第六届全国矿山测量学术讨论会论文集吴立新（中国矿业大学3S与沉陷工程研究所，北京，100083）性问题基于对数字矿山6项基本特征的论述，设计了数字矿山的基本框架，包括其基本组成与网络架构，进而分析了数字矿山战略实施的9项关键技术* 1前言人类生存的空间是有限的，而生存的过程是无限。如何合理开发与利用有限空间中（地球）的有限矿山资源来满足人类社会在无限时间中的可持续发展需求，己成为人类社会的共同主题。在以知识经济为特征的信息社会中，信息不仅将作为一种重要的经济资源，而且将作为一种物质形式与自然资源相耦合，成为人类生存与发展的基础，并规范人类开发、加工和利用各类自然资源（包括矿产资源）的方式与方法。
采矿业是以自然资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段，信息化程度很低。综观历史，采矿业曾受到大大小小技术进步的巨大冲击。如今，数字地球（Digita丨Earth，DE）和数字中国（DigitalChinaDC）的钟声，己经和正在惊醒一代采矿人作为矿山测量界的一员，回顾过去，展望未来，设想21世纪数字矿山模式，令人激动也富于挑战。
2数字矿山及其战略意义2.1国际动态加拿大己制订出一项拟在2050年实现的远景规划：即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿：芬兰采矿工业也于丨992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题；瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划。中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人（MR）、矿山地理信息系统（MGIS）11三维地学模拟（3DGM）P1、矿山虚拟现实（MVR）w、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究。
（CS丨RO）制定了一项关于煤炭勘探与开采的三年研究计划，投入3100万澳元，围绕资源评估、采矿工艺革新、矿井瓦斯控制与利用、自动化、安全和材料精细控制等六个方面、按18个专门项目进行研究其中地质评估与急救响应是最具特色的两项*1）地质评估：开发了一个基于3D块体模型的软件来评估矿井或采区的地层环境（沉积环境）；并且通过一个交互式3D（和4D）软件包来对多种异质数据（微震监测数据、中子伽玛采样数据等）进行3D可视化：以及通过有限元/有限差分（FE/FD）模型来逼真地模拟开采后的岩体变形。2）急救响应：开发了一个人身安全定位与监测系统，该系统由控制装置、监测设备、网络灯标和矿工异频雷达收发机组成，具有无线通讯能力，即使在发生瓦斯爆炸等井下灾害之后仍能报告井下矿工的位置和安全状况；并开发了一个名叫Numbat的遥控无人驾驶急救车，用于爆炸之后对伤员进行紧急抢救。
随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策和3DGM的应用，国际上一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿区）己可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理与遥控指挥系统。此外，专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、GPS技术、并行计算技术、射频识别技术以及面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在智能矿山地质勘探调与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与控制、矿山灾害遥感预报等研究领域得到应用|4.第六届全国矿山拥fl学术讨论会论文2.2数字矿山原型：遥控采矿国际著名矿山企业一一加拿大国际镍公司（lnco）从20世纪90年代初开始研究遥控采矿技术。目标是实现整个采矿过程的遥控操作。丨nco公司给遥控采矿下的定义是“利用目前最先进的技术，包括地下通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统，去操纵采矿设备与采矿系统。”遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与破、自动装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等，其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统（要求达到mm级）。
现在，丨nco公司己研制出样机系统，并在加拿人安太略省的萨德泊里盆地的几家地下锿矿试用。实现了从地而对地下矿山进行控制，甚至可以从400Km以外的首都多伦多对地下镍矿的采、掘、运活动进行远距离控制。遥控采矿的核心部件是lnco公司开发的一个能在地下获取定位数据的名叫HORTA的装置》将该装置安装在地下观测乍上，当观测车在地下或矿体内部巷道中漫游时，HORTA就会利用其激光陀螺仪和激光扫描仪在水平和垂直面上扫描矿山巷道的断面。进而产生巷道的三维结构图。丨nco公司还计划将HORTA完善后，将其安装在钻机上届时，安装了HORTA装置的钻机将自动驶往目标巷道，自动完成开凿作业，然后再0动驶往下一巷道》别灯6台和8台遥控采矿设备投入运行151.1999年6月。lnco公司在地面的一幢大楼内设立了一个中央控制站，对该公司所属的多个矿山、多个矿体的开采活动进行集中自动控制。由此，地下矿山的采、掘、运均实现了无人作业，即无人采矿（hands-offmining），仅当设备出现故时，维修人员才会到达采掘现场。
