問題的提出
數(shù)字礦山是建立在數(shù)字化、信息化、虛擬化和集成化基礎(chǔ)上的，有計算機網(wǎng)絡(luò)管理的管控一體化系統(tǒng)。它綜合生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、環(huán)境、資源、安全與效益等各種因素，使企業(yè)在實施綠色采礦的條件下實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，以增強礦山企業(yè)在市場中的競爭能力和適應(yīng)能力。數(shù)字礦山的是最終目標是礦山的綜合自動化。
我國的煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，但與國際上發(fā)達國家相比，我國煤炭企業(yè)普遍存在兩個方面的不足；一是煤礦總體裝備技術(shù)水平，尤其是系統(tǒng)的整體有效性、信息化水平不高；二是煤礦生產(chǎn)事故多，造成國家財產(chǎn)和人民生命的嚴重損失。其根本原因是對礦井作業(yè)過程和環(huán)境狀況缺乏一套系統(tǒng)、科學的動態(tài)監(jiān)測、分析以及實時有效的控制技術(shù)。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是信息化時代的到來，為煤炭工業(yè)這一傳統(tǒng)工業(yè)的改造指定了方向。
煤礦井下各種監(jiān)測，監(jiān)控系統(tǒng)繁多，目前國內(nèi)這些監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)仍處于相互獨立的狀態(tài)。各種系統(tǒng)字成體系，信息不能互通，造成通信線路重復投資、重復建設(shè)，系統(tǒng)維護量增大,整體可靠性差.許多企業(yè)僅僅通過安全生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將各種子系統(tǒng)連接起來,仍不能實現(xiàn)系統(tǒng)資源管理和信息的共享。這種網(wǎng)絡(luò)的通訊方式為分時通訊，數(shù)據(jù)分時采集，遠遠達不到工業(yè)系統(tǒng)實時性是要求。而且現(xiàn)有的礦級網(wǎng)絡(luò)大多僅支持辦公自動化，其實時性、可靠性和抗惡劣環(huán)境的能力還不能滿足煤礦安全，生產(chǎn)、調(diào)度系統(tǒng)的需要。此外，信息不能綜合利用，難以從系統(tǒng)工程的整體角度來對礦山進行統(tǒng)一的自動化調(diào)度管理。開發(fā)數(shù)字化礦山關(guān)鍵技術(shù)，通過與科研院校的聯(lián)合，在對煤炭生產(chǎn)過程、作業(yè)環(huán)境、事故預測、安全控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重點研究，解決關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，全面運用電子信息技術(shù)，形成高效的自動化安全生產(chǎn)技術(shù)，構(gòu)建一座真正意義上的數(shù)字化煤礦，可實現(xiàn)改造傳統(tǒng)工業(yè)，提升企業(yè)生產(chǎn)裝備的綜合自動化水平的目的，使其生產(chǎn)流程和安全性控制程序化，集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、大大提高生產(chǎn)、安全裝備的綜合自動化水平，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的可用性,確保生產(chǎn)安全和高產(chǎn)效。數(shù)字礦山的總體構(gòu)架。圖略。
2國內(nèi)外概況
2.1 國外相關(guān)學派與技術(shù)發(fā)展的概況
“數(shù)字礦山”是一個實時管理礦區(qū)全部信息資源人力資源、生產(chǎn)要素和生產(chǎn)活動、銷售活動的信息處理系統(tǒng)，完全意義上的國外相關(guān)產(chǎn)品還未見報道，但已有許多相關(guān)的地理信息系統(tǒng)平臺商品化軟件。在通用地理信息系統(tǒng)方面有代表性的有：每個環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）的ARC/Info。美國Mapinfo公司的MapinfoGIS，澳大利亞GENASYS公司的GENAMAP。美國INTERGRAPH公司的MGE。在地質(zhì)、水文，礦山等專門地質(zhì)信息系統(tǒng)方面有代表性的有加APOLLO公司的TITSN GIS，MICROLYNX地學三維模型分析軟件。德國FEFLOW公司的FEFLOW 地下水模擬軟件等。
2.2 國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)現(xiàn)狀
對于煤炭行業(yè)，“數(shù)字礦山”或“數(shù)字礦區(qū)”是煤炭企業(yè)實現(xiàn)“企業(yè)信息化工程”的主體工程。鑒于“數(shù)字礦山”核心技術(shù)復雜、投入大、開發(fā)周期長，而國際國內(nèi)在這方面起步時間都不長，所以雖然有些煤炭企業(yè)正在或準備開展該項工作，但均不是完全意義上的“數(shù)字礦山”。山東 礦山集團公司與2001年開展了“數(shù)字 礦”的立項和建設(shè)，但目前僅僅局限在“地測空間信息平臺構(gòu)建與開發(fā)”，離真正的數(shù)字礦山尚有很大距離。徐州礦務(wù)集團公司亦開展了“數(shù)字煤礦”的建設(shè)，先以張雙樓煤礦作為試點，但無論在廣度（全面的煤礦數(shù)字化）的深度（以數(shù)字化作為煤礦生產(chǎn)的核心技術(shù)）上都還遠遠不夠。$Page_Split$
3、總體實施方案研究
