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1、#基于网络的三维数字矿山综合监控系统建设方案基于网络的三维数字矿山综合监控系统建设方案北京威远图易数字科技有限公司2009年3月一、项目背景1.1系统建设背景随着煤矿安全生产新技术的不断推广应用和管理水平的不断提高，矿井安全生产综合监控已经不只是考虑加快生产过程中某一环节的速度和效率，而是将整个生产过程作为一个整体来考虑，形成全生产过程的综合监控。 考虑到各业务子系统都处于相互独立的状态，各成体系，维护量大，整体可靠性差，维修、维护困难，信息不能互通，信息资源共享和利用效率低下，很难从系统的角度对矿山自动化进行统一管理，形成了“信息孤岛”现象，现有信息资源无法有效整合。如何做到“共建共享”、“

2、分建共享”?因此建设统一的综合信息管理系统平台，使设备工况、控制及环境参数在统一的平台传输和集成，实现信息资源的综合利用，提高安全生产调度管理水平，实现对工矿设备及安全环境的集中监测与控制迫在眉睫。 本系统定位在综合监控上。主要在安全监测、人员定位、工业视频监视、束管监测已经基础通信等取得广泛的应用，综合监控系统在基于上述专业子系统的基础上，总结既有经验，全面推广，并在子系统的基础上搭建综合监控主控系统。 综合监控系统可以实现集团各矿井安全生产有关的远程集中监控。保证煤矿的安全生产，及时发现事故隐患，提供事故抢修应急指挥，实现企业的有序高效运营。对子系统比较完善的煤矿建设一套综合监控系统，可以

3、接入下列专业子系统：1）生产自动化系统 实施监测主要生产环节管设备的运行状况，通过调度席位上工作站的显示屏，可以实时显示各生产环节和设备的运行状态，以便生产调度随时指挥生产。生产过程出现异常，可以自动报警，弹出异常画面显示异常地点，可以对井下设备进行远方开停。 2）供电监控系统 实现包括开关状态及电流、电压、温度、功率、功率因数、电度等数据的上传显示和控制。 3）安全监控系统 连续监测煤矿井下的瓦斯、风速、一氧化碳、温度、负压、水位等安全参数及设备开、停、供电状态及煤仓煤位等生产参数，实时检测煤矿井下生产环境。系统对异常采用最高等级告警形式提示操作员。 4）人员定位系统 为人员、车辆的生产管理

4、、考勤系统提供可靠的依据。能够对煤矿井下人员的超时超员缺勤违规路线等各种异常信息进行上报、统计分析，趋势分析，以检查人员管理情况。 5）束管火灾预报监测系统 对井下任一地点的CO、CO2、O2、N2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体含量实现24小时连续循环监测，及时预测发火点的温度变化情况。 6）煤炭计量管理系统 实现对各环节煤炭产量管理,通过每个节点煤量的计量，系统可以按班按日自动统计出煤炭产量，自动形成产量日报。配合电能消耗计量，汇总到ERP后，结合其他消耗，人员出勤等，掌握当天的经济效益情况。 7）工业电视监测 利用光纤作为传输介质，将井下、井上的主要生产环节、重要设备及关键场

5、合的实时图像传送到矿调度指挥中心和矿领导办公室。使调度指挥人员和矿领导能够直观、快捷地了解生产一线情况，掌握井上下重要设备的实时工况，提高科学调度指挥和管理的现代化水平。 1.2技术背景随着二十一世纪的互联网技术、计算机技术、3S（GIS/RS/GPS）技术、虚拟现实、航空与航天技术等的飞速发展，给地理信息技术手段带来前所未有的变革，利用高分辨率卫星影像以及航空像片，通过对影像的平面、高程、结构、色彩等的数字化处理，按照统一坐标无缝拼接而成可以迅速建立基于真实影象的三维数字矿山，人们可以直观的从三维矿山上判读处山川、河流、道路。借助传统平面地图的概念，叠加空间矢量数据，地物兴趣点数据、以及三维