越丁遥控采矿的技术特点。设想未来的数字矿山的原形系统如所示：图I数字矿山琢型2.3中国矿山面临的挑战建国以来，中国矿业经过半个世纪的快速发展，己建成国有矿山近万座，集体矿山和其他非国有矿山20多万座，年开采矿石量超过50亿t，从业人员2100万，带动了300座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城市的兴起（其中煤炭城市54座），乡及乡以上的矿产采选业产值占GDP的6.27%（丨997年）：全国固体矿产产值占世界产值的16.5%（1996年），居世界第二位，能源矿产产值占世界的9.1%（1996年），居世界第三位中国己由一个矿业弱国跃入世界矿业大国的行列快速传递。同时，还必须与Nil（NationalInformationInfrastructure）与DC建设相协调，以利于矿山产品、经营等社会化信息在Internet上的快速传递，便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。因此，高速企业网技术是关键之一。
为满足不断扩展的矿山需求，必须开发适合不同用户层次、具有不同功能的矿山应用系统和软件模块，即需要制造多品种、多型号的“车辆”：如采矿CAD、采矿仿真技术、各类科学计算工具（如有限元、离散元、边界元和有限差分模型等）和3D可视化工具等。随计算机性能的不断提高和并行计算技术的采用，矿山业主和技术人员不仅可以对采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与虚拟分析，而且可对矿工进行虚拟岗前培训，提高矿工的安全意识、防灾减灾能力和作业工作效率。
3）以矿业数据和应用模型为“货物”
DM的核心是数据仓库。DM数据仓库由两部分组成，就象人的左右心室：一侧为数据仓库，管理海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息：另一侧为模型仓库，管理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、瓦斯聚集模型、涌水计算等。数据仓库所管理的海量数据与模型仓库所管理的矿业模型，就是可以被各类“车辆”在DM 4）以3DGM和数据挖掘为“包装”
为满足不同用户和不同目的的需要，必须对组。三维地学模拟（3DGM）是DM的技术核心之一。它是基于钻孔资料、地震资料、开挖设计数据及各类物探、化探资料，来建立矿山井田、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3D模型。在此基础上进行矿床地质条件评估、地质构造预测、精细地学参量半定量分析、深部成矿定位预测、矿产资储量管理、经济可采性评估、开拓设计、支护设计和风险评估等，从而辅助矿山决策，确保矿山工程的科学、可靠与安全。
数据挖掘是利用基于知识的工程（KBE）技术和人工智能，从DM中的海量矿山数据中为用户挖掘有用数据、获取决策信息，以及建立求解各类具体工程、生产、管理与经营等问题的应用模型，是DM的实用化工具只有当DM能够方便、快速地从其数据仓库中提取用户所需的显式数据与模型，智能、快速地从其数据仓库中重新组织并产生用户所需的隐式数据与模型的能力时，DM的海量矿山信息才能被未经过特别培训的用户和各业务部门所共享，5）以多源异质矿业数据采集与更新为“保”DM必须以测量（遥感RS、全球定位系统GPS、数字摄影测量DP、常规地面测量NS和井下测量US等）、勘探（钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、传感（指各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备/仪器采集系统，如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动监测、机械信号与故障传感、工业电视等）和文档录入（法规、法令、文件、档案、统计数据等）为综合手段，来建立精确、动态和全面的矿山综合信息采集与数据更新系统。只有实现了矿业综合数据的动态采集与快速更新，才能为动态时效的3DGM与MGIS提供数据粮食，为遥控采矿或无人采矿提供信息保障。此外，还要在3DGM的基础上，基于统一的时空参照、元数据和编码，根据需要将上述多源异质数据进行有选择的融合和分类，形成无缝无斥的数据组织。
5）以MGIS为“调度”
DM是以MGIS作为矿山整体信息与办公决策的公共载体和总“调度”。在统一的时空间参照下进行采矿动态组织与管理，并调度和控制各类“车辆”与设备的使用和运行、“货物”的制造、管理与包装等系统功能，面向2丨世纪DM的MGIS系统应该是一个能为采矿业提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化、分析与决策支持的复杂巨系统它允许在2D或3DTIN表面上叠加影像、图片、测量数据、地震资料、纹理及其它数据。
