基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦三維安全生產(chǎn)信息平臺(tái)

郭 超，李麗絨

(1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 信息化管理部， 山西 太原 030024;2.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 山西 太原 030024)

數(shù)字經(jīng)濟(jì)是全球未來的發(fā)展方向，正日益成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主形態(tài)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的融合發(fā)展為我國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展指明了方向。煤炭企業(yè)作為基礎(chǔ)類的實(shí)體經(jīng)濟(jì)體，近年來信息化、數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但煤礦現(xiàn)有的綜采綜掘自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)大多獨(dú)立運(yùn)行，信息不能共享，“信息孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重，且大多信息化系統(tǒng)為二維系統(tǒng)，缺少一個(gè)能有效集成現(xiàn)有信息化系統(tǒng)的、統(tǒng)一的三維信息化基礎(chǔ)平臺(tái)，無法滿足煤礦企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)過程進(jìn)行三維可視化監(jiān)控的要求。

當(dāng)前，已有不少學(xué)者在煤礦信息系統(tǒng)的集成方面展開了研究。鮑店煤礦調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)[1]集成了不少應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的指導(dǎo)。關(guān)輝等[2]研究設(shè)計(jì)了煤礦無線綜合調(diào)度系統(tǒng)，在iPad上實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦生產(chǎn)信息的綜合分析查詢等功能。郭斐[3]提出了基于MVC的煤礦經(jīng)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)。彭超[4]開發(fā)設(shè)計(jì)了基于B/S模式的煤礦生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。但上述系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)的三維可視化監(jiān)控。唐亞平[5]基于嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，在移動(dòng)終端上實(shí)現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，拓展了調(diào)度系統(tǒng)的使用范圍。潘志剛等[6]提出了一種基于智能手機(jī)的煤礦GIS檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空間信息與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)。但文獻(xiàn)[5-6]提出的系統(tǒng)均為二維系統(tǒng)。黃偉力等[7]基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。王建[8]提出了包含礦端、集團(tuán)端兩個(gè)層級(jí)的煤礦調(diào)度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的輸入、更新和查詢等功能。文獻(xiàn)[7-8]中涉及的系統(tǒng)并未在實(shí)際煤礦生產(chǎn)中得到應(yīng)用驗(yàn)證。陶海英[9]給出了煤礦生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的整體解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭產(chǎn)量、銷售等相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。趙萌[10]從提高調(diào)度管理效率的角度出發(fā)，開發(fā)了一套煤礦調(diào)度管理系統(tǒng)。高強(qiáng)[11]提出的煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)報(bào)表、值班管理等為目標(biāo)。文獻(xiàn)[9-11]中提到的系統(tǒng)均未涉及對(duì)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的建模。

本文提出一種基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦三維安全生產(chǎn)信息平臺(tái)，主要包括煤礦井下與地面生產(chǎn)系統(tǒng)的三維建模、基于實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的三維可視化仿真兩部分：通過Sketch up軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下及地面主要生產(chǎn)系統(tǒng)的三維建模，為煤礦三維安全生產(chǎn)的可視化仿真奠定了基礎(chǔ)；利用輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換語言Json作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式，對(duì)煤礦原有信息系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、集成，生成實(shí)時(shí)更新的Json數(shù)據(jù)文件，通過Json實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制三維模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真。

1 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦三維安全生產(chǎn)信息平臺(tái)架構(gòu)

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦三維安全生產(chǎn)信息平臺(tái)架構(gòu)(圖1)主要包括數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、用戶展示層3個(gè)層級(jí)。

在數(shù)據(jù)訪問層，煤礦現(xiàn)有的綜采綜掘自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)、人員定位、壓風(fēng)監(jiān)測(cè)、供水施救等信息系統(tǒng)由不同的廠家在不同的時(shí)期建設(shè)完成，各系統(tǒng)大多獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)之間“數(shù)據(jù)壁壘”“信息孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)煤礦現(xiàn)有信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過抽取、轉(zhuǎn)換、清洗等過程，統(tǒng)一生成響應(yīng)快、兼容性強(qiáng)、易于生成和解析的輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式Json，用于支持本平臺(tái)與煤礦現(xiàn)有信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，打破現(xiàn)有信息系統(tǒng)“數(shù)據(jù)壁壘”。

在業(yè)務(wù)邏輯層，采用易于表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、操作便捷的Sketch up對(duì)煤礦地面及井下系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，通過數(shù)據(jù)訪問層中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦采煤工作面作業(yè)情況、風(fēng)機(jī)狀態(tài)等主要生產(chǎn)過程的三維可視化仿真。

