基于虛擬現實技術的三維數字化礦山集成管理平臺研究

引言

長期以來，受資源產業模式和傳統生產工藝的影響，國內礦山企業在信息化建設方面不同程度地存在短期效益、重“硬”輕“軟”等現象。由于采礦井下作業處于地表深處，地質條件復雜，環境惡劣，瓦斯、粉塵、水害、頂底板事故、火災隱患難以探測和辨識，大型事故時有發生，給我國采礦生產造成了重大損失，也極大地危及了礦工的人身安全。信息化程度低下往往導致礦山在開拓設計、巷道布置、采掘設計、接替安排、進尺計劃等生產方面沒有充分的安全性、可靠性和合理性保障，由此引發了通風、防塵、運輸、排水、支護、注漿、供電等系統的設計不合理、配套性不好、連動性不強、反映遲緩，造成避災措施不利、系統抗災能力差等諸多問題。要從根本上實現礦山安全、高效生產，除了技術更新和改造外，更重要的是建立一個完整的礦山數字化系統，以實現礦山地上地下所有時間、空間對象的透明管理，礦區的氣象、地形、水文、建筑、道路、橋梁、地面設施以及地下的巖層、斷層、裂隙、陷落柱、水體、瓦斯和各類地下工程和地下設施統一集成管理，整個礦山從勘探、規劃、設計、生產到管理等全過程都能兼顧工藝的先進性、設備的可靠性和生產的安全性，大幅度地提高抗災能力和生產效率。

數字化礦山（Digital Mine）是在首屆“國際數字地球”大會上被提出，于2008年末被列為國家“863計劃”，其科學研究與實踐已開始應用于國內行業領域之中。數字化礦山以遙測遙控、網格GIS和無線通訊為主要技術手段，在統一的空間框架下，對礦山地上地下整體、采礦過程及其引起的相關現象進行全面監控、統一描述、數字表達、精細建模、虛擬再現、仿真模擬、智能分析和可視化決策，保障礦山安全、高效、綠色、集約開采，實現采礦自動化、智能化，推動采礦科學與技術的創新發展。數字化礦山的特點為基礎信息數字化、生產過程虛擬化、管理控制一體化、決策處理集成化。

虛擬現實（virtual reality），VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

系統建設目的

三維數字化礦山集成管理平臺利用VR等先進的技術手段，提供給使用者一個模擬真實生活環境的數字立體礦山，用戶不僅可以辨識山河、地面建筑與井下巷道、設備設施等，并且在系統的輔助下，可對礦山進行安全生產監管、日常生產進度管理、應急培訓及應急救援輔助決策支持，做到礦山管理的可視化、信息化。

構建數字礦山三維場景“一張圖”工程

利用礦區三維地形數據庫場景，并在此基礎上疊加二維矢量空間數據（如：道路、河流、地名地址等）、礦區地面建筑三維模型以及地下巷道三維模型、設備設施模型等多源數據，最終構建基于三維地形數據庫之上的數字化礦山三維場景“一張圖”工程。

構建數字化礦山信息服務一體化平臺

基于空間地理位置以及相應的時空屬性，在數字化礦山三維場景“一張圖”工程基礎上，通過對系統平臺軟件接口開發和應用，集成各個礦區現有的工業電視監控系統、瓦斯監控系統、人員定位系統、風井通風機自動控制系統、皮帶傳輸監測系統及采區變電所電力監測系統、提升監控系統等自動化控制子系統，融合現有其它資料信息，共同整合到數字化礦山三維場景“一張圖”工程之中，實現礦山信息的資源共享、解決信息孤島的問題，真正構建成“數字化礦山”信息服務一體化平臺。

實現數字化礦山的可視化管理應用

在強大引擎支撐的“一張圖”工程和信息資源整合服務一體化平臺基礎之上，通過對礦山管理者、監督者、生產者等各階層人員的業務需求的整理和分析，進行相應的軟件應用層專題功能開發，實現對礦山的基礎資料、設備設施、動態監測、應急信息等的可視化管理，為礦山的生產管理、安全運營、培訓考核和應急救援指揮等提供管理、決策服務平臺。

綜上所述，通過構建數字化礦山三維場景“一張圖”工程，集成各礦區現有系統資源信息的基礎上，通過對專題應用功能的軟件開發，利用網絡傳輸和分發服務技術，最終搭建成為三維數字化礦山集成管理平臺，為政府和企業在礦山的生產管理、安全監督、救援指揮等方面提供了一個全新的、綜合性的、可視化技術平臺。