6、模型数据形成可视化三维数字矿山展示系统。与传统二维GIS系统相比，三维数字矿山展示系统突破平面地图对空间描述二维化、三维空间尺度感差、没有要素结构与纹理信息等诸多限制，通过对真实地形、地物、建筑的数字化三维模拟和三维表达，提供给使用者一个与真实生活环境一样的三维矿山环境，通过对三维矿山的数字化管理，为矿山建设、企业管理、险情监控提供可持续发展的信息化服务，减少信息孤岛，大力提高矿山空间信息共享和利用水平，提高矿山整体信息化管理和经营管理水平。系统核心是综合利用计算机虚拟现实技术、仿真技术、GIS技术和数据库技术，建立统一的、基础性的、可扩展的空间信息服务平台。二、实现目标建设一整套具有煤矿企业

7、管理特色，实用、易用、可靠的信息化集成系统。 一、是以安全生产为中心的煤矿综合监控。综合监控系统是应用现代电子技术和自动化技术对矿井生产过程实现全面监控的系统，把采掘生产设备监控系统、皮带运输监控系统、辅助生产设备监控系统等子系统数据进行集中监控，实现生产及辅助生产各运行参数的统计并上传至矿区局域网，使得煤矿生产和管理更加科学高效。同时将一些主要生产数据和安全情况向上一级管理部门进行汇报，上一级管理部门可以通过这些数据对煤矿进行远程实时监视。出现紧急情况发出告警信号。 二、是把各种相对分散、独立的信息组成一个整体，使员工能通过信息平台访问所需信息实现协同工作。三、是满足煤矿集中管理需求，建立企

8、业完整的组织及层次关系，通过信息平台解决企业内部人、财、物、产、供、销等集中控制和管理。 四、提供煤矿统一管理模式下生产安全、有序和高效的运营。矿级综合监控系统建成后，可实现各矿井主要生产环节如：原煤生产、原煤主运输、提升、地面生产系统、辅助安全等各个生产环节的集中监控。保证煤矿的安全生产，及时发现事故隐患，提供事故抢修应急指挥，实现企业的有序高效运营。五、实时、系统化解煤矿生产安全突发事件。综合监控系统建成后，各矿的各专业子系统应用不再是孤立的应用，是整个煤矿生产中的重要组成部分。这样任何一方紧急突发事件，尤其是与安全生产相关的事件，都可以在综合监控系统的技术平台上，从整个煤矿的角度和高度实

9、现信息共享资源共享，实时处理突发事件，及时、准确、系统性化解生产过程的各项突发事件。 六、管控一体化。结合煤矿安全生产综合应用的企业级要求，按照“一体化”整体解决方案的设计思想，采用分层分布的体系结构，实现煤矿综合监控应用对既有子系统的融合和后续专业子系统应用的分步实施。为以后整个集团的管控一体化建设提供基础。 七、提升集约化经营。通过各矿级综合监控的建设并使各专业子系统的统一标准，规范管理，集中维护，避免不必要的重复建设和减少人力成本，提升企业市场竞争力，增加经济效益。为以后集团的集约化管理提供基础。 系统建成后，使各自动化子系统数据在异构条件下可进行有效集成和有机整合，实现相关联业务数据的

10、综合分析，集控中心人员或相关专业部门人员通过相应的权限对安全和生产的主要环节设备实时监测和进行必要的控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化，为矿井预防和处理各类突发事故和自然灾害提供有效手段。 总之：系统运行后，设备稳定，传输可靠，系统安全，实现三网合一，达到监、管、控一体化及减员增效的目的，建成本质安全型的数字化矿井。三、设计原则3.1整体性 矿级综合监控系统实现主要生产环节如：原煤生产、原煤主运输、提升、地面生产系统、辅助安全等各个生产环节的远程集中监控。保证煤矿的安全生产，及时发现事故隐患，提供事故抢修应急指挥，实现企业的有序高效运营。煤矿综合监控系统方案设计摒弃传统的面

