煤礦三維可視化安全生產集成管理平臺的設計

申海生

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長子 046600）

引言

煤的生產過程有以下幾個重要特點：大部分重要工作場所在地下，地面人員只能通過非常有限的通信手段或親自下井去了解實際生產狀況，由于工作場地面積大，即使下井也只能了解局部信息；整個礦井生產活動是隨時空動態(tài)變化的，生產場地不斷被建設和廢棄，甚至采區(qū)外部環(huán)境也在不斷變化，導致生產過程變數(shù)很多，給生產帶來影響且管理困難；生產活動多，包括地質、水文、勘探、測量、設計、掘進、回采、運輸、提升、洗選、通風、支護、監(jiān)控等，這些活動都是煤礦生產必不可少的部分，具有緊密的內在聯(lián)系且需要互相配合。如何簡單快速了解和掌握各項活動的實時情況，以便為生產決策提供信息支持，確實是一個難題。瓦斯、水患、火災、粉塵、礦壓等危險因素時刻威脅礦井安全生產和礦工的寶貴生命。因此，根據(jù)三維可視化技術特點，開展礦井三維可視化安全生產集成管理平臺技術研究是非常有必要的。

1 煤礦三維可視化安全生產集成管理平臺的設計思路

當前國內礦山三維可視化系統(tǒng)設計分為三類。第一類為三維地測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用地質體、巷道的建模算法、剖切算法，特點是三維地測技術比較實用，而三維圖形技術則相對較弱。該系統(tǒng)運行速度慢，不能支持大場景，三維可視化效果較差，實時數(shù)據(jù)接入點不能太多，設備動畫基本沒有。第二類為采煤設備三維監(jiān)控自動化集成與展示系統(tǒng)。該類系統(tǒng)由于不能構建煤層、巖層、斷層等地質體，沒有地質研究所需相關功能或功能很弱。系統(tǒng)在地測、安全領域做得較膚淺，不能適應工作面、設備搬遷，系統(tǒng)缺乏實用性，未解決大場景問題并對電腦要求比較高，客戶無法大面積安裝。第三類是采用3Dmax二次開發(fā)系統(tǒng)。該類系統(tǒng)采用腳本語言二次開發(fā)，系統(tǒng)運行速度最慢，對電腦要求非常高，不支持大場景。購買3Dmax 的成本很高，不能大面積安裝且沒有解決巷道交叉點建模算法，不能進入巷道內部漫游，操作復雜。

以李村煤礦為例，從該礦從實用角度出發(fā)，以先進的三維可視化、地質建模、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡技術，設計一套面向礦井安全高效生產的三維可視化動態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應用有助于礦區(qū)規(guī)劃、資源管理、安全生產及輔助決策等，同時也是感知礦山系統(tǒng)建設的主要部分，為煤礦安全生產管理提供參考示范。

2 三維可視化安全生產集成管理平臺系統(tǒng)的總體設計

礦井生產安全管理三維動態(tài)系統(tǒng)的設計內容復雜，通過對李村煤礦生產安全管理的需求分析，制定了礦井生產安全管理三維動態(tài)系統(tǒng)總體設計方案：

1）建立統(tǒng)一空間坐標系統(tǒng)的礦井生產與安全管理基礎數(shù)據(jù)集，通過多源數(shù)據(jù)采集，建立煤礦井田空間基礎數(shù)據(jù)集。

2）利用三維地質建模技術，提取礦井生產與安全管理有關的三維目標要素，實現(xiàn)三維礦井目標的綜合建模。

3）建立流程化和標準化的信息處理流程。

4）通過開發(fā)三維可視化技術，提高井田開發(fā)與井下生產動態(tài)管理的可視化水平。

5）實現(xiàn)礦井生產與安全信息及場景的三維可視化以及全礦區(qū)生產安全全過程的動態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)總體設計分為數(shù)據(jù)層、模型層和功能層3 個主要層次，具體內容如下頁圖1 所示。

在功能層主要包括有生產狀況、生產監(jiān)控、安全預警、三維觀察、儲量計算和生產線路等。在模型層主要包括有煤（地）層建模、設備建模、地質構造建模、巷道建模等。在數(shù)據(jù)層主要包括有地測數(shù)據(jù)庫、生產數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控數(shù)據(jù)庫等。

3 三維可視化安全生產集成管理平臺系統(tǒng)的開發(fā)

圖1 系統(tǒng)總體設計三個主要層次

以李村煤礦為研究對象，通過獲取并以其標準化的數(shù)據(jù)為基礎，利用三維地質建模技術，提取礦井生產與安全管理三維目標要素，實現(xiàn)三維礦井目標的綜合建模。建立流程化和標準化的信息處理流程，遵循軟件工程思想，利用VC++等軟件開發(fā)工具、三維可視化技術及數(shù)據(jù)庫技術等開展工作。

