3国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室 陕西西安 710006
摘要：在如今物联网和信息技术高度发达的今天，数字煤矿“一张图”发展迅速，因其建设思路清晰，直观方便和功能丰富而在行业中受到广泛关注。与此同时，行业相关单位通过一系列的探索和尝试，已经有效解决了各类矿图在使用时多源异构问题。不仅如此，数字煤矿“一张图”还能将各类物联网设备数据和既有矿图有效结合，为煤矿的生产和管理提供诸多方便，尤其是在灾害预警、应急救援、及时监测等方面能发挥积极作用。
关键词：一张图；地质物联网；生产；管理；灾害预警
1引言
近年来，云计算、物联网、大数据和计算机网络技术发展迅速，这场技术革命业为煤炭行业的技术更新提供了很好的机遇。在此背景下，煤炭企业的发展何去何从？大家已经形成共识：以数字化、信息化促进煤炭企业管理创新，带动企业生产和管理的规范化、高效化和科学化。与此同时，数字煤矿“一张图”应运而生。
数字煤矿“一张图”的出现，有效地解决煤矿生产管理效率低下、监管困难等一系列突出问题。在煤矿物联网系统建设的积极促进下，煤炭地质及相关信息的采集、汇聚、存储和分析处理与展示、煤炭地质勘查和煤矿开采信息融合与共享等已经实现应用，矿井地质灾害的预测预报、煤矿生产过程中地测、安全及环境等信息动态化管理也已经开始发挥积极作用。
2数字煤矿“一张图”概述
数字煤矿“一张图”是伴随着计算机和网络技术发展起来的，以先进的煤矿机电一体化技术、计算机技术、遥感技术、地理信息系统与信息化相适应的新型煤矿管理和应用平台。通过对煤矿各种设备和资源的优化，数字煤矿“一张图”对煤矿生产和的安全、高效和经济性以及管理的科学性有显著的积极作用。此外，数字煤矿“一张图”以大数据为基础，通过搭建分布式、协同化的工作平台，使地质、测量、水文、生产、监测监控、人员定位、一通三防、灾害预警等多元异构数据和设备信息汇集更新，不仅直观便捷，还可以综合集成展示。
数字煤矿“一张图”由三部分组成，它们分别是：生产矿井用户、综合业务平台和用户，三部分结构清晰，互相依存，其整体架构严谨科学，从图2-1即可看出。
整体架构图2-1
有了严谨科学的整体架构，数字煤矿“一张图”开发架构自然会一脉相承，系统开发分为业务层、接口层、服务层、GIS平台层、数据层和支撑层等多个部分，见图2-2。
系统架构主要体现在数据组织、存储和管理，业务逻辑、数据处理及成果信息表达等方面，由于煤矿数据涉及地质、测量、水文、机电、监测监控、人员定位、一通三防、灾害预警等诸多专业基础、生产和管理等诸多方面，涉及面广、数据量大、结构庞大、属性复杂及动态变化等诸多特征，因此，整个数据库的设计需要具备对海量复杂数据组织和管理能力，也需要具备对各类数据的存储、查询、运算及分析处理能力。
在计算机技术领域，众所周知：C/S（客户端client/服务器Server）结构功能强大，能适应各种复杂的用户需求，同时还能有效减轻服务器端压力；B/S（浏览器Browser/服务器Server）能适应庞大的用户群，也能很好的适应善变的用户需求，并且客户端免维护。基于地质行业本身的业务特点，采用C/S和B/S混合结构设计，来能满足整体设计要求。
开发架构图2-2
数据库管理系统遵从“集中存储，分布处理，统一管理”的原则，以采掘工程平面图为基础的底图和面向用户的应用平台构成“一张图” 数据库的三个基本要素，详见图2-3。
图2-3
3数据库和数据建设
3.1数据库