11、向工业现场监控软件组态软件，而是采用大型综合监控应用系统的专业软件实时综合监控平台软件。方案紧密结合煤矿安全生产综合应用的企业级要求，按照整体解决方案的设计思想，采用分层分布的体系结构，实现煤矿综合监控应用对既有子系统的融合和后续专业子系统应用的分步实施。3.2先进性本系统方案借鉴国内外先进的系统设计、开发、建设的理念，借鉴其它行业综合监控项目成功经验，采用先进的控制技术、计算技术、网络技术和信息管理技术等，满足煤矿综合监控的应用需要。采用基于先进的实时综合监控软件平台，采用多数据库和C/S B/S相结合技术，提供综合监控整体解决方案，高可行性的实施方案、透明化的接口定义、柔性设计思路、管控分

12、离实现的安全理念。 1）整体解决方案采用基于实时监控软件平台，采用多数据库和C/S B/S相结合技术，架构集团煤矿综合监控整体解决方案； 2）高实时性实时监控软件平台技术、实时数据库和商用关系数据库结合使用，极大提高系统的实时性指标；3）高安全性 在遵循行业安全规范的前提下，特别是从方案设计源头提供系统安全的有效机制；4）高可行性 结合自身的行业经验和产品研发的经验，方案的每一个环节体现工程的可实施性；5）持续可扩可用性 柔性系统设计，不仅支持规模可扩，更是支持应用可扩，特别是平台技术的引入，支持企业未来发展和行业规范对监控要求，达到可持续发展的先进系统目标。 3.3开放性 开放性的核心是标准

13、性。方案遵循开放性系统的设计原则，遵循行业的各项标准，完全采用标准的硬件和基础软件，应用软件采用平台理念，内外部模块接口透明标准，便于系统的扩展。 不仅硬件选型遵循互换原则，而且操作系统、网络、数据库、中间件等均采用开放标准，同时应用软件系统也遵循开放系统的设计，平台化架构、模块化应用组织，确保各个软件模块的互操作性，易于同其它系统进行集成互联。对于各专业子系统采用规范应用功能，标准化接口操作，采用集成的思路融合既有子系统和扩展新子系统。 标准性除了遵循系统相关的标准外，还体现在以下几个方面： 1）各子系统、主控系统硬件选型遵循互换原则； 2）操作系统、网络、数据库、中间件等均采用标准或事实标

14、准； 3）平台化架构，应用软件内外接口透明； 4）对于应用层的标准，在目前还没有标准的情况下，按照开放性要求进行设计； 5）对各子系统功能规范化、接口标准化设计。 3.4安全性系统安全性是一种策略及管理，而不仅仅是某一种产品，是一个系统工程，它包括了物理层、网络层、应用层等一系列安全措施和策略。 系统安全包括五个基本要素： 机密性：确保信息不暴露给未授权的实体或进程 完整性：只有得到允许的人才能修改数据，并且能够判别出数据是否已被篡改。 可用性：得到授权的实体在需要时可访问数据，即攻击者不能占用所有的资源而阻碍授权者的工作。 可控性：可以控制授权范围内的信息流向及行为方式。 可审查性：对出现的

15、系统安全问题提供调查的依据和手段。 综合监控系统在设备层提供用户的认证，提高网络设备的认证能力，提高网络管理的严密性，确保密码等安全数据的保密性，关闭不必要的网络服务，采用更高级的访问控制，物理上使用专用线路等。在系统之间的数据访问上，采用按照系统的安全等级进行有效划分，不同等级的系统按照数据通道特性设置相应的安全隔离等设备，从系统的方案设置安全机制。从管理上，则建设统一的安全策略和管理使用制度，保证使用安全。 具体到本项目本系统，主要强化以下安全措施： 网络安全； 数据库安全； 应用系统常规安全措施； 应用系统的专业安全措施； 安全管理； 电源安全、数据备份和容灾。3.5成熟性综合监控系统把

16、成熟性提到很高的角度，是与系统的安全优先性特性密不可分。方案成熟性主要在以下几个方面考虑： 整体方案的成熟性； 采用平台化架构，以平台保障系统稳定可靠； 设备的成熟性，合规性，规避新设备的风险。3.6柔软性柔软性即是柔性设计。柔性设计是本方案一大特色，主要体现在系统的规模、功能、使用累积等方面。基于平台和开放两大基础提供系统柔性设计的支持。首先软件和硬件有清晰的界面，在硬件上，服务器和网络等设备都留有足够的余量和扩充能力，确保系统达到最终目标规模各子系统的接入；其次，软件的性能指标不依赖硬件，数据库容量和软件模块的扩展在逻辑上都没有限制，系统根据实际工程配置；第三，各种软硬件接口开放标准，支持