在用戶展示層，用戶可通過PC端、礦調(diào)度大屏顯示終端等設(shè)備的GUI界面實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的實(shí)時(shí)交互，使用戶在及時(shí)掌握煤礦安全生產(chǎn)情況的同時(shí)，增強(qiáng)用戶真實(shí)感、體驗(yàn)感。

圖1 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦三維安全生產(chǎn)信息平臺(tái)架構(gòu)圖

2 三維建模

煤礦地面及井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)的三維建模主要包括三維靜態(tài)建模、三維運(yùn)動(dòng)建模、數(shù)據(jù)可視化的建模3部分。本文采用Sketch up實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地面及井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)的三維建模(圖2). 煤礦地面主要生產(chǎn)系統(tǒng)的三維靜態(tài)建模主要包括基于Google地圖的煤礦三維地形建模(圖3)、供水池等的建模。煤礦井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)的三維靜態(tài)建模主要包括采煤工作面、采煤機(jī)、皮帶、煤倉(cāng)、巷道等的建模。地面三維運(yùn)動(dòng)建模主要包括風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)建模、供水池水位變化建模等。井下三維運(yùn)動(dòng)建模主要包括皮帶靜態(tài)部分和運(yùn)動(dòng)部分的皮帶三維運(yùn)動(dòng)建模等(圖4). 數(shù)據(jù)三維可視化建模主要包括采煤工作面人數(shù)可視化建模、瓦斯監(jiān)測(cè)建模等。

圖2 煤礦地面及井下生產(chǎn)系統(tǒng)的三維模型圖

圖3 基于Google地圖的煤礦三維地形模型圖

圖4 皮帶三維運(yùn)動(dòng)模型圖

3 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維可視化仿真

通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式Json實(shí)時(shí)匯聚、集成煤礦現(xiàn)有信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并以網(wǎng)頁形式存儲(chǔ)于煤礦內(nèi)網(wǎng)(圖5). 利用Json中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過Open Inventor提供的算法，控制煤礦地面及井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維可視化仿真。

圖5 以網(wǎng)頁形式存儲(chǔ)于煤礦內(nèi)網(wǎng)的Json數(shù)據(jù)文件圖

以采煤工作面刮板輸送機(jī)模型運(yùn)動(dòng)的控制過程(圖6)為例，描述基于Json實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維可視化仿真過程。

圖6 采煤工作面刮板輸送機(jī)模型運(yùn)動(dòng)的控制過程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文提出的平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)語言為C++，圖形用戶界面由Qt生成，利用Open Inventor實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的運(yùn)動(dòng)仿真及顯示。平臺(tái)已在山西焦煤集團(tuán)某所屬煤礦成功試運(yùn)行。

利用采煤工作面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制三維模型實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變化(圖7)，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)的開停數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)控制相應(yīng)三維模型是否做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采煤工作面人數(shù)和瓦斯數(shù)值可實(shí)時(shí)顯示于相應(yīng)三維模型。

圖7 采煤工作面狀態(tài)變化圖

利用煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)和供水池水位數(shù)據(jù)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和供水池水位的實(shí)時(shí)控制，風(fēng)機(jī)的開停數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)控制風(fēng)機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，供水池水位值可實(shí)時(shí)控制供水池水位變化。

5 結(jié) 論

本文提出一種基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦三維安全生產(chǎn)信息平臺(tái)，通過Sketch Up軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)的三維建模，并利用輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換語言Json作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式，對(duì)煤礦現(xiàn)有綜采綜掘自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、壓風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)等系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、匯聚，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于Json實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)三維可視化仿真。本文提出的平臺(tái)已在山西焦煤集團(tuán)某所屬煤礦成功應(yīng)用，通過三維可視化操作界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主要生產(chǎn)過程的三維可視化監(jiān)測(cè)，為礦井安全生產(chǎn)、預(yù)防事故和處理突發(fā)災(zāi)害等提供重要支撐。

本文提出的平臺(tái)當(dāng)前僅集成了煤礦現(xiàn)有的部分主要生產(chǎn)信息平臺(tái)，針對(duì)煤礦頂板監(jiān)測(cè)、車輛調(diào)度等煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)尚未有效集成，無法滿足對(duì)煤礦整個(gè)安全生產(chǎn)過程進(jìn)行三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，這也是該課題下一步的研究方向。