它应具有3DGM整合、3D空间网络分析、多目标决策分析、飞行模拟等基本功能，并实现以下应用功能：辅助勘探、交互式采矿设计与规划、实时开采模拟、作业安排与监测、资源动态管理、地质统计、地下水模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、支持复垦规划、生态恢复和矿区可第六届全国矿山测学术讨论会论文集33DM的基本组成w持续发展多目标决策等。
4数字矿山的基本框架基于系统理论的层次结构和以矿山地理信息系统（MGIS）为核心的4层客户机/服务器（C/S）网络模式，设计了DM的基本组成和网络架构。
4.1DM的基本组成DM应是一个层次结构。如所示，按数的基础上，改进设计了一种采用4层C/S的网络模式系统的数据组织以对象关系型数据库为核心，负责对多源异质信息和矿业应用模型进行管理和维护。系统的C/S结构与网络化数据流如所示。服务器端由GIS服务器、功能服务器和数据与模型服务器3层组成。客户机、GIS服务器、功能服务器和分布式数据与模型服务器分别对应处理GUI用户界面、G1S应用程序逻辑、矿业功能模块调用逻辑、数据存储与矿业模型访5DM的关键技术基于DM的定义、内涵、特征与基本框架分析，作者认为实施DM战略，必须需要围绕以下九项关键技术进行研究和攻关：1）矿山数据仓库技术：针对矿山信息的“五性四多”（复杂性、海量性、异质性、不确定性和据流和功能流，由外向里分别为采集系统、调度系统、功能系统、包装系统、核心系统共5部分。
1）采集系统：负责数据采集与处理，包括测量、勘探、传感和文档4类基础数据采集子系统：与维护、空间询与分析、制图与输出等GIS基本功能，并进行数据访问控制、开放接口和生产调度与指挥管理；3）功能系统：负责提供各类专业模拟与分析功能，包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV等；4）包装系统：负责提供3D空间建模工具和多源异质矿山数据的空间融合环境和数据过滤、组合与封装机制，包括3DGM和数据挖掘工具：5）核心系统：负责统一管理数据和模型，由时空数据仓库和应用模型库两个子系统组成。
4.2DM的网络架构DM系统在矿山企业中的业务化运作是基于企业的宽带、高速网络来实现的。为此，在问逻辑等任务。
服务器接田3基于C/S的DM网络架构11第六届全国矿山测量学术讨论会论文集动态性，多源、多精度、多时相和多尺度）特点，为统一管理和共享数据，必须研究一种新型的数据仓库技术，包括矿山数据组织、分类编码、元数据标准、篼效检索、快速更新与分布式管理等；的上述特点，为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息、发掘隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测等，必须研究一种高效、智能、透明、符合矿山思维、基于专家知识的数据挖掘技术；物探、测量、传感等数据于一体进行真3D地学模拟，并实现动态数据维护（局部快速更新、细化、修改、补充等），才能对地层环境、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的3D可视化再现、模拟与分析：分析与应用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测等，均以矿山3D实体的属性、几何与拓扑数据的统一组织为基础，因此，必须立足矿山3D数据的矢栅集成，解决矿山3D拓扑描述、表达、组织与维护这一技术难题；与应用，矿山生产的评估与监控，矿山工程的模拟与决策等，均以各类应用软件与相关模型为工具，必须研制为满足不同需求、提供不同服务的多品种、多型号、多功能、组件式“车辆”；6）地下快速定位与自动导航技术：基于GPS的地面快速定位与自动导航问题己基本解决，而在卫星信号不能到达的地下矿井，除传统的陀螺定向与初露端倪的影像匹配之外，尚没有满足矿山工程精度与作业速度要求的地下快速定位与自动导航的理论、技术与仪器；井通信方面，除宽带网络之外，如何快速、准确、完整、清晰、实时地采集与传输矿山井下各类环境指标、设备工况、人员信息、作业参数与调度指令，并以多媒体的形式进行地面-井下双向、无线传输，是有待研究解决的关键技术；自动化方面，要突破过去关于采矿机器人的个体“人”的概念，要从整体采矿设备整体与全作业流程的自动控制、协调、适应、保护、调整、修复甚至再生的角度，去理解、研究和设计新一代智能化采矿机器人“班组”：实现全矿山、全过程、全周期的数字化管理、作业、指挥与调度，必须基于矿山GIS对矿山信息的统一管理与可视化表达，无缝集成自动化办公（OA）和指挥调度系统（CDS），真正做到数据融合、流程匹配与组织协调。
6结语中国矿业要走出困境，面向21世纪寻求可持续发展，必须走DM之路。通过信息化改造和DM技术的推行，使传统的采矿业在采矿工艺、生产管理、组织结构、工程决策等方面有大的调整。只有这样，才能在未来510年内，力争实现矿业科技与矿业生产工艺的跨越式发展。同时，必须清醒的认识到，矿山信息化改造与DM建设是一项复杂、系统而艰巨的工作，有人的因素，也有技术的因素和资金的制约，必须在资金与人才方面兼顾，有计划、有步骤地稳步推进。
免责声明：矿库网文章内容来源于网络，为了传递信息，我们转载部分内容，尊重原作者的版权。所有转载文章仅用于学习和交流之目的，并非商业用途。如有侵权，请及时联系我们删除。感谢您的理解与支持。