17、设备替换、规模扩容和功能拓展；第四，既有专业子系统的融合和新的子系统接入。这样，方案充分考虑了项目工程建设的需求外，支持煤矿快速发展和集团总体规划分步实施的建设要求。确保在今后的集团监控应用建设中，各综合监控系统建设的顺利实施。四、项目建设4.1功能需求分析根据矿山企业的需求，系统应对以下几个方面有所反映：1）矿井目前真实的状况，实现对矿井地面及井下真实情况的反映及可控；2）井下采掘、通风、运输、排水、抽放、压风自救、供电等系统的反映；3）对巷道掘进，工作面推进，机电设备安装变更等井下生产状况进行控制；4）对矿井的安全生产的远程诊断（石门揭煤等）；5）事故发生时抢险救援的作用；6）远程监测监控

18、，远程人员定位；7）对重大事故发生过程进行回放，以便对事故进行分析总结；8）关键点坐标显示，并实现自动换算；9）通过本系统，可以督促生产进度；10）平面图纸实时更新，而且经授权才可以打印；4.2系统功能设计“数字矿山”的建立是一个庞大的系统建设工程。其建设内容包括：系统需求调查与系统总体设计、信息系统信息分类体系与编码体系建立、系统功能设计与开发、数据库的设计与建立、系统联网与调试以及人员培训等等。因此需要多个领域（如采矿、安全、计算机、信息系统等）的专家学者和工程技术人员协同合作，有阶段、按计划地完成。从政府管理部门和矿山企业的实际业务需求出发，从总体上考虑，在数字矿山信息系统的建设中，应设

19、置如下几类功能系统。1.矿山全方位展示浏览数字矿山是建设在数字地球基础上的矿山三维立体信息系统。因此首先必须实现对矿山的全方位浏览。其中包括： 矿山地面工业场地、地面建筑和设施的真实反映； 矿山井下巷道的真实反映，能够从各个不同的角度查看井下巷道的布局，可以进入巷道内部进行浏览，还可以看到巷道内部的设备。数字矿山地上总览图数字矿山地上总览图数字矿山地下总览图数字矿山井地下巷道2.对矿山基础信息的查询对矿山企业的交通位置、地质状况、开采状况及资源状况等矿山基础信息可以很方便的调阅查询。3.属性数据查询定位 查询选择对象的属性； 通过属性（主要是名称）查询和定位对象； 查询设备（巷道内）和巷道，监

20、督生产进程和设备更新； 对矿山进行进度监测，若矿山有设备可以探测巷道掘进情况，系统进行更新，然后每段时间根据实际资料更新一次。数字矿山巷道模拟数字矿山设备管理4.安全管理 事故、避灾模拟 模拟事故的发生，事故的起因及过程的模拟 避灾应急路线模拟，在事故汇报中以带颜色的方向箭头表示。数字矿山井下水灾避险 系统监控远程监控，远程人员定位，远程工业电视实时监控 对设备开停的反映； 对矿井的安全生产的远程诊断（石门揭煤等）； 其他安全管理功能5.生产管理 井下采掘、通风、运输、排水、抽放、压风自救、供电等系统的反映； 对巷道掘进，工作面推进，机电设备安装变更等井下设备真实反映和更新； 对设备开停的反映

21、和远程控制； 属性数据查询定位 查询选择对象（巷道、建筑）的属性； 通过属性（主要是名称）查询和定位对象； 查询设备（巷道内）和巷道，监督生产进程和设备更新；瓦斯监测6统计譬如：可根据选定区域进行事故统计分析，可按不同的类型进行事故统计分析，可按不同等级进行事故统计分析。柱状图数字矿山产量统计7动画导出功能将浏览路线和事故发生过程等录制成三维动画，可在任意电脑上播放。8系统维护便于对系统进行更新和维护，维持数字矿山长期稳定的运行。4.3系统初期建设搭建包含矿区的基础数据的整合；搭建Skyline网络平台；搭建系统所需的硬件环境及网络环境（可以基于内网也可以基于外网）；搜集初期建设目标矿区的高精

