數(shù)字礦山的國內(nèi)外動態(tài)

人類生存的空間是有限的，而生存的過程是無限。如何合理開發(fā)與利用有限空間中（地球）的有限礦山資源來滿足人類社會在無限時間中的可持續(xù)發(fā)展需求，已成為人類社會的共同主題。在以知識經(jīng)濟為特征的信息社會中，信息不僅將作為一種重要的經(jīng)濟資源，而且將作為一種物質形式與自然資源相耦合，成為人類生存與發(fā)展的基礎，并規(guī)范人類開發(fā)、加工和利用各類自然資源（包括礦產(chǎn)資源）的方式與方法。采礦業(yè)是以自然資源為生產(chǎn)對象的古老產(chǎn)業(yè)，絕大多數(shù)礦山企業(yè)還處在勞動密集性階段，信息化程度很低。綜觀歷史，采礦業(yè)曾受到大大小小技術進步的巨大沖擊。如今，數(shù)字地球（DigitalEarth,DE）和數(shù)字中國（DigitalChina,DC）的鐘聲，已經(jīng)和正在驚醒一代采礦人。作為礦山測量界的一員，回顧過去，展望未來，設想21世紀數(shù)字礦山模式，令人激動也富于挑戰(zhàn)。

數(shù)字礦山的基本特征與關鍵技術1國際動態(tài)

加拿大已制訂出一項擬在2050年實現(xiàn)的遠景規(guī)劃：即將加拿大北部邊遠地區(qū)的一個礦山實現(xiàn)為無人礦井，從薩得伯里通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設備實現(xiàn)機械自動破碎和自動切割采礦；芬蘭采礦工業(yè)也于1992年宣布了自己的智能采礦技術方案，涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網(wǎng)建設、新機械應用和自動控制等28個專題；瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“Grountecknik2000”戰(zhàn)略計劃。中國礦業(yè)大學等單位也相繼開展了采礦機器人（MR）、礦山地理信息系統(tǒng)（MGIS）、三維地學模擬（3DGM）、礦山虛擬現(xiàn)實（MVR）、礦山GPS定位等方面的技術開發(fā)與應用研究。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

1國際動態(tài)

1997年7月，澳大利亞聯(lián)邦科工組織（CSIRO）制定了一項關于煤炭勘探與開采的三年研究計劃，投入3100萬澳元，圍繞資源評估、采礦工藝革新、礦井瓦斯控制與利用、自動化、安全和材料精細控制等六個方面、按18個專門項目進行研究。其中地質評估與急救響應是最具特色的兩項。1）地質評估：開發(fā)了一個基于3D塊體模型的軟件來評估礦井或采區(qū)的地層環(huán)境（沉積環(huán)境）；并且通過一個交互式3D（和4D）軟件包來對多種異質數(shù)據(jù)（微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、中子伽瑪采樣數(shù)據(jù)等）進行3D可視化；以及通過有限元/有限差分（FE/FD）模型來逼真地模擬開采后的巖體變形。2）急救響應：開發(fā)了一個人身安全定位與監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制裝置、監(jiān)測設備、網(wǎng)絡燈標和礦工異頻雷達收發(fā)機組成，具有無線通訊能力，即使在發(fā)生瓦斯爆炸等井下災害之后仍能報告井下礦工的位置和安全狀況；并開發(fā)了一個名叫Numbat的遙控無人駕駛急救車，用于爆炸之后對傷員進行緊急搶救。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

1國際動態(tài)

隨著實時礦山測量、GPS實時導航與RS、GIS管理與輔助決策和3DGM的應用，國際上一些大型露天礦山（包括我國的平朔、霍林河礦區(qū)）已可在辦公室生成礦床模型、礦山采掘計劃，并與采場設備相聯(lián)系，形成動態(tài)管理與遙控指揮系統(tǒng)。此外，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、自適應模式識別、遺傳算法等人工智能技術、GPS技術、并行計算技術、射頻識別技術以及面向巖石力學問題的全局優(yōu)化方法、遙感技術等已在智能礦山地質勘探調(diào)查與測量、智能礦山設計、智能礦山開采、計劃與控制、礦山災害遙感預報等研究領域得到應用數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