3.1技術(shù)特點、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝
煤礦高效自動化安全生產(chǎn)技術(shù)——數(shù)字化礦山關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，核心是礦山高效自動化安全生產(chǎn)技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺的開發(fā)；（2）貫穿礦井生產(chǎn)安全過程的綜合自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)；（3）以數(shù)值模擬，實時響應(yīng)及控制為核心的智能化坎井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵的工藝是建立一套集井下各類實時數(shù)據(jù)（生產(chǎn)、安全）的有效采集、準確傳輸、科學分析、智能化頂測、及時控制和反饋的礦井自動化綜合安全生產(chǎn)技術(shù)，形成統(tǒng)一平臺，其中包含寬帶數(shù)據(jù)傳輸平臺，語音通訊平臺，寬帶視頻傳輸平臺，構(gòu)建統(tǒng)一的支持各類應(yīng)用的計算機網(wǎng)絡(luò)平臺，是三網(wǎng)融合。建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，建立以數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)的企業(yè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺。逐步構(gòu)建企業(yè)的數(shù)據(jù)倉庫。以統(tǒng)一系統(tǒng)支撐平臺，建立以門戶技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)支撐平臺。使用門戶技術(shù)能夠和信息系統(tǒng)有效完整集成，具有個性化的定制能力、支持多種開發(fā)環(huán)境并在管理和維護方面簡單。通過統(tǒng)一應(yīng)用平臺，建立以應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)為核心的三層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用開發(fā)平臺。
3.2.1實施的具體內(nèi)容
（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺。首先應(yīng)用三維GIS技術(shù)建立礦井綜合信息管理平臺，開發(fā)出一個實時動態(tài)的三維可視化平臺，實現(xiàn)礦井空間位置、作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)過程與行為、設(shè)備工況、安全狀況等的數(shù)字化、生產(chǎn)指揮、調(diào)度、管理的科學化與智能化，使信息資源實現(xiàn)最大化的利用。主要包括井下信息管理子系統(tǒng)和地面管理信息系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。具有以下特點，數(shù)據(jù)的完備性，實時信息采集與處理的快速性、正確性、有效性和安全性，管理、指揮的全方位性、預見性和突發(fā)事件處理的最佳性。
（2）礦井生產(chǎn)全過程的綜合自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)，對現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)進行綜合自動化改造、自動化補套，將分散獨立的子系統(tǒng)進行綜合集成，提升生產(chǎn)工藝流程的集約化水平，優(yōu)化過程控制，建立底層控制網(wǎng)，初步實現(xiàn)主要生產(chǎn)系統(tǒng)的集中監(jiān)控和部分系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)互動。
（3）數(shù)值模擬。實現(xiàn)響應(yīng)及控制為核心的智能化礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。對安全監(jiān)測系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化與完善，尤其是建立一套能對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面分析、從而進行災(zāi)害識別、預測，并能通過生產(chǎn)綜合生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)進行有效控制的安全測控系統(tǒng)。
3.2.2實施的具體內(nèi)容和技術(shù)路線
（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺。首先應(yīng)用三維地理信息技術(shù)建立的復合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和礦井真三維空間地質(zhì)模型建立生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、地質(zhì)測量子系統(tǒng)、礦井三維空間地質(zhì)建模、信息查詢及輸出模塊、采掘信息管理子系統(tǒng)、生產(chǎn)與礦井儲量分類統(tǒng)計報表輸出模塊、運輸及生產(chǎn)保障信息子系統(tǒng)。
本系統(tǒng)項目擬采取的技術(shù)路線為：
