基于三維GIS的礦山計量管理系統

鄭磊

摘? ?要：智慧礦山建設是未來的發展趨勢與必然方向，而對礦車的管理以及采礦量的計量更是重中之重。隨著物聯網、互聯網等新技術的飛速發展，基于互聯網的GIS技術逐漸應用于礦山計量管理。基于以上背景，文章重點探討了礦山計量管理系統的構建與關鍵技術，以北衙礦區為對象，設計和開發了一套基于三維GIS的礦山計量管理系統，實現對礦車和采礦量的實際監控、自動調度以及可視化、數字化、智能化控制，為礦山企業提供一個統一、融合、智能、高效的礦山計量管理平臺。

關鍵詞：三維地理信息系統;全球定位系統;礦車;計量;物聯網

我國經濟飛速發展，對礦產資源的需求猛增，其中礦山管理至關重要。傳統礦山的管理存在一礦多開、成本高、管理低效、生產效能低等問題。如何對礦山進行高效精細管理一直受到關注。隨著地球空間信息技術和計算機技術在采礦行業的不斷應用和發展，特別是數字礦山的提出，礦山的管理由傳統的“粗獷式”管理模式轉向現代化、精細管理模式[1]。研發一套科學、高效的礦山計量管理系統對礦山經濟、生產和安全具有很強的現實意義和使用價值。

在現代化礦山管理中，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術發揮著重要作用[2]。礦山管理通常會涉及復雜海量的數據集，包括礦山地理環境信息、礦山資源信息、管理信息、工程信息、人員信息等[3]。GIS能夠將礦山地質測繪中的多種信息與數據進行整合，使其形成一個整體，為礦山開發工作提供更多的理論依據。傳統的二維GIS空間尺度感較差，無法實現精確定位，也比較難用于三維場景的模擬和展示[4]。近年來，隨著技術的發展，三維GIS已被應用于各個領域，且在礦山領域的應用也越來越廣泛，相比于二維GIS，空間信息的展示更為直觀。

為了實現礦山采礦量信息管理的自動化和數據可視化、車輛管理與調度的自動化與實時化，同時，為了便于異地管理人員、礦上管理與操作人員瀏覽、管理礦場的運作信息，本研究以云南北衙礦山為例，研發基于三維GIS的北衙礦山計量管理系統。該系統能夠實時顯示所有運輸車輛的信息、獲取并顯示車輛的位置，能夠自動計算礦車的運礦量，同時可直觀地展示、查詢、統計、分析運礦信息，并使用二維和三維的方式直觀地展示給管理人員。

1? ? 礦山計量管理系統的功能設計

1.1? 系統功能需求分析

需求分析使得用戶和開發者之間建立共識，從而確保系統最終能夠滿足需求[5]。結合當前礦山礦車作業的實際情況，利用現有的GIS技術，建設礦山計量管理系統，使得日常管理更加標準化、流程化、規范化，以節約成本、提高效率。

（1）礦山計量涉及礦車監控、測量、數據處理、信息查詢等作業。傳統的人工計量方法精確度低、效率低、耗時高、成本高，已無法滿足當前信息社會的發展需求。礦山的計量主要包括對礦車的實時監控、精準地獲取礦車的運輸距離和運輸礦產量以及數據統計。

（2）礦車監控包含多種要素，如礦區三維展示、礦車實時位置展示、礦車運輸軌跡展示、礦車歷史軌跡展示。采用GIS技術集成礦山文檔對象模型（Document Object Model，DOM）影像數據和高精度數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據實現礦區的三維展示。利用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）技術實現礦車位置的實時獲取，在此基礎上展示運輸距離的計算和軌跡信息。利用端口協議通信技術獲取地磅數據，進一步計算每輛礦車每趟運輸的礦產量。

（3）礦山計量管理的目的是利用GIS技術、GPS技術、物聯網技術等實時地監控每一輛礦車的作業情況，精確地統計出每一輛礦車的運輸距離，同時結合地磅數據自動化地獲取重量數據。實現計量管理的透明化、合理化、精確化以及自動化、數字化、可視化、智能化，以降低成本、提高效率。

1.2? 系統結構設計

基于B/S的組織模式，使用Web方式開發礦山計量管理系統，實現礦產量信息、礦山地形及礦車信息獲取、存儲、展示、分析的一體化管理。系統分為客戶端、服務端、數據庫3個層次，如圖1所示。