数据服务器作为数字煤矿“一张图”系统建设中的重要组成部分，它不仅是底层数据和客户端软件的桥梁，也是数据存储、检索、提取和管理等功能实现和完善的保障。同时，承载这些数据信息的数据库引擎服务器、协同管理服务器、数据库管理服务器等各类服务器按照各自功能担任不同角色、相互协作。
协同管理服务器是整个协同管理系统的核心，它负责“一张图”数据中心的管理和调度。协同管理服务器是各个专业子系统的后台总服务端，架构详见图3-1。
数字煤矿数据库的基础数据是由煤矿的监测监控类（物联网）数据和各类矿图等元数据构成。基础数据来源于建矿之前的各类报告中的图表，监测监控数据来源于如瓦斯、通风、人员定位等各类设备相关信息和传感器的实时数据。
图3-1
3.2数据建设
在数字煤矿“一张图”系统中，物联网的各类监测数据和实时数据由物联网感知层经井上下骨干网络、数据库系统传送至实时监控系统、调度系统和自动化控制系统等应用系统中，实现相关监测等功能集成见图3-2。其余数据按对象进行整理、转换或归类，最后统一上传，打包存储于服务器，以便用户最终通过应用程序端来获取。
图3-2
在系统建成后，用户可随时通过电脑或者移动终端查询自己感兴趣的各类信息，为了保证信息的有效和规范，就需相关专业工作人员依据自身权限及时更新维护，并对相关信息进行标准化管理。
4数字煤矿“一张图”的优势及前景展望
以作者本人所参与的数字煤矿项目为例，来简要讨论下数字煤矿一张图在实际应用中的优势和不足：
4.1数字煤矿“一张图”的优势
4.1.1数据应用
数字煤矿“一张图”系统的数据应用充分、高效：依煤矿企业和行业相关标准对基础数据和图纸的进行标准化处理入库之后，可通过PC、Web、移动终端等方式在线查阅相关图件资料，省去了客户端各类相关软件的安装和使用成本；在线协同办公，让各种角色的用户以在线协同的方式完成本职工作，自动集成和更新，保证了数据管理和更新的一致性、时效性；“一张图”业务平台展示部分以采掘工程平面图为基础，基于统一管理平台的各类监测设备和实时数据的集成，大致分为采掘工程、地质测量、一通三防、机电运输、监测监控、防治水、地质灾害等几方面信息，可供相关用户进一步查看了解。
4.1.2井下人员定位
可通过各矿井监控主机接口程序实时读取井下人员定位信息，对井下人员的定位也更加精准。系统将数据以列表、WebGIS图形的方式在移动客户端显示，能够实现对当前井下人员井下人员超时、重点区域超员、入井考勤、井下人员运动轨迹等状态信息的实时统计分析；能够及时、准确地将井下人员分布信息、领导跟班情况、人员运动轨迹等反映到调度中心，以便能更加合理地调度和管理；在后续程序中添加三维逃生路线，能更加直观地查看。
4.1.3工业视频监测
可实时获取调度中心视频的图像信号，实现对重要工作地点、重要设备现场的运行情况进行实时视频浏览、存储与回放。此外，系统还可在图形中显示采掘面、通防设施等重点监测位置的现场监控画面，比如在掘进过程中一边测量掘进头与就近地下水体的实施距离，一边及时有效的预测预警。
4.1.4束管监测
火灾危险源预测预警功能是集实时数据采集、数据分析、数据存储及数据发布功能于一体的分析系统，通过采集CO、CO2、CH4、O2、N2的浓度，同时将采样气体组分存入数据库中，能非常便捷地对数据库中的气体组分进行图形、曲线、查询等显示和打印。
4.1.5灾害预警
