存”已成为知识经济的标志。信息技术迅速发展，给采矿业带来了巨大的冲击。科技进步、矿产资源消费的急剧增长和开采加工难度的日益增大，促使采矿逐渐走向数字化和智能化。早在1998年, 美国前副总统戈尔就提出了数字地球(Digital Earth)的概念，之后1999年召开的首届国际数字地球大会上又提出了数字矿山(Digital Mine)的概念。数字矿山作为信息时代的必然产物, 在矿业中发挥出越来越大的作用, 是矿业发展的目标和方向。 自1999年首届国际数字地球大会上提出了数字矿山(Digital Mine简称DM)概念以来，DM的思想已开始深入人心，DM科学研究与技术攻关已悄然兴起。2001年“国际APCOM”会议上组织了首次“国际DM”主题讨论；2004年4月中国科协青年科学家论坛第86次活动以“数字矿山战略与未来发展”为主题。2006年, 煤炭工业技术委员会和煤矿信息与自动化专业委员会在新疆乌鲁木齐召开了数字化矿山技术研讨会，提出了建设安全、高效、绿色、和谐的新型现代化矿井的目标。由于矿山是一个以资源为开发对象的离散生产系统，因此，数字矿山既不是“数字地球”概念的简单延伸，也不是制造型企业用得非常普遍的企业资源（ERP，Enterprise Resource Planning）概念的简单复制，而是一个包含二者部分特性的新概念。 我国是一个发展中国家，工业化任务尚未完成，对矿业而言，目前尚处于机械化矿山的初级阶段。随着经济全球化以及中国加入WTO，矿产资源的不可再生性以及各国对资源占有的战略性思维，使其迅速成为经济全球化竞争的首要领域。中国矿山企业在获得良好发展机遇的同时，也面临着不可避免的、全面而残酷的竞争。与其他行业一样，国内矿业为了能够抓住机遇，并在激烈竞争中获得生机，必须改变传统的经营管理观念、经营管理方式，积极应用先进适用的信息技术等来改造提升我国的传统矿业的装备、工艺与方法、经营管理方式和手段，使企业决策、生产、经营、管理效率和水平得以较大增长，提高企业的经济效益，实现我国矿业的跨越式发展，从而增强矿业企业的创新能力和国际竞争力，这是建立“数字矿山”的原因和目标。 一、 数字矿山的内涵 “数字化矿山”(Digital Mine)或简称为“数字矿山”，是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是一个“硅质矿山”，是数字矿区和数字矿山的一个重要组成部分。核心是在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织各类矿山信息，将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合。它们利用电子技术与机械技术的结合把工业机器人用于生产,使机械化转向自动化,从而大大提高了生产率,降低了成本,增加了竞争能力。数字矿山的任务是在矿业信息数据仓库的基础上，充分利用现代高科技技术，建立在数字化、信息化、虚拟化、智能化、集成化基础上的，由计算机网络管理的管控一体化系统，综合考虑各种因素，协调并优化企业结构，提高整体效益、市场竞争力和适应能力，最终实现矿山的综合自动化。 著名的矿山工程专家、中国工程院院士于润沧认为：根据矿业发达国家对矿山信息化建设的不同战略设想和不同学者对数字矿山概念的表达，对数字矿山的概念可以表述为由初级到高级的三个层次: 矿山数字化信息系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿。 东北大学吴立新教授采用“五化”来描述数字矿山的发展目标, 即数字化的集成管理和共享利用各类矿山数据与信息资源，可视化的三维模拟和虚拟再现矿山地质采矿环境、过程及其相关现象，仿真化地模拟分析矿山采掘活动、采动影响与灾变过程，智能化地分析提取采动影响规律及环境与工艺参数，自动化地预警矿山灾害和启动安全预案。 二、 数字矿山的目标 我国矿业行业目前仍然处于机械化的初级阶段，与国外矿业相比无论在技术、装备、管理模式、思想观念等方面均具有非常大的差距。作为国民经济的基础产业，国内矿业在经济全球化的现实条件下，为在激烈的全球竞争环境中立于不败之地、获取经济效益和市场竞争力，利用信息技术改造传统矿业，引进和应用先进的网络技术、通讯技术、计算机软硬件技术、自动控制技术及装备等建立起一个数字化的矿山系统，显得更为必要和紧迫。 数字矿山的建设是一个庞大的系统工程，其长期目标是：实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。结合当今世界科技的发展水平及我国矿山现阶段的技术装备与管理水平，在我国数字矿山的建设还要经历一个漫长的过程，因此，总体规划分步实施是我国数字矿山建设的必经之路，就目前而言，我国数字矿山建设的具体目标: 1) 采用成熟的计算机软件系统，实现从矿山资源、开采方案优化、设计、生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化； 2) 建立以光纤、泄漏电缆或无线通讯为主体的多媒体通讯网络，形成语音、视频与数据同网传输的网络体系，实现矿山数据的分布式共享； 3) 采用先进传感器网络技术，实现矿山生产过程、设备、安全与开采环境监控等数据的自动采集、智能分析与可视化处理； 4) 采用工业以太网、PLC智能控制及视频监视系统，实现对矿井提升、运输、通风、排水等系统及设备的智能化集中监控； 5) 采用先进的生产管理系统，实现矿山生产人员与移动设备的定位、跟踪及生产过程智能化调度与控制，全面提升矿山的生产管理与决策的科学性。 