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  浅析我国数字矿山的应用与发展

    来源:视科创新
    作者:孙冰,彭芳

    摘要:数字矿山是当今采矿科学、信息科学、人工智能、计算机技术和3s 技术发展与高度结合的产物,它将深刻改变传统的采矿生产活动和人们的生活方式。分析了数字矿山的内涵和基本特征,对数字矿山的层次结构和系统框架进行了研究,讨论了数字矿山战略实施的关键技术,并对数字矿山的发展前景做了初步的展望。

    1. 引言

    目前,我国学术界对于DM 还没有一个完全统一的确切定义。不同的学者从不同的角度对其下了不同的定义,各有偏重,各具特色。以中国矿业大学吴立新教授的定义最具有代表性,2000 年他将DM 定义为“是对真实矿山整体及相关现象的统一认识与数字化再现,是一个硅质矿山,是数字矿区和数字地球的一部分”2004年,他将其修正为DM 是“在统一的时空框架下,对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现,是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分”。这两个定义都反映了数字矿山的本质,但笔者认为随着时代的进步和技术的发展,DM在此基础上还应该具有更加深刻、具体的内涵.

    2. 数字矿山与传统矿山相比具有的优势

    数字矿山是对传统矿山开发利用方式的一次革命性改变,无论是硬件建设还是软件开发,都是传统的矿业生产和管理方式所无法比拟的,它的推广与运用将极大地提高矿山开采的安全性和工作效率。一是在矿山设计、开采方面,工程技术人员可以摸拟三维矿井条件,进行有效地表述,可以不用亲自深入井巷工作面,办公室内就可以根据网络传输数据,对矿井进行科学合理的设计。

    二是在技术研讨与推广方面。矿山开采是一项技术性很强、工作流程非常复杂的工作。一些关键技术和关键环节往往要设计多种实施方案,并要多次召开专题会议进行论证、对比。以前,召开论证会受技术力量和工作范围所限,方案不可能太多,人员参与也有限。实施数字矿山后,很多复杂的问题一下子变得简单起来,每一个技术问题在专业的网络范围内都可以进行研讨,从而使方案更有针对性、技术更加实用和有效。

    三是在矿山监督和管理方面。通过嵌人机电设备的数据体,监管人员可以对矿山的内部生产经营情况非常直观的观察和分析出来,从而极大地提高矿山生产的安全性。四是在矿山的开发评估方面。数字矿山通过成熟软件的支持,可以把几十年来积累的地质成果、矿山开采资料数字化,逐步建立起矿山数据库。并且和近年来通过数码航测、多维数字地震勘探等一整套数字采集的矿山资料一起输入海量矿山数据库,实现对矿山比较科学准确的评估。

    3. 数字矿山的基本结构

    数字矿山建设的目的是以信息的无缝链接来融合矿山生产过程中的各个生产单元,无论是组成、结构和技术要求等各个方面,数字矿山都是一个非常庞大的信息系统。

图1 数字矿山基本结构
图1 数字矿山基本结构

    以 3s 技术为基础,通过有线和无线网络接入的测绘系统、地质勘探单元,并融合遥感航拍等数据建立丰富详尽的基础地理信息系统数据库,对这些基础信息通过三维地学建模系统进行处理和可视化表达,并进一步分析,提取相关背景知识,为采矿设计与决策支持系统提供依据,通过决策与支持系统的进一步知识升华,将直接能够提供给采矿指挥系统参考信息来生成生产的指导计划。在无线网络的支持下,采矿指挥系统可以调度各个生成和运输单元,做到对整个矿山生产进行监控,并能优化生成流程,提高生产效益和社会效益。

    4. 数字矿山的关键技术

    数字矿山的实现涉及众多的学科和知识,主要包括数据动态获取与实时更新技术、数据处理与信息提取技术、空间数据仓库技术、空间数据建模技术、虚拟仿真技术、网络技术等,对这些技术体系及其相互集成方式的研究是数字矿山系统实现的关键[2]。从图中可以看出,数据获取是数字矿山系统的数据来源,数据管理是数字矿山系统的基础,数据建模和空间分析是数字矿山系统的核心,分布式网络可视化发布是数字矿山系统重要的表现形式。