系統架構設計

三維數字化礦山集成管理平臺邏輯上從上到下，依次為支撐環境層、數據層、服務層和應用層，具體結構如圖1所示。

·數據層

數據層分為地理信息數據、設備交換數據和系統管理數據三個部分：

（1）地理信息數據

該部分包含了礦區正射影像數據、基礎地理數據（道路、河流、建筑、高程等）、三維模型數據（地形、地上建筑物、地下井巷、儀器設備等）、礦區測量數據、礦山基礎資料數據、其他GIS數據等。其中礦山基礎資料數據包括：礦山地質圖、地形圖、礦體分布圖、礦山勘探報告、礦山勘探基礎資料、礦山儲量核實成果資料、礦山工程布置資料等基礎資料。

（2）設備交換數據

存貯如瓦斯監測設備、井下小靈通通訊設備、生產視頻監控設備、人員定位設備等專項設備接收到的交互數據。

（3）系統管理數據

存儲系統運行所需的各項參數、配置、表單等數據。

·服務層

服務層包含了功能服務和數據服務：

（1）空間數據引擎（SDE）

系統以基于空間數據庫的 GIS 平臺為支撐，進行海量數據的管理，為實現準確、快速的空間相關的綜合查詢和分析，提供有力支持。

（2）數據交換共享服務

數據交換層通過數據共享標準，數據管理機制以及數據轉換中間件的配合工作，實現各系統、各類異質異構數據的交換共享。

·應用層

應用層為三維數字化礦山集成管理平臺的應用程序端，包含了綜合信息管理系統（C/S）、信息查詢子系統（B/S）、系統管理子系統。

·支持環境層及保障體系建設

支撐保障體系有運維管理、安全保障、標準規范、政策法規等幾個方面組成，建立能夠保障項目實施及成果長期應用得支撐環境，成立專門的運行維護機構，配置先進、合理的軟件、硬件及網絡環境，建立健全框架的共享與更新機制，全面支撐三維數字化礦山集成管理平臺的建設、運行和應用。

系統建設流程

·數據生產流程

三維數字化礦山信息集成管理平臺的運行依賴于空間數據中心的GIS數據和三維模型數據，空間數據建庫建設依據現有資料情況，包括了數據整理轉換、數據導入、3D建模等過程.

·三維模型構建

通過對礦體、主要構造、地表、巷道等進行三維模型的構建，并根據監控監測設備、通信設備位置，構建設備三維模型，為防災減災和應急管理奠定基礎。

（1）地表模型構建

由等高線或高程點數據構建DEM表面，疊加DOM生成地表三維模型，一些地表工程的設計和施工，如排土場、選場、井口等位置都是以地表模型為參考。

（2）建筑物模型

通過礦區工程建設圖紙，建立建筑物模型數據庫，在三維可視化系統中將其附著在地表模型之上。

（3）井巷模型構建

通過巷道工程建設圖紙和井巷平剖面圖，構建井巷三維模型。

（4）生產設備模型構建

根據巷道工程建設圖紙、井巷平剖面圖和生產設備空間位置進行各類監測傳感器的三維建模。

·業務系統構建

根據系統應用需求并結合系統的用戶對象，三維數字化礦山集成管理平臺分為綜合信息管理系統、系統管理子系統、信息查詢子系統、數據管理子系統四個部分，如圖2所示。

（1）綜合信息管理系統

綜合信息管理系統面向于礦山生產管理部門和安全監控部門，該系統集成了礦山全景三維視圖和第一人稱沉浸視圖，并在場景中集成自動化控制設備，可與現有的生產管理系統、安全監控系統、人員定位系、視頻監控系統進行實時數據交換，以實現人員定位、設備管理、應急管理等場景全息化、生產可視化功能。（如圖3）

（2）數據管理子系統

數據管理子系統面向數據管理維護人員，主要包括礦山地質、儲量等數據的管理維護，建筑物模型、巷道場景、設備模型管理，實時監控錄像數據連接管理和礦山成果數據檢查入庫等，為綜合信息管理系統和信息查詢系統提供數據支撐。

（3）信息查詢子系統

該部分基于B/S架構設計，通過瀏覽器即可進行三維場景的瀏覽、相關信息查詢。該系統主要面向于上級主管部門和集團公司用戶，客戶端直接通過網絡接入服務器，經過授權即可進行功能操作。

（4）系統維護子系統

系統管理子系統面向系統維護人員，用于保障系統正常運行。主要包含用戶權限管理、數據庫備份恢復優化管理、系統運行參數管理、系統運行狀態監控、字典表管理等功能。

結束語

系統雖然通過虛擬現實技術實現了礦山場景的三維虛擬化、形成了礦山信息綜合集成管理的模式，極大地提高了礦山安全生產水平和礦山生產效率；但是對于進行礦山場景的三維模型自動構建、系統中模型的編輯處理、將礦山信息集成管理與礦山物聯網相結合進行綜合管理等方面還不成熟，有待進一步研究。

（作者單位：南京當可順軟件科技有限公司）