數(shù)字礦山原型：遙控采礦

國際著名礦山企業(yè)——加拿大國際鎳公司（Inco）從20世紀90年代初開始研究遙控采礦技術，目標是實現(xiàn)整個采礦過程的遙控操作。Inco公司給遙控采礦下的定義是：“利用目前最先進的技術，包括地下通訊、定位、工藝設計、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，去操縱采礦設備與采礦系統(tǒng)?！边b控采礦工藝包括自動鑿巖、自動裝藥與爆破、自動裝巖、自動轉運、自動卸巖和自動支護等，其技術基礎是高速地下通訊系統(tǒng)和高精度地下定位、定向系統(tǒng)（要求達到mm級）。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

數(shù)字礦山原型：遙控采礦

現(xiàn)在，Inco公司已研制出樣機系統(tǒng)，并在加拿大安太略省的薩德泊里盆地的幾家地下鎳礦試用。實現(xiàn)了從地面對地下礦山進行控制，甚至可以從400Km以外的首都多倫多對地下鎳礦的采、掘、運活動進行遠距離控制。遙控采礦的核心部件是Inco公司開發(fā)的一個能在地下獲取定位數(shù)據(jù)的名叫HORTA的裝置。將該裝置安裝在地下觀測車上，當觀測車在地下或礦體內(nèi)部巷道中漫游時，HORTA就會利用其激光陀螺儀和激光掃描儀在水平和垂直面上掃描礦山巷道的斷面，進而產(chǎn)生巷道的三維結構圖。Inco公司還計劃將HORTA完善后，將其安裝在鉆機上。屆時，安裝了HORTA裝置的鉆機將自動駛往目標巷道，自動完成開鑿作業(yè)，然后再自動駛往下一巷道。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

數(shù)字礦山原型：遙控采礦目前，Inco公司在Stobie礦和Greighton礦分別有6臺和8臺遙控采礦設備投入運行。1999年6月，Inco公司在地面的一幢大樓內(nèi)設立了一個中央控制站，對該公司所屬的多個礦山、多個礦體的開采活動進行集中自動控制。由此，地下礦山的采、掘、運均實現(xiàn)了無人作業(yè)，即無人采礦（hands-offmining），僅當設備出現(xiàn)故障時，維修人員才會到達采掘現(xiàn)場。

數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

2中國礦山面臨的挑戰(zhàn)

建國以來，中國礦業(yè)經(jīng)過半個世紀的快速發(fā)展，已建成國有礦山近萬座，集體礦山和其他非國有礦山20多萬座，年開采礦石量超過50億t，從業(yè)人員2100萬，帶動了300座以采礦和礦產(chǎn)品加工為支柱產(chǎn)業(yè)的礦業(yè)城市的興起（其中煤炭城市54座）。鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上的礦產(chǎn)采選業(yè)產(chǎn)值占GDP的6.27%(1997年)；全國固體礦產(chǎn)產(chǎn)值占世界產(chǎn)值的16.5%(1996年)，居世界第二位，能源礦產(chǎn)產(chǎn)值占世界的9.1%（1996年），居世界第三位。中國已由一個礦業(yè)弱國躍入世界礦業(yè)大國的行列數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

2中國礦山面臨的挑戰(zhàn)

但近5年來，中國礦業(yè)與礦業(yè)城市遇到了空前的生存與發(fā)展困境，如礦竭城衰、減產(chǎn)限產(chǎn)、低位運行、大量失業(yè)等。原因主要是：1）礦業(yè)投入不足，后備儲量缺乏，技術裝備普遍落后于國外15~20年；2）礦產(chǎn)資源利用水平不高，全國礦產(chǎn)資源總回收率為30~50%，比發(fā)達國家低10~20%；3）礦業(yè)開發(fā)過程中生態(tài)環(huán)境問題日趨突出，采選所造成的環(huán)境污染嚴重，來自環(huán)境的壓力與日俱增。此外，來自國際市場的高產(chǎn)、高效、高質量、低成本的礦產(chǎn)品的競爭，以及來自非法掠奪式開采和國內(nèi)市場的非正當競爭，也是一個不可忽視的重要方面。國家“十五信息化發(fā)展規(guī)劃”中明確指出要利用信息技術改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，中國礦山作為一類典型的傳統(tǒng)采礦業(yè)，已經(jīng)或正在面臨信息技術的挑戰(zhàn)和洗禮。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