图2 数字矿山的网络框架
图2 数字矿山的网络框架

图3 数字矿山的关键技术框架
图3 数字矿山的关键技术框架

    5. 我国数字矿山建设的基本情况

    随着信息技术、计算机技术、自动化技术和网络技术的飞速发展,我国矿山信息化、自动化有了很大的进步,以计算机和网络技术为核心的工业现场总线,已用于煤矿安全监测和机电设备的控制,有许多安全、生产、设备工况的信息能通过网络以数字的形式传送到地面,少数矿井已实现在地面调度中心集中控制井下大部分设备,应该说实现数字矿山已经有了一个好的开端。[4]煤炭行业比非煤矿山投入的力度大,广泛应用先进适用的信息技术,有效提升全行业的生产效率和管理水平,成为我国煤炭行业实现跨越式发展的历史性契机,非煤矿山近几年也在迎头赶超,像中铝、宝钢、首钢等大型企业集团信息化水平已经相当高。中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人、矿山地理信息系统、三维地学模拟矿山虚拟现实、矿山定位等方面的技术开发与应用研究。

    6. 我国数字矿山建设存在的问题

    (1)起步晚基础弱

    受煤炭行业发展的历史背景影响,2000 年以前我国煤炭工业不景气,多数煤炭企业受困于生存问题,信息化意识薄弱.建设投入较少,尤其是管理信息化方面的应用比其他行业起步晚,基础弱。

    (2)条块分割,投资盲目

    受企业条块分割式组织机构模式的影响,企业信息化进程缺乏统一规划指导,各职能部门过分强调局部利益与短期效益,信息化建设投入散乱,应州系统缺少互联互通,信息化建设不能从整体上促进企业管理水平的提升。

    (3)重硬轻软,应用不足

    企业巾高层决策者在信息化建设进程巾,往往对于存在实物载体的硬件基础设施投入更高的热情,包括局域网、广域网、汁算机以及外设等的应用水平可与信息化建设领先的行业基本相当,然而,在煤炭企业生产经营中起重要作用的勘察、规划、设汁、生产、管理、全过程监控等信息化的“软”领域,对于配套开发、实施维护的重视不足。

    (4)行业化产品与服务不足

    煤炭企业的业务具有鲜明的行业特点,其信息化建设覆盖的专项系统数量多、种类多,行业适应性要求高,其生产运营模式不同于其他制造业。因此,非常需要行业化的产品及服务,但是,目前市场能提供的煤炭行业信息化产品及服务严重不足,缺少具备规模化、专业化及行业化综合实力的服务厂商。由于煤炭行业企业自身基础及厂商服务模式双方面的种种因素,导致企业普遍存在信息化建设投资不系统、应用系统开发周期长、综合应用效应不明显等问题。

    (5)企业缺少科学的认识和有效的方法

    对于一项综合的、长期的、覆盖面广的建设工程,清晰的思路和有效的方法是成功的关键素。由于煤炭企业普遍缺少信息化建设的经验积累,而且行业的个性化特点比较突出,因此,企业自身在建设过程中缺少有序、有效的过程、思路和方法,缺少有效的组织管理经验,造成信息化工作效果不明显。随着2000 年以来煤炭行业复苏,以及国家集团化、现代化的煤炭行业发展战略的影响,煤炭企业开始以提高企业经营管理水平为中心的变革,以自动化、信息化等技术创新带动煤炭行业成为企业决策层日益重视的战略支撑手段。近年来,我国煤炭企业信息化投入不断增大已成为煤炭行业的总体趋势。

    7. 结论

    随着数字地球和数字中国的一批数字工程如火如荼地推广和建设,我国矿山的信息化水平将大幅提高,DM 的构建也出现了许多成功的典范,为企业的生产经营带来了高效率和高收益。面对当前存在的问题,我们需要理性地思考,找出解决问题的办法。笔者在此提出两点建议:

    第一,各个高校、科研院所以及矿业企业三位一体,加强技术合作和人才的培养,做到优势互补,资源共享,为攻克技术难题而共同努力;

    第二,政府及矿业企业应该对数字地球、数字中国和数字矿山有更加深刻的了解,认识到数字矿山建设的迫切性和巨大意义,在加大人力、物力和财力投入的同时,要转变思想,变革企业管理机制,制定合理的政策与规划,引导产业的健康发展。

    DM 是未来矿山发展的必然方向,也是矿山工业可持续发展的必经之路。党在2007 年的十七大报告再次强调要加强能源资源节约和生态环境保护,并指出,必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置,这也是对我国矿山工业的一个要求。总之,DM 对我国的矿山工业来说,是一种机遇,更是一种挑战。

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