三、 数字矿山建设的框架即内容 1. 数字矿山基本框架 数字矿山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，数字矿山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。其基本组成如下图1所示。 图1 数字矿山的基本组成 3.1.1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）4大类矿山基础数据。 3.1.2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。 3.1.3应用系统  各种专业应用软件的集合，包括采矿CAD（MCAD）、虚拟采矿（VM）、矿山模拟（MS）、工程计算（EC）、人工智能（AI）和科学可视化（SV）等，为矿山业务和决策所需的各类工程计算与应用分析提供功能服务。 3.1.4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。 3.1.5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，是数字矿山的心脏或“油库”。 数字矿山系统在矿山企业中的业务化运作是基于企业的宽带、高速网络来实现的。基于工业2G的矿山企业网是数字矿山网络架构的基本模式。基于矿山业务流程的4层C/S的数字矿山系统模式如下图2所示。该系统模式由WWW服务器、GIS服务器、应用服务器和数据与模型服务器4层组成，数据与模型服务器中的数据组织以对象——关系型数据库为核心。 图2 数字矿山的网络架构 2. 数字矿山建设的内容 矿山系统是一个复杂的、动态的、开放的复杂巨系统，各部分之间互相影响、互相制约。对于这样的系统，只有快速、准确地了解各个系统运行情况，并使各个子系统配套、一致，再此基础上予以优化，才能实时、科学地做出决策，发挥矿山系统的最大能力和最佳的效益。 数字矿山研究与建设的内容分为五个方面： 3.2.1矿山多源时空数据库系统 矿山企业的设计和加工对象为资源，因此，快速、准确地掌握资源及其周围岩层的空间分布情况是最关键、最基本、最优先的建设内容，这项工作是后续设计、计划、以及提高决策性的基础。同时，生产过程中各个系统产生的数据对过程控制、整体系统优化、决策制定均具有非常重要的作用。这些信息必须以数据库的形式予以管理，通过先进的软件进行快速的分析，才能有效的实现信息共享，发挥切实有效的效益。 3.2.2矿山生产过程和关键设备的自动控制 采矿工业是劳动力密集型、资本密集型的工业，是需要大量能源和材料的工业。利用信息技术对其进行改造和提升，提高生产过程的控制和自动化水平。在工业发达国家，自动化成为改造传统工业和发展新产业的基本目标。正在利用电子技术与机械技术的结合把工业机器人用于生产，使机械化转向自动化，从而大大提高生产率，降低成本，增强竞争能力。矿山生产多数情况下属于不连续的过程，人员和设备多处于移动状态，位置不断变化，但这并不意味着其过程不可控制，只是控制方式、控制精度与普通的生产企业有所区别。 3.2.3矿山生产安全监控与预警系统 为保证生产的持续、正常进行，减少事故造成的人员、设备损失，必须建立矿山安全监控和预警系统。通过对设备和环境的监控，一方面可以及时、快速、准确地发现发生的事故，并采取应对措施，另一方面还可以在事故发生之前及时地发出预警信息，保证井下设备人员的及时撤离。 3.2.4矿山生产信息和办公信息快速传输、处理和检索系统 矿山生产过程中，存在着大量的、来自于不同方面（如资源、设备状态、人员状态、安全等）的信息流动，先进的矿山井下综合通讯网络系统，是整个数字矿山建设任务中的中枢神经传导系统，只有这样才能及时、快速、海量地传输这些异质信息，实现生产过程的实时控制、快速决策和执行。 3.2.5矿山ERP系统 ERP系统致力于矿业的整个材料设备采购、生产调度与过程控制、矿产品销售的优化管理，该系统是以网络架构为体系支撑，以工作流模型为优化措施，以知识管理为支持因素，以供应链管理为主体内容的管理和信息系统。矿业ERP系统的推广是矿业数字化、信息化的重要内容，是矿业走向国际化和实现安全、高效、低耗开采的技术保证。 四、 数字矿山的研究意义 4.1数字矿山是国家战略资源安全保障体系的重要组成部分 数字矿山建设可使我国全面翔实地掌握矿产资源的分布利用情况和对我国工业的保障程度,结合国际市场行情,即能实现合理利用国内外两种资源、两个市场,科学、定量地预测未来供需形势,建立有效的战略资源供给配置战略及保障机制。 4.2数字矿山建设是当前国际矿产资源开发研究的热点 数字矿山是矿业开发的制高点,谁占领了这一制高点,将控制整个行业的发展趋势和主动权,因此发达国家的数字矿山建设发展很快,并在数字矿山的基础上,进行实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制自动化智能化研究。 4.3数字矿山建设是当前资源开发的需要,是落实资源开发方针的重要内容 数字矿山的功能之一就是使我们能全面、动态、准确地掌握我国金属矿山储量、基础储量和资源量的变化,从而进行科学化的管理,达到资源的合理开发利用和节约目的。