2中國礦山面臨的挑戰(zhàn)

近年，中國礦山行業(yè)的信息化建設雖然有了較大發(fā)展，但總體狀況仍然很不樂觀。中國礦山在礦山勘察、規(guī)劃、設計、生產(chǎn)、管理、全過程監(jiān)控等信息化“軟”領域，與發(fā)達采礦國家的差距越來越大。中國礦山既沒有把信息資源當作礦山的重要戰(zhàn)略資源之一加以統(tǒng)籌開發(fā)和綜合利用，更沒有形成系統(tǒng)性能穩(wěn)定、信息資源充足的礦山信息基礎設施（MineInfrastructure）。分析認為：我國礦山企業(yè)信息化建設的“無路無車”、“有路無車”或“車貨不一”情況[7]的出現(xiàn)，是因為中國礦山的決策者、管理者和工程技術人員，在礦山信息化建設方面存在因循守舊、短期效益、重硬輕軟和事不關己4種情結[8]。這4種不良情結影響甚至限制了礦山信息化建設的健康發(fā)展。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

3數(shù)字礦山的基本特征

基于DM的定義，分析認為，DM應具有以下六大特征：以高速企業(yè)網(wǎng)為“路網(wǎng)”、以采礦CAD（MCAD）、虛擬現(xiàn)實（VR）、仿真（CS）、科學計算（SC）與可視化（VS）為“車輛”、以礦業(yè)數(shù)據(jù)和礦業(yè)應用模型為“貨物”、以真三維地學模擬（3DGM）和數(shù)據(jù)挖掘為“包裝”、以多源異質礦業(yè)數(shù)據(jù)采集與更新系統(tǒng)為“保障”和以礦山GIS（MGIS）為“調(diào)度”。DM的最終表現(xiàn)為礦山的高度信息化、自動化和高效率，以至無人采礦和遙控采礦。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

1)以高速企業(yè)網(wǎng)為“路網(wǎng)”DM的建設與礦山業(yè)務運行是以高速企業(yè)網(wǎng)為基礎，逐漸建立寬帶、高速和雙向的通訊網(wǎng)絡，確保海量礦山數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部、省內(nèi)與省際礦業(yè)網(wǎng)絡[1]快速傳遞。同時，還必須與NII（NationalInformationInfrastructure）與DC建設相協(xié)調(diào)，以利于礦山產(chǎn)品、經(jīng)營等社會化信息在Internet上的快速傳遞，便于礦山信息的公眾共享和產(chǎn)品市場的實時運作。因此，高速企業(yè)網(wǎng)技術是關鍵之一。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

2）以MCAD、VM、MS、SC、AI與SV為“車輛”為滿足不斷擴展的礦山需求，必須開發(fā)適合不同用戶層次、具有不同功能的礦山應用系統(tǒng)和軟件模塊，即需要制造多品種、多型號的“車輛”：如采礦CAD、采礦仿真技術、各類科學計算工具（如有限元、離散元、邊界元和有限差分模型等）和3D可視化工具等。隨計算機性能的不斷提高和并行計算技術的采用，礦山業(yè)主和技術人員不僅可以對采礦活動造成的地層環(huán)境影響進行大規(guī)模模擬與虛擬分析，而且可對礦工進行虛擬崗前培訓，提高礦工的安全意識、防災減災能力和作業(yè)工作效率。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

3)以礦業(yè)數(shù)據(jù)和應用模型為“貨物”DM的核心是數(shù)據(jù)倉庫。DM數(shù)據(jù)倉庫由兩部分組成，就象人的左右心室：一側為數(shù)據(jù)倉庫，管理海量的礦山地物的幾何信息、拓撲信息和屬性信息；另一側為模型倉庫，管理各類為礦業(yè)工程、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、管理、決策等服務的各類專業(yè)應用模型，如開采沉陷計算、開采沉陷預計、頂板垮落計算、圍巖運動模型、儲量計算、通風網(wǎng)絡解算、瓦斯聚集模型、涌水計算等。數(shù)據(jù)倉庫所管理的海量數(shù)據(jù)與模型倉庫所管理的礦業(yè)模型，就是可以被各類“車輛”在DM“路網(wǎng)”上運輸?shù)臄?shù)字“貨物”。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

