三论数字矿山借力物联网保障矿山安全与智能采矿

　第37卷第3期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.3　　2012年3月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMar.　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)03-0357-09三论数字矿山———借力物联网保障矿山安全与智能采矿吴立新1,2,3,汪云甲1,4,丁恩杰1,2,朱旺喜5,张瑞新6,张　申1,2,王　植3(1．感知矿山国家地方联合工程实验室,江苏徐州　221008;2．中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心,江苏徐州　221008;3．东北大学测绘遥感与数字矿山研究所,辽宁沈阳　110004;4．中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州　221008;5．国家自然科学基金委员会工程与材料科学部,北京　100085;6．国家安全生产监督管理总局通信信息中心,北京　100713)摘　要:在简要总结我国数字矿山建设成效的基础上,梳理了数字矿山内涵及其不同理解,讨论了自动采矿、遥控采矿、矿山物联网、感知矿山、智能采矿等相关概念及其与数字矿山的联系。结合采矿科技进步,采用数字化、信息化与自动化3条主线对数字矿山等概念进行了矩阵描述。指出:数字化、信息化、自动化是智能采矿的3项关键技术,数字化与信息化相辅相成,共同支撑矿山自动化;数字矿山是感知矿山与智能采矿的基础,感知矿山是智能采矿的保障。以当前煤矿安全避险六大系统建设和金属矿无人采矿系统技术发展为例,明确了数字矿山借力物联网的新任务。并面向矿山安全与智能采矿,分析提出了“十二五”期间数字矿山的5个主攻方向,即数字矿山集成平台、采矿模拟仿真系统、露天矿全自动化系统、井下定位与导航技术、采场环境智能感知技术。关键词:数字矿山;物联网;感知矿山;智能矿山;智能采矿;矿山安全中图分类号:TD67　　　文献标志码:A收稿日期:2012-01-18　　责任编辑:常　琛　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB707102);国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2011AA120302);国家自然科学基金资助项目(609720590)　　作者简介:吴立新(1966—),男,江西宜春人,博士生导师,长江学者特聘教授,博士。E-mail:[e-mail]mine:serveforminesafetyandintelliminewithsupportfromIoTWULi-xin1,2,3,WANGYun-jia1,4,DINGEn-jie1,2,ZHUWang-xi5,ZHANGRui-xin6,ZHANGShen1,2,WANGZhi3(1．State-provinceUnitedEngineeringLaboratoryonPerceptionMine,Xuzhou　221008;2．IoT/PerceptionMineResearchCenter,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou　221008;3．InstituteofGeo-informatics&DigitalMine,NortheasternUniversity,Shenyang　110004;4．SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou　221008;5．DepartmentofEngineeringandMaterialsScience,NationalNaturalScienceFoundationofChina,Beijing　100085;6．Communication&InformationCenter,StateAdministrationofWorkSafety,Beijing　100713,China)Abstract:BasedonsummaryoftheachievementsofdigitalmineconstructioninChina,itmadeuptheconnotationanddifferentintellectionsondigitalmine.Theconceptofauto-mining,tele-mining,mineIoT,perceptionminesandintelli-gentminewereintroduced,andtherelatsbetweendigitalmineandtheseconceptswerediscussed.Referringtotheprogressesofminingscienceandtechnology,therelationsweredepictedinamatrixwithroadsofminetechnologyindigitalization,informationandautomation.Itwaspointedoutthatthedigitalization,informationandautomationarethreekeytechnologiesofintelligentmine,thedigitalizationandinformationlinkingeachothertosupportmineautoma-tion,andthatdigitalmineisthebaseofperceptionmineandintelligentmine,andtheperceptionmineistheinsuranceofintelligentmine.Withtheconstructionofthesixsafety-hedgingsystemsincoalminesandthedevelopmentofun-mannedmininginmetalminebeingcases,thenewtasksofdigitalminewithsupportfromIoTweredefinitelysugges-ted.Facingminesafetyandintelligentmine,fiveissuesforfutureresearchinthe12thfive-yearperiod(2011—2015)weresuggested,whichareintegratedplatformofdigitalmine,minemodeling-simulationsystem,total-automaticsystem煤　　