從礦區(qū)層面的地測空間數(shù)據(jù)入手，按空間數(shù)據(jù)的幾和特征和業(yè)務(wù)門類進行分類組合，并按國際和行業(yè)標準，建立統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)。根據(jù)業(yè)務(wù)門類或指定主題，按照“不重不漏，留有余地”的原則，規(guī)劃、構(gòu)建礦區(qū)層面的數(shù)據(jù)倉庫，每一個主題可對應(yīng)于一個子倉庫，如地質(zhì)、采礦、運輸及保障等，每一個子倉庫可與一個或幾個分布在各礦的操作數(shù)據(jù)庫相連。
不論某空間要素分布在何處，也不論其原始記錄數(shù)字 化與否，皆應(yīng)通過信息平臺的構(gòu)建，使每一個地測空間要素都對應(yīng)一個體現(xiàn)上述綜合特征的標識碼，該標識碼及其對應(yīng)的空間要素的所有信息可以分布式地存放在已有的操作型數(shù)據(jù)庫中。憑借數(shù)據(jù)倉庫特有的“向下探察技術(shù)”，首先要能夠根據(jù)標識碼從散布在數(shù)據(jù)倉庫里的海量數(shù)據(jù)中“找到”所需數(shù)據(jù)，然后通過適當?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化機制“打開”該數(shù)據(jù)，使之能為特定的研究目標所用。根據(jù)三維GIS理論和方法，運用空間分析、虛擬現(xiàn)實、WebGIS等技術(shù)，構(gòu)建真三維空間實體模型，動態(tài)模擬地質(zhì)變化、采掘過程、運輸過程。建立多維地測繪圖系統(tǒng)。建立數(shù)據(jù)倉庫及處理結(jié)果的網(wǎng)上數(shù)據(jù)接口、界面，使用戶不僅通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)二維或三維的顯示和輸出，而且可以借助多維地測繪圖系統(tǒng)實現(xiàn)快速成圖。
（2）井下主要設(shè)備、生產(chǎn)過程等系統(tǒng)的自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)。當前國內(nèi)絕大多數(shù)廠礦企業(yè)自動化系統(tǒng)都是多個子系統(tǒng)組成，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，分立運行、彼此無聯(lián)系，整個系統(tǒng)形成多個自動化監(jiān)控孤島。為了實現(xiàn)自動化系統(tǒng)，國內(nèi)目前許多許多地方采用組態(tài)軟件（如fix，iniouch、組態(tài)王）和網(wǎng)絡(luò)等IT技術(shù)來進行系統(tǒng)集成。因各子系統(tǒng)廠家不同，通信協(xié)議不標準，因此實施起來較困難，設(shè)計、安裝、調(diào)試周期長，維護困難，使用設(shè)備和布線多，效果差。
為實現(xiàn)礦井綜合自動化監(jiān)測監(jiān)控傳統(tǒng)集成，建議采用以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。FCS是信息化在工業(yè)自動化領(lǐng)域的體現(xiàn)，是工業(yè)自動化發(fā)展的方向，是系統(tǒng)集成的重要手段。礦井生產(chǎn)自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要包括：綜采工作監(jiān)控系統(tǒng)、膠帶機監(jiān)控系統(tǒng)、機電設(shè)備自動化系統(tǒng)等。首先是應(yīng)用現(xiàn)場總線建立底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，是計算機數(shù)字通信技術(shù)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，為底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術(shù)平臺。實現(xiàn)監(jiān)控信息縱向集成的透明通信。把DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu),變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身使可實現(xiàn)基本控制功能。工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以光纖為傳輸通道，主要敷設(shè)在大巷和主要聯(lián)絡(luò)巷道。根據(jù)煤礦的實際情況，采用有線、無線等多種方式建立各種監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)接入綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)接口技術(shù)，基于實時歷史數(shù)據(jù)庫管控一體化平臺技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，閉環(huán)檢測控制技術(shù)。
開發(fā)數(shù)據(jù)接口，將各個已有控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)送入一個統(tǒng)一的實時歷史數(shù)據(jù)庫管控一體化平臺，從此可實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫；采用自動控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場各生產(chǎn)參數(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備和參數(shù)進行監(jiān)控；通過相應(yīng)的通信接口如OPC SERVER將各生產(chǎn)對象的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)作為整個生產(chǎn)控制信息集成的基礎(chǔ)。采集的井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)及地面各控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)擬采用工業(yè)以太網(wǎng)前沿傳輸技術(shù)，傳遞到相應(yīng)的中央服務(wù)器或根據(jù)地域劃分的應(yīng)用服務(wù)器，實現(xiàn)地域調(diào)度和集團總體管理。