4）以3DGM和數(shù)據(jù)挖掘為“包裝”為滿足不同用戶和不同目的的需要，必須對“數(shù)據(jù)與模型倉庫”中的海量數(shù)據(jù)與模型進行相應“包裝”處理，即進行數(shù)據(jù)與模型的過濾和重組。三維地學模擬（3DGM）是DM的技術核心之一。它是基于鉆孔資料、地震資料、開挖設計數(shù)據(jù)及各類物探、化探資料，來建立礦山井田、礦體與采區(qū)巷道及開挖空間矢柵整合的真3D模型。在此基礎上進行礦床地質條件評估、地質構造預測、精細地學參量半定量分析、深部成礦定位預測、礦產(chǎn)資儲量管理、經(jīng)濟可采性評估、開拓設計、支護設計和風險評估等，從而輔助礦山?jīng)Q策，確保礦山工程的科學、可靠與安全。數(shù)據(jù)挖掘是利用基于知識的工程（KBE）技術和人工智能，從DM中的海量礦山數(shù)據(jù)中為用戶挖掘有用數(shù)據(jù)、獲取決策信息，以及建立求解各類具體工程、生產(chǎn)、管理與經(jīng)營等問題的應用模型，是DM的實用化工具。只有當DM能夠方便、快速地從其數(shù)據(jù)倉庫中提取用戶所需的顯式數(shù)據(jù)與模型，智能、快速地從其數(shù)據(jù)倉庫中重新組織并產(chǎn)生用戶所需的隱式數(shù)據(jù)與模型的能力時，DM的海量礦山信息才能被未經(jīng)過特別培訓的用戶和各業(yè)務部門所共享。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

5)以多源異質礦業(yè)數(shù)據(jù)采集與更新為“保障”DM必須以測量（遙感RS、全球定位系統(tǒng)GPS、數(shù)字攝影測量DP、常規(guī)地面測量NS和井下測量US等）、勘探（鉆探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、傳感（指各類接觸式與非接觸式礦山專用傳感與監(jiān)視設備/儀器采集系統(tǒng)，如應力傳感、應變傳感、瓦斯傳感、自動監(jiān)測、機械信號與故障傳感、工業(yè)電視等）和文檔錄入（法規(guī)、法令、文件、檔案、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等）為綜合手段，來建立精確、動態(tài)和全面的礦山綜合信息采集與數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)。只有實現(xiàn)了礦業(yè)綜合數(shù)據(jù)的動態(tài)采集與快速更新，才能為動態(tài)時效的3DGM與MGIS提供數(shù)據(jù)糧食，為遙控采礦或無人采礦提供信息保障。此外，還要在3DGM的基礎上，基于統(tǒng)一的時空參照、元數(shù)據(jù)和編碼，根據(jù)需要將上述多源異質數(shù)據(jù)進行有選擇的融合和分類，形成無縫無斥的數(shù)據(jù)組織。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

6)以MGIS為“調(diào)度”DM是以MGIS作為礦山整體信息與辦公決策的公共載體和總“調(diào)度”。在統(tǒng)一的時空間參照下進行采礦動態(tài)組織與管理，并調(diào)度和控制各類“車輛”與設備的使用和運行、“貨物”的制造、管理與包裝等系統(tǒng)功能。面向21世紀DM的MGIS系統(tǒng)應該是一個能為采礦業(yè)提供基于4D時空信息的動態(tài)模擬、可視化、分析與決策支持的復雜巨系統(tǒng)。它允許在2D或3DTIN表面上疊加影像、圖片、測量數(shù)據(jù)、地震資料、紋理及其它數(shù)據(jù)。它應具有3DGM整合、3D空間網(wǎng)絡分析、多目標決策分析、飛行模擬等基本功能，并實現(xiàn)以下應用功能：輔助勘探、交互式采礦設計與規(guī)劃、實時開采模擬、作業(yè)安排與監(jiān)測、資源動態(tài)管理、地質統(tǒng)計、地下水模擬、開采沉陷動態(tài)模擬、地表數(shù)據(jù)整合、支持復墾規(guī)劃、生態(tài)恢復和礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展多目標決策等。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