炭　　学　　报2012年第37卷inopencast,position-navigationtechnologiesforundergroundmineandintelligentperceptionforminingenvironment,respectively.Keywords:digitalmine;internetofthings;perceptionmine;intelligentmine;intelligentmining;minesafety　　中国数字矿山(DigitalMine)[1-2]源自矿山/矿业地理信息系统(MGIS)[3-4],伴随数字地球[5-6]而诞生,是信息时代与知识经济[7]的必然产物。数字矿山的核心任务是建立统一的矿山时空框架,整合各类矿山数据资源,建立数字化的矿山空间数据仓库和集成化的矿山真三维空间模型,关联矿山各类软件系统与数据流程,为矿山设计、生产作业、安全管理、应急救援等提供基础平台和决策支持。数字矿山的目标是促进矿山信息化改造,支撑采矿自动化与智能采矿(IntelligentMine),保障矿山安全、高效、绿色及可持续开采,实现科学采矿。数字矿山建设是一个渐进的过程,是一项复杂的系统工程。与加拿大源自采矿自动化的数字矿山[8]不同,中国数字矿山技术体系更为完整、空间内涵更为丰富。中国数字矿山一路走来,经明晰概念、理清思路、攻关技术与实践探索,在科研、教育、培训、产业、示范工程、人才培养等方面均取得了丰硕成果[9-10],在国际矿业科技界独树一帜。十二年来,中国数字矿山建设与信息化改造成效显著,无论煤炭、冶金和有色矿山,长期存在的地测空间数据获取能力弱、矿山数据数字化程度低、采矿模拟分析软件缺乏、矿井地质隐患把握不清、矿山传感器模式简单等老大难问题得到显著改善。但也须清醒看到,矿山数据孤岛、标准缺乏、系统封闭等现象依然普遍存在,需调整步伐、再接再励。物联网与云计算方兴未艾,感知矿山与智能采矿是大势所趋。本文通过梳理数字矿山内涵及其不同理解,结合采矿科技进步并基于数字化、信息化、自动化3条主线,分析数字矿山与自动采矿、遥控采矿、矿山物联网、感知矿山、智能采矿、智能矿山之间的联系;并以煤矿安全避险六大系统建设和金属矿无人采矿技术发展为例,剖析数字矿山的新任务;进而分析提出“十二五”期间数字矿山的5个主攻方向。1　数字矿山内涵变化1．1　数字矿山定义2000年,笔者参照数字地球的概念[5-6],对数字矿山定义如下:“数字矿山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’,是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分”[2]。指出“数字矿山的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”,“数字矿山的任务是在矿业信息数据仓库的基础上,充分利用现代空间分析、数据采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术,为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具”[1-2]。1．2　数字矿山内涵为阐明数字矿山的内涵,2003年,笔者以智能交通体系为参照描述了数字矿山的六大基本特征,即以高速企业网为“路网”、以组件式矿山软件为“车辆”、以矿山数据与模型为“燃油”、以3DGM与数据挖掘为“过滤”、以数据采集与更新为“保障”、以矿山GIS为“调度”;并基于4层C/S结构和矿山业务流程,采用同心圆模式(其中心为数据库和模型库)设计了数字矿山的基本框架,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[11]。2004年,结合中国科学技术协会“数字矿山战略与未来发展”青年科学家论坛的集体讨论意见,提出“数字矿山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”,进一步明确“数字矿山的核心是在统一的时间参照与空间框架下,科学有序地组织、管理、维护和通过真三维可视化表达等不同手段获取海量、异质、异构、多维、动态的矿山信息,并建立矿山信息的分布式共享、协同与利用机制,形成多种灵活便捷的数字方法与模拟工具……”[12]。同时指出:“数字矿山建设的总体目标是实现矿山的高效、安全、绿色与可持续。数字矿山建设是一个由初级、中级到高级的发展过程”[11]。通过对中国数字矿山进展的总结回顾[10],2008年,笔者按数据流和功能流对数字矿山的同心圆模式由外向里重新定义为数据获取系统、集成调度系统、工程应用系统、数据处理系统和数据管理系统;提出“数字矿山是一种理念、一个过程,可以采用‘五化’来描述数字矿山的发展目标,即数字化地集成管理与共享利用各类矿山数据与信息资源,可视化地3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853第3期吴立新等:三论数字矿山———借力物联网保障矿山安全与智能采矿案”[10]。并且,概括出数字矿山的三大特性,即数据资源特性、信息基准特性和开放平台特性;指出顾及矿山数据多尺度性、现势性和共享性的矿山空间数据仓库,需要服务于从地质勘探、井田规划、矿山设计、矿井生产、安全监控、生产管理到环境恢复的矿山全生命周期[10]。1．3　数字矿山内涵理解