1 数字矿山定义
2000年, 笔者参照数字地球的概念[5,6], 对数字矿山定义如下:“数字矿山是对真实矿山整体及相关现象的统一认识与数字化再现, 是一个‘硅质矿山’, 是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分”[2]。指出“数字矿山的核心是在统一的时间坐标和空间框架下, 科学合理地组织各类矿山信息, 将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合”, “数字矿山的任务是在矿业信息数据仓库的基础上, 充分利用现代空间分析、数据采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术, 为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具”[1,2]。
2 数字矿山内涵
为阐明数字矿山的内涵, 2003年, 笔者以智能交通体系为参照描述了数字矿山的六大基本特征, 即以高速企业网为“路网”、以组件式矿山软件为“车辆”、以矿山数据与模型为“燃油”、以3DGM与数据挖掘为“过滤”、以数据采集与更新为“保障”、以矿山GIS为“调度”;并基于4层C/S结构和矿山业务流程, 采用同心圆模式 (其中心为数据库和模型库) 设计了数字矿山的基本框架, 由外向里依次为采集系统、调度系统、应用系统、过滤系统、核心系统共5部分[11]。
2004年, 结合中国科学技术协会“数字矿山战略与未来发展”青年科学家论坛的集体讨论意见, 提出“数字矿山是在统一的时空框架下, 对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现”, 进一步明确“数字矿山的核心是在统一的时间参照与空间框架下, 科学有序地组织、管理、维护和通过真三维可视化表达等不同手段获取海量、异质、异构、多维、动态的矿山信息, 并建立矿山信息的分布式共享、协同与利用机制, 形成多种灵活便捷的数字方法与模拟工具……”[12]。同时指出:“数字矿山建设的总体目标是实现矿山的高效、安全、绿色与可持续。数字矿山建设是一个由初级、中级到高级的发展过程”[11]。
通过对中国数字矿山进展的总结回顾[10], 2008年, 笔者按数据流和功能流对数字矿山的同心圆模式由外向里重新定义为数据获取系统、集成调度系统、工程应用系统、数据处理系统和数据管理系统;提出“数字矿山是一种理念、一个过程, 可以采用‘五化’来描述数字矿山的发展目标, 即数字化地集成管理与共享利用各类矿山数据与信息资源, 可视化地3维模拟和虚拟再现矿山地质采矿环境、过程及其相关现象, 仿真化地模拟分析矿山采掘活动、采动影响与灾变过程, 智能化地分析提取采动影响规律及环境与工艺参数, 自动化地预警矿山灾害和启动安全预案”[10]。并且, 概括出数字矿山的三大特性, 即数据资源特性、信息基准特性和开放平台特性;指出顾及矿山数据多尺度性、现势性和共享性的矿山空间数据仓库, 需要服务于从地质勘探、井田规划、矿山设计、矿井生产、安全监控、生产管理到环境恢复的矿山全生命周期[10]。
3 数字矿山内涵理解
数字矿山概念提出以来, 国内许多专家学者围绕它进行了深入研究与热烈讨论。以中国期刊网 (CNKI) 为例, 2000年以来, 主题词为“数字矿山”或“数字化矿山”的学术论文数量稳定增长, 尤其2006年之后年增长速度超过30%。其中, 不乏从不同角度对数字矿山进行内涵分析与理解。
代表性的有: (1) 理解为矿山GIS, 或3S技术 (GIS、遥感与全球定位技术) 在矿山的集成应用, 如“数字矿山是以空间信息为基础的矿山信息系统体系”[13], “数字矿山是以计算机及其网络为手段, 把矿山所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工, 并应用于各个生产环节与管理和决策之中”[14]; (2) 理解为数字化矿山, 如“数字化矿山就是一个矿山范围内的以三维坐标及其相互关系组成的信息框架, 并在该框架内嵌入所获得的信息的总称[15]; (3) 理解为智慧矿山, 如“是建立在矿山数字化基础上能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务的数字化智慧体”[16]; (4) 理解为虚拟矿山, 如“数字矿山是真实矿山整体及其生产经营过程的全面数字化、信息化和可视化, 是存储于计算机网络上的、能供多用户访问和应用的一种虚拟矿山”[17]; (5) 此外, 也有简单理解为建立一批数据库、一个电子矿图系统、一个管理信息系统 (MIS) 或一个企业资源计划系统 (ERP) 。
以上理解尽管不全面, 但从不同侧面均有道理。总体而言, 数字矿山应是以矿山空间数据与模型为中心, 是空间信息技术、网络技术及可视化技术在矿山企业综合应用的集中体现。矿山数据、模型、软件、网络及传感器共同构成矿山空间数据基础设施 (Mine Spatial Data Infrastructure, MSDI) , 是数字矿山的基础;以矿山地面地下地物、采掘工程、人员设备、监测监控等信息为主体内容的矿山空间数据仓库 (Mine Spatial Data Warehouse, MSDW) , 是数字矿山的核心。数字矿山的基本任务是通过统一时空基准、统一数据标准、统一网络结构和统一集成平台 (简称“四个统一”) , 为矿山生产全过程的可视化、精细化、智能化管控提供数据保障与技术支持。从空间数据的应用角度看, 数字矿山可分为3个层次: (1) 电子矿图:矿山地测空间数据数字化与二维矿图自动更新; (2) 矿山GIS:矿山真三维地矿建模与可视化分析应用; (3) 数字矿山:全矿山空间信息动态关联与安全生产集成服务。在这3个层次的数字矿山舞台上, 矿山地测、采矿、安全、通信与自动化专业人员可以充分发挥作用。
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