22、度影像数据及数字高程模型数据；建立矿区的真实三维地形环境场景；收集制作矿区地面建筑物三维模型，反应矿井目前真实的状况，实现对矿井地面及井下真实情况的反映及可控；收集制作矿区地下三维巷道模型，对井下采掘、通风、运输、排水、抽放、压风自救、供电等系统的反映；建立细部的三维物体，如皮带机、通风设备、传送设备等等；对矿井下的瓦斯浓度进行远程监测监控，对矿工进行远程人员定位；通过网络，发布（可以内网、外网）各个煤矿地上、地下情况、并对矿山进行信息化管理。4.4系统建设依据数字矿山已经成为当今信息化建设的一个热门话题，无论在网上还是在各种相关的期刊上关于数字矿山的说明和信息也较多，国内一些专家学者也在对数

23、字矿山进行探讨。但对于数字矿山这个概念，却有许多不同的认识，各个研究机构和专家学者由于角度不一，对数字矿山的定义也不一样。实际上，作为信息化建设的一种思想，一个概念或一种理念，数字矿山还没有定论。在信息系统的发展初期，建设者们比较重视计算机宽带网络系统的建设，用多少光纤来衡量社会的信息化水平。但是很快就发现，如果没有数据，光有光纤并不能叫做信息化，数据才是信息化的核心内容，网络只是解决了数据的通路问题，数据的来源、组织、存储和管理，应该成为数字矿山的建设重点。在与矿山安全、生产息息相关的数据中，采用地理信息系统技术表达的空间数据具有描述空间位置和经济、社会发展指标双重功能，占有极其重要的地位。

24、因此，矿山地理信息系统的建设理应成为数字矿山的核心和切入点。数字矿山是综合运用地理信息系统、遥感、网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对矿山的基础资料、设备设施、动态监测、矿山环境进行采集和管理，为矿山的安全管理、生产管理和应急救灾等决策服务的技术系统。“数字矿山”的任务是在矿业信息数据仓库的基础上，充分利用现代图形学技术、空间分析、采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体等新工具，建立一个包括地形、气象、交通、建筑人文、环保、地面运输、工业管路、岩层、煤层、地质构造、水体、煤层气（瓦斯）、地面工程、地下工程、井下运输、供电、通风、防尘、避灾路线、抗灾路线、生产调度、监测监控、安全管理、设备管

25、理等地理信息层、并集成办公自动化、工业自动化、管理系统、电子商务等管理信息层的强大时空信息系统。“数字矿山”平台要不仅具有强大的绘图能力和三维建模能力，而且对采掘、一通三防、防治水、供电、运输、矿压等生产规划、危险源辩识和预测预报有较强的决策支持能力，而且要消除各专业和各部门之间的信息孤岛，达到信息完全共享和动态联动。因此，“数字矿山”是一项包括计算机图形学、虚拟现实技术、多媒体技术、监测监控技术、数据仓库和数据挖掘技术、3S技术、电子商务技术以及与采矿有关的几十门专业的关键技术的复杂的系统工程。五、项目实施步骤5.1第一阶段：资料整理阶段搜集数字矿山基础数据，主要包括：主要需要以下数据：矿区

26、高分辨率影像数据；矿区高精度数字高程模型数据；矿区基础要素矢量数据；煤矿矿区地点的高精度影像数据及数字高程模型数据；矿区地上部分的建筑物三维模型矿区的地下平面图等基础资料、各种模型、各种数据5.2第二阶段：搭建硬件、软件环境通过系统需求，搭建服务器硬件环境、配备数据服务器、终端测试客户端（笔记本）、系统制作服务器（台式机）等硬件设备连接电信或网通的独立带宽的光纤，保证服务器接入网络或接入内部网络、以便满足终端浏览需求。购置软件（Skyline、数据库软件）进行调试、试运行以保证系统的正常使用。5.3第三阶段：系统开发本阶段主要是进行项目分析，对系统进行需求分析、功能分析，进行数据库设计并搭建系