1.2.1? 客戶端

用戶通過瀏覽器打開系統登錄頁面，客戶端向服務端發出登錄請求，服務端接收到請求且驗證登錄信息通過后，可在瀏覽器展示系統首頁和系統各功能。用戶根據需要點擊不同功能菜單、操作不同頁面，進行查詢、分析、編輯等操作。

1.2.2? 服務端

服務端是整個系統的核心部件，客戶端的所有請求都需要服務端處理，所有數據信息只有通過服務端才能給客戶端提供展示。主要包括：（1）用戶和登錄管理。對系統訪問做嚴格限制，只有系統授權的合法用戶才能登錄系統進行相關操作，以保證系統和數據安全。（2）三維模型構建及展示。采用Web版的GIS三維渲染引擎Cesiumjs，集成1∶2 000的礦山DOM影像數據和高精度礦山DEM數據，在動態構建的三維空間場景中對礦山及礦車三維軌跡顯示信息的分層表現、空間表現和立體表現。（3）礦車實時位置獲取。基于GPS技術、礦車搭載GPRS通信協議的GPS芯片，實時發送礦車位置信息到服務端，服務端將位置信息存入數據庫，用于礦車運輸距離計算、實時位置展示及軌跡展示。（4）地磅數據采集。根據地磅的型號和傳輸指令編寫地磅數據獲取工具，結合礦車自動識別模塊，將當前地磅數據與礦車進行關聯并獲取礦車所運輸礦產重量。（5）礦車自動識別。采用基于卷積神經網絡（Convolutional Neural Networks，CNN）的方法實現礦車號碼的自動識別。

1.2.3? 數據庫層

數據庫層是整個系統的數據源，用于存儲系統收集和生成的各種數據，為系統業務提供數據支撐。三維信息數據庫包括高分辨率影像和高精度地形數據。業務信息數據庫采用MySQL AB公司的關系型數據庫管理系統MySQL，存儲GPS定位位置坐標信息、采礦量信息、礦車信息、用戶信息等。

2? ? 礦山計量管理系統核心功能開發與應用

本系統包含3大功能模塊：信息綜合管理模塊、礦車管理模塊、系統支撐模塊，系統具體功能如圖2所示。系統體現3大定位：（1）實時獲取并顯示運輸礦車的精準信息。（2）自動化獲取運輸礦車的運輸量、識別碼等信息。（3）豐富靈活的信息展示、查詢與統計。

2.1? 核心功能開發

2.1.1? 信息綜合管理模塊

信息綜合管理模塊包含的功能為：信息查詢展示和數據統計，在礦山的日常運作過程中，會大量產生實時位置坐標、運輸距離、運輸重量以及礦車運行等信息，系統借助結構完善的MySQL數據庫存儲這些信息。本模塊能夠提供便利的各類信息檢索查詢，并以表格、圖表的形式進行直觀展示。同時，提供靈活多樣的統計功能，為管理人員了解礦山的整體運作情況提供便利。

2.1.2? 礦車管理模塊

礦車管理模塊包含的功能為：（1）礦車信息維護，將礦車信息錄入系統以便于查詢管理。（2）礦車GPS定位，基于GPS技術獲取礦車的實時位置信息、運輸距離信息和運輸軌跡信息。（3）礦車監控管理，在獲取GPS定位信息的基礎上可對礦車進行實時監控和軌跡展示。（4）礦車自動識別和重量獲取，自動識別礦車號碼和獲取礦車通過地磅時的稱重數據，并將號碼和重量數據關聯后存入數據庫。

2.1.3? 系統支撐模塊

系統支撐模塊包含的功能為：（1）系統登錄，對客戶端發起的系統登錄請求進行合法性驗證，保證系統只對合法用戶提供服務。（2）用戶和權限管理，管理可登錄系統的用戶并給用戶分配相應權限。（3）三維配置展示，借助高分辨率遙感影像和高精度的地形數據實現礦區的三維展示，以及礦車實時位置和軌跡信息的三維展示。

2.2? 核心功能應用

2.2.1? 信息綜合查詢

系統首頁實時顯示所有礦車的當前運行狀態、當天采礦量信息、當月采礦量信息及總采礦量信息，如圖3所示。通過表格、圖表等多種樣式展示，為管理人員監控礦車提供便利。

系統提供靈活的查詢功能，能夠查詢一段時間內礦山的采礦量并分析其趨勢;輸入礦車編號可查詢當前時刻該礦車的位置、該礦車歷史運輸情況;可查詢一定時間段內某輛車或者所有礦車的運輸情況和軌跡信息等。

系統提供豐富的統計功能，可以統計某輛礦車、所有礦車在某一時間段內的運輸距離信息和采礦量信息，并使用直方圖、線性圖等形式進行展示，同時能夠自動制作數據報表并輸出，方便管理人員統計報表。