利用空间距离预警技术，系统通过高精度地质模型和巷道模型动态计算掘进头到相关危险源（包括构造、积水区、采空区、陷落柱等）的垂直距离，能够为预防瓦斯突出等灾害提供基础数据。基于云GIS“一张图”的煤矿井下灾害预警系统以地理信息系统为基础平台，可以进行煤矿在线监测实时数据的集成，灾害预警更可靠。
4.1.6地质模型精度好
针对煤矿地质数据特点，完整的地表地下一体化建模技术的重点是实现地形、钻孔、地层、构造、采空区、积水区、含水层、工作面和巷道等的建模。为了与GIS无缝衔接，自动生成三维井下巷道、钻孔、采空区等模型，建立拓扑关系，使二、三维数据同步更新和使用，在三维模型上实现矿山的三维漫游，实现坐标、距离、面积测量和储量量算等基本功能。
4.1.7实现“一通三防”管理
“一通三防”管理信息系统是建立在“一张图”平台系统基础上建立的集通风专业图形绘制和计算于一体的计算机信息化管理系统，该系统包括通风管理、防瓦斯管理、防尘管理、防灭火管理、瓦斯抽放钻孔数据管理、通风专题图形远程管理等。有了“一通三防”管理信息系统，一方面，在矿井采掘工程平面图等地理信息系统图形基础上，提供专业的通风图形制图工具，完成通风系统图、防尘系统图、矿井避灾路线图、通风安全监测监控系统图、抽放瓦斯系统图、通风网络图、压能图等图形的手动或自动绘制；另一方面，在图形的基础上完成通风网络模拟解算、阻力测定计算等数值计算，还可提供相关决策支持。
4.1.8提高生产技术管理效率
在数字煤矿“一张图”平台系统上建立的生产技术管理系统包含了煤矿的基础数据、生产计划、动态管理、报表管理、文档管理和资料管理，该系统可以对各类设备的登记和煤矿回采、掘进的各类计划等进行动态管理，并生成相关报表或文档。
4.1.9机运、动力管理和生产调度的协调指挥
数字煤矿“一张图”系统可以实现对煤矿机运及动力各种特性、报表、文件的远程管理。机电部门通过该系统方便上传、下载、浏览、查看机电运输信息，方便各个部门之间的数据交流。
4.1.10实现地测“一张图”的移动
移动版的地测“一张图”管理系统可以实现大多数“一张图”管理系统的业务功能，如多部门多层次井上下数据共享，随时随地浏览查看、录入、修改“一张图”信息和相关数据，可以丰富一张图系统的使用场景，使之符合当前多终端应用的发展趋势。
此外，供电技术和计算技术、机运和动力，数字档案等业务也可依煤矿企业自身情况做定制调整，简言之，只要“一张图”基础平台建好了，与之相关的业务模块均可挂载。
4.2数字煤矿“一张图”的前景展望
随着大数据时代的来临，数字煤矿“一张图”的应用也会更加深入、更加广阔，更加值得讨论。比如说：安全评估分歧大，概念待商榷；瓦斯治理方面，需及时添加漏风点；安全监测类型进一步细分；对滑坡治理进行的评估是否科学；对储量进行有效监管，防止煤矿对产量、年限等指标进行造假；对各类地质灾害进行专项服务；结合大数据为煤矿设计出合理的、行之有效的预防预警模型。
5总结
虽然数字煤矿“一张图”的建设已经展示出一幅直观、高效、智能的生产管理画面，但由于技术、政策支持力度的限制以及建设及后续完善的滞后性，数字煤矿“一张图”的潜力仍未得到有效释放。煤矿“一张图”在大的矿业集团优势明显，而对于很多独立的小煤矿则显得成本过高。大数据的积累是一个较为缓慢的过程，在建设初期，受制于数据规模及灾害预警模型优化不足等因素，可能会导致预测预警准确率不高。
不过，随着行业技术的快速发展，行业、专业会快速融合，在物联网、大数据等技术的强力推进下，我们有理由相信，数字煤矿“一张图”的综合水准会越来越高，成本会越来越低，在未来一定会受到越来越多的煤矿企业的青睐。因此继续推进数字煤矿智慧煤矿建设，开发基于