主要包括①綜采工作面臨監(jiān)控主要實現(xiàn)支架自動電液控制、頂板壓力監(jiān)測和工作面內(nèi)所有生產(chǎn)設(shè)備的集中控制，達到改善作業(yè)條件和減人少人的目的。同時采用現(xiàn)場總線技術(shù)將系統(tǒng)內(nèi)的信息送至地面控制中心，為生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)提供可靠的基礎(chǔ)信息。②膠帶機運輸和提升監(jiān)控系統(tǒng)：本系統(tǒng)通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)對主井膠帶機、各盤區(qū)膠帶機、煤倉給煤機和煤倉庫煤位的集中監(jiān)控，并結(jié)合工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)和信號通信系統(tǒng)，實現(xiàn)原煤膠帶機運輸系統(tǒng)的集中控制，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性，減少崗位司機，提高生產(chǎn)效率。同時將系統(tǒng)內(nèi)的信息送至地面監(jiān)控中心，為生產(chǎn)控制和調(diào)度指揮系統(tǒng)提供可靠的基礎(chǔ)信息。③機電設(shè)備自動化系統(tǒng)：通風機房監(jiān)控系統(tǒng)、壓風機自動化系統(tǒng)、井下供排水控制系統(tǒng)、井下供電監(jiān)控系統(tǒng)。④洗煤廠原煤加工綜合自動化系統(tǒng)：采用先進的計算機控制技術(shù)、管理技術(shù)，通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，進行系統(tǒng)集成，構(gòu)成洗煤廠綜合自動化信息系統(tǒng)（CIMS），將洗煤廠各獨立的控制系統(tǒng)集中進行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)與洗煤廠計算機管理信息系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)集成化和管理一體化，以提高煤炭產(chǎn)品加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減員提效，降低生產(chǎn)成本，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力。
礦井寬帶多功能移動通信系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用：工作頻率可根據(jù)需要，在4MHZ寬帶的范圍內(nèi)任意設(shè)定。多個信道自動掃描、自動分配，并在手機和基站上自動顯示：與地面公用有線電話網(wǎng)和無線移動電話聯(lián)網(wǎng)；手機和基臺的發(fā)射功率連續(xù)可調(diào)，滿足各種不同礦井的不同需求，使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。可為今后的人員跟蹤，圖象傳輸和井下尋呼系統(tǒng)提供技術(shù)平臺和傳輸通道。設(shè)計帶通濾波器設(shè)計，采用微機辦公室MWOFFICE方法得出較為理想的LC濾波器指標達到設(shè)計要求。雙向中繼放大器的自激。主要改善方法是變換射頻信號的接地方法，經(jīng)過多次調(diào)試才獲得成功。本安手機電池的研制，研制大容量手機電池（1500mAh），采用新型CCR器件，需經(jīng)上海防爆檢驗站的檢驗，取得了防爆檢驗合格證。針對現(xiàn)有問題進行相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展，如采用自診斷技術(shù)以提高生產(chǎn)效率，降低維護人員的勞動強度；采用井下寬帶放大器以承載多種業(yè)務(wù)；進行電磁兼容和電纜、外殼改造等綜合設(shè)計以提高產(chǎn)品的可靠性；采用成熟電路和新型元件以提高產(chǎn)品的集成度和穩(wěn)定性。
（3）礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。①礦井監(jiān)測系統(tǒng)準確、及時的報警技術(shù)：根據(jù)災(zāi)害的不同種類，確定監(jiān)測系統(tǒng)傳感器優(yōu)化設(shè)置參數(shù)，包括傳感器的類型、數(shù)量、布置間距、位置、報警限設(shè)置等，并根據(jù)不同種類傳感器的特性和災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，開發(fā)辨別災(zāi)害誤報、錯報的技術(shù)、提高礦井災(zāi)害預警及時性和可靠性。以提高監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)安全信息的及時傳輸能力，縮短災(zāi)害動態(tài)模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)，在通風系統(tǒng)風流狀態(tài)參數(shù)變化的影響；