27、统平台，对矿区三维数字矿山综合监控系统进行系统开发。六、项目可行性6.1 3S技术的大力发展在技术上做到有力支撑近几年来，科学技术的发展突飞猛进，地球信息科学迅速发展，“3S”技术(遥感RS，地理信息系统GIS，全球定位系统GPS统称“3S”技术)及其相关技术的积极探索和广泛应用，为基于网络的三维数字矿山的实施提供了理论基础；三维数字矿山综合监控系统正是利用当今先进的信息技术，打造的网络信息化高效管理平台。6.2测绘基础数据保障建设基于网络的三维数字矿山安全监察系统需要高清晰的影像数据、数字高程模型数据、系统建设时需要全市大规模的基础测绘数据，在建设初期，可以使用低分辨率的影像数据，逐步建立的

28、过程来解决基础数据，或是与测绘部门沟通协调，由测绘部门保障系统所需要的基础数据。主要需要以下数据：矿区高分辨率影像数据；矿区高精度数字高程模型数据；矿区基础要素矢量数据；矿区地点的高精度影像数据及数字高程模型数据。6.3矿山测绘数据保障矿山资料其实是和基础资料一起收集的。在建设真实的矿山三维景观的时候，还必须对现场进行实地调研，以获取矿井三维建模的相关资料。对于矿区地上建筑物，必须收集矿区总平面图，加以采用实地拍照等方式获取地面场景三维建模所需的资料。对于井下巷道情况，由业主单位提供井上下对照图或采掘工程平面图，结合矿井的实际情况，综合收集井下生产系统建模所需的资料；对于井下设备情况，根据开采

29、方案设计和安全专篇中的设备选型，结合现场对企业的调研获取相关资料。对矿井已有的矿山信息系统的调查，主要包括矿井的地面和井下生产系统，监测监控系统、人员定位系统以及矿井运行的其他系统。根据各个矿井不同的实际情况需要收集的其他资料。6.3计算机硬件及网络带宽保障系统硬件采用服务器工作站进行发布服务，能够初步满足互联网50用户数的访问。随着今后用户逐步增加，会逐步增加及升级服务器。系统网络至少采用1M以上独立带宽的光纤进行网络系统支撑，需要根据不同用户数级别来提升带宽，并且要选择好的服务运行商以保证不间断的网络服务。并通过配备UPS以保证系统在公网的实时在线运行，以随时为政府和企业服务。6.4系统的

30、软件及硬件选型6.4.1系统软件平台的选型针对数字矿山信息系统的具体需求进行分析后，项目最终选择了美国Skyline公司的Terra Suite系列软件产品作为系统的三维软件平台。Terra Suite灵活、简便的建模工具、稳定的软件功能、组件化的软件体系、便捷的技术拓展优势是我们选中它的依据。1、Terra Suite软件与其他软件的功能比较Terra Suite是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型（DEM）和其它的三维或二维信息源以及GIS数据等创建的一个交互式环境。它能够允许用户快速地融和数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术，此系统还能够快速和实时地展现给用户

31、三维地理空间环境。Terra Suite是独立于硬件之外的多平台、多功能软件系统。Terra Suite是基于网络的三维GIS，具有精确的定位查询、浏览、编辑、注释、打印、空间分析、VR技术、用户自定义工作界面、基于COM的二次开发以及网络发布等功能。图 TerraSuite软件家族结构图2、Terra Suite软件技术流程图 TerraSuite软件家族技术流程图首先将已经纠正的数字正射影像以及高程数据（DEM）加载在到TerraBuilder中，并对这些数据的格式进行转换，然后进一步生成MPT格式的文件，形成TerraExplorer Pro所需要的“数字地球”三维地形场景。接下来在TerraExplorer Pro中，导入“数字地球”三维地形场景并通过连接地理信息系统数据库（GIS Database）在TerraExplorer Pro中进行二维、三维模型的建立，也可以在TerraExplorer Pro中进行二维、三维信息和地理信息系统数据文件（GIS data files）的加载，并在TerraExplorer Pro中进行编辑操作，形成真实、准确的三维地理模型，进而