4 三維可視化安全生產集成管理平臺系統(tǒng)功能的設計

為了實現(xiàn)礦井生產環(huán)境的快速三維建模和礦井安全生產綜合信息的快捷查詢，系統(tǒng)應具有以下功能模塊：礦井安全生產總體狀態(tài)查詢功能；礦井巖（煤）層三維可視化功能；礦井回采工作面三維可視化功能；礦井掘進工程三維可視化功能；井巷建模功能；巷道斷面信息功能；對各種設備圖形自動生成，對設備任意綁定監(jiān)測點，劃分設備子系統(tǒng)。同時具有以下特殊功能。

4.1 礦井自動生成巷道功能

礦井的巷道導向線數(shù)據(jù)也可以直接從已有的地測信息系統(tǒng)中讀取，無需在三維可視化系統(tǒng)再次錄入巷道導向線數(shù)據(jù)。結合已有的巷道區(qū)段信息，系統(tǒng)就能夠通過數(shù)據(jù)自動生成巷道三維模型。

4.2 實時安全監(jiān)測與自動化三維可視化功能

1）該三維可視化系統(tǒng)可以與煤礦綜合自動化系統(tǒng)等實行監(jiān)測數(shù)據(jù)共享。一個客戶端可以同時連接多個自動控制服務器，支持服務器集群。三維可視化系統(tǒng)通常非常消耗計算機資源，而對于綜合自動化這樣的大型自動化項目，擁有上萬個數(shù)據(jù)監(jiān)測點，如果三維可視化系統(tǒng)不采用OPC 高效率的工控數(shù)據(jù)集成標準，要做到實時安全監(jiān)測自動化與三維可視化是根本不可能的。

2）可以用浮動在屏幕上的數(shù)字標簽顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。浮動標簽始終顯示在最上層，不會被其他場景對象遮蓋，無論場景怎樣旋轉、移動，無論設備運動到什么位置，浮動標簽始終固定在該設備的空間位置上，始終正面朝上并面向操作者以便觀察。標簽的顯示內容可以定制，還可以打開或關閉浮動標簽的顯示。

3）可以在三維場景中以動畫的方式顯示設備的運行狀態(tài)，例如罐籠的上下移動、原煤運輸流動、采煤機行走等，可通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)控制這些動畫的運行樣式。

4）當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會及時報警，并對報警設備進行跟蹤定位。

5）為了控制數(shù)據(jù)量及更清晰地展示生產監(jiān)測狀況，三維系統(tǒng)采用分子系統(tǒng)顯示的模式。

4.3 儲量計算功能

本系統(tǒng)所采用的儲量計算方法是積分計算的。計算中考慮了劃定區(qū)域中每個網(wǎng)格體的厚度和傾角，較目前礦山所采用的計算方法更精確。支持同時計算多個區(qū)域，支持指定任意數(shù)量的儲量扣除區(qū)域（無煤區(qū)、保留區(qū)等）。計算后系統(tǒng)會自動將計算區(qū)域與扣除區(qū)域按不同顏色區(qū)分。

4.4 工作面視圖制作功能

“工作面視圖制作”模塊的特點是由形成的回采上巷、下巷、開切眼和停采線快速生成回采工作面的三維圖形，作圖簡單快捷。在使用之前必須制作好工作面回采巷道的視圖，即上巷（或回風巷）、下巷（或運輸巷）和開切眼圖形。此外，還必須有停采線，因為它確定了工作面走向的長度，停采線可以是線型線段。制圖時只需用鼠標分別點擊上巷（或回風巷）、下巷（或運輸巷）和開切眼、停采線以及三維煤層體視圖，即可自動生成三維回采工作面視圖，同時計算出回采工作面的主要參數(shù)，例如回采工作面長度、平均采高、工作面走向長度、在工作面階段的煤層傾角和可采儲量等。

4.5 視頻監(jiān)控功能

將監(jiān)控攝像頭模型布置在場景中，當用戶右鍵選擇一個攝像頭時，可以顯示該攝像頭的實時視頻。

4.6 安全操作規(guī)程培訓功能

可以模擬礦井的生產過程，在模擬狀態(tài)下培訓員工安全意識，結合語音解說，達到讓員工熟練掌握安全操作規(guī)范的目的。

5 結語

礦井安全生產管理三維可視化動態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)，以李村煤礦為試驗區(qū)，從礦井高效安全生產的實際出發(fā)，將全礦井的生產環(huán)境情況以三維動態(tài)模型的方式表現(xiàn)出來，為礦井生產的指揮決策和實時分析提供支持。該系統(tǒng)雖然是一個圖形系統(tǒng)，但立足于為生產管理提供服務，主要目的是綜合各生產活動的信息，輔助管理決策，而不是僅僅用于地測繪圖和建模型。煤（巖）層、地質構造、巷道、工作面、采空區(qū)、生產設備等三維模型均可以根據(jù)錄入的基礎數(shù)據(jù)自動成圖，無須手繪，極大地簡化了系統(tǒng)的操作，便于學習、應用和推廣。