4數(shù)字礦山的基本框架基于系統(tǒng)理論的層次結構和以礦山地理信息系統(tǒng)（MGIS）為核心的4層客戶機/服務器（C/S）網(wǎng)絡模式，設計了DM的基本組成和網(wǎng)絡架構。4.1DM的基本組成DM應是一個層次結構。按數(shù)據(jù)流和功能流，由外向里分別為采集系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、功能系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)、核心系統(tǒng)共5部分。1)采集系統(tǒng)：負責數(shù)據(jù)采集與處理，包括測量、勘探、傳感和文檔4類基礎數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；2)調(diào)度系統(tǒng)：指MGIS，負責提供拓撲建立與維護、空間查詢與分析、制圖與輸出等GIS基本功能，并進行數(shù)據(jù)訪問控制、開放接口和生產(chǎn)調(diào)度與指揮管理；3)功能系統(tǒng)：負責提供各類專業(yè)模擬與分析功能，包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV等；4）包裝系統(tǒng)：負責提供3D空間建模工具和多源異質礦山數(shù)據(jù)的空間融合環(huán)境和數(shù)據(jù)過濾、組合與封裝機制，包括3DGM和數(shù)據(jù)挖掘工具；5）核心系統(tǒng)：負責統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)和模型，由時空數(shù)據(jù)倉庫和應用模型庫兩個子系統(tǒng)組成。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

4數(shù)字礦山的基本框架4.2DM的網(wǎng)絡架構DM系統(tǒng)在礦山企業(yè)中的業(yè)務化運作是基于企業(yè)的寬帶、高速網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。為此，在相關文獻的基礎上，改進設計了一種采用4層C/S的網(wǎng)絡模式。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織以對象-關系型數(shù)據(jù)庫為核心，負責對多源異質信息和礦業(yè)應用模型進行管理和維護。系統(tǒng)的C/S結構與網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)流為：服務器端由GIS服務器、功能服務器和數(shù)據(jù)與模型服務器3層組成?？蛻魴C、GIS服務器、功能服務器和分布式數(shù)據(jù)與模型服務器分別對應處理GUI用戶界面、GIS應用程序邏輯、礦業(yè)功能模塊調(diào)用邏輯、數(shù)據(jù)存儲與礦業(yè)模型訪問邏輯等任務。數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

5DM的關鍵技術基于DM的定義、內(nèi)涵、特征與基本框架分析，作者認為實施DM戰(zhàn)略，必須需要圍繞以下九項關鍵技術進行研究和攻關：1）礦山數(shù)據(jù)倉庫技術：針對礦山信息的“五性四多”（復雜性、海量性、異質性、不確定性和動態(tài)性，多源、多精度、多時相和多尺度）特點，為統(tǒng)一管理和共享數(shù)據(jù)，必須研究一種新型的數(shù)據(jù)倉庫技術，包括礦山數(shù)據(jù)組織、分類編碼、元數(shù)據(jù)標準、高效檢索、快速更新與分布式管理等；2）礦山數(shù)據(jù)挖掘技術：由于礦山空間信息的上述特點，為了從礦山數(shù)據(jù)倉庫中快速提取專題信息、發(fā)掘隱含規(guī)律、認識未知現(xiàn)象和進行時空發(fā)展預測等，必須研究一種高效、智能、透明、符合礦山思維、基于專家知識的數(shù)據(jù)挖掘技術；3）真3DGM與可視化技術：只有集鉆孔、物探、測量、傳感等數(shù)據(jù)于一體進行真3D地學模擬，并實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)維護（局部快速更新、細化、修改、補充等），才能對地層環(huán)境、礦山實體、采礦活動、采礦影響等進行真實的、實時的3D可視化再現(xiàn)、模擬與分析；4）礦山3D拓撲技術：礦山信息的拓撲查詢、分析與應用及許多采礦安全問題的模擬、分析與預測等，均以礦山3D實體的屬性、幾何與拓撲數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織為基礎，因此，必須立足礦山3D數(shù)據(jù)的矢柵集成，解決礦山3D拓撲描述、表達、組織與維護這一技術難題；數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

5DM的關鍵技術5）應用軟件與相關模型：礦山信息的分析與應用，礦山生產(chǎn)的評估與監(jiān)控，礦山工程的模擬與決策等，均以各類應用軟件與相關模型為工具，必須研制為滿足不同需求、提供不同服務