2.2.2? 礦車信息維護

通過礦車信息維護功能對礦山所有礦車信息進行管理維護，只有通過該功能錄入的礦車才是系統中的有效礦車。礦車信息維護頁面默認分頁顯示所有車輛信息，每頁顯示10條，點擊分頁按鈕可查看相應頁面的礦車信息。通過頁面的添加車輛和批量添加功能，可以手動錄入和通過Excel表格導入的方式錄入礦車信息，包括礦車編號、空車重量、車型、司機、司機手機號、所屬車隊、GPS識別碼、SIM卡號等信息。

2.2.3? 重量獲取及礦車自動識別

在礦車運輸礦產過磅稱重時，地磅獲得礦車的運輸重量信息;同時，通過部署監控攝像頭，利用基于CNN實現的自動化信息識別技術，識別礦車編號。完成后，將獲取的運輸重量信息以及礦車編號信息傳送給服務端。服務端根據編號匹配礦車凈重，運輸重量減去礦車凈重可得本次礦車運輸的礦產重量，并存入數據庫。

2.2.4? 緩沖區分析

緩沖區分析包括點、線、面的分析，具體指在點、線、面實體的周圍，自動建立一定寬度的多邊形。點緩沖區用于確定礦車運輸的起點和終點;線緩沖區用于規劃礦車的運輸路徑;基于緩沖區結合GPS定位信息進行礦車運輸距離的計算。

2.2.5? GPS定位及三維信息展示

借助GPS定位技術在礦車上搭載GPS芯片，實現對運輸礦車的高精度定位。GPS終端實時向服務端發送位置信息，服務器端接收到位置信息后存儲到數據庫中?；贕PS定位建設3個功能：（1）礦車的實時監控，展示礦車的實時位置及當前工作狀態。（2）在三維場景中展示礦車的實時位置和運輸軌跡。（3）結合起點、終點緩沖區以及運輸路徑緩沖區計算礦車運輸距離。

客戶端提供三維展示界面，通過服務端查詢數據庫中礦車的位置信息，實時顯示礦車的運行位置及礦車運行軌跡，以便在階梯狀礦山中展示礦車的位置。如圖4所示，系統可以展示實時位置信息和歷史運輸軌跡信息。

3? ? 結語

在礦山管理智能化的趨勢下，本研究詳細討論了礦車管理及采礦計量管理系統的設計與構建。本系統采用B/S架構的Web方式，基于三維GIS，GPS等技術實現礦山及礦車實時位置和運輸軌跡的三維展示。結合物聯網技術，實現礦車位置數據和地磅數據的實時獲取與存儲。其中，礦車號碼自動識別是基于CNN實現的，預先采集大量可明顯顯示礦車編號的視頻和圖片，進行數據處理與訓練得到特征矩陣?？删_地識別每一輛經過地磅的礦車編號，結合地磅數據得到每輛礦車每趟運輸的運輸距離和采礦量，提供豐富智能的信息查詢統計功能，方便管理人員指導決策。

本系統采用多種新技術，結合礦山智能化管理的實際情況實現對礦車和采礦量的實時監控以及自動化、數字化、可視化、智能化控制。本研究開發的三維礦山計量管理系統，根據礦山的實際開采和運輸而設計，當監測區域發生變化時，只需要重新設計和更新數據庫表格和三維影像數據，而基本設計框架保持不變，具有較廣泛的適用性。

[參考文獻]

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[3]宋海萍，張錦，王愛愛，等.基于GIS的礦山工程管理系統技術體系設計和應用[J].山西煤炭，2011（5）：51-53，72.

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Designed on a three-dimensional GIS-based mine metrological management system

Zheng Lei

（Beijing Sankuai Online Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）

Abstract：The construction of smart mines will become an inevitable trend in the future and its top priority will be the management of mining cart and the measurement of mining volume. With the rapid development of new technologies such as the Internet of Things and the Internet， GIS technology based on the Internet is gradually applied to the metrological management of mine. In this context， this article focuses on the construction and key technologies of the metrological management system of mine. Taking Beiya mining area as an object， a three-dimensional GIS-based metrological management system is designed and developed to realize the actual monitoring and automatic scheduling of mining cart and mining volume. With this system， visual， digital and intelligent control is achievable. It provides a unified， integrated， intelligent and efficient platform for mining enterprises in metrological management.

Key words：three-dimensional geographic information system; global positioning system; mining cart; metrological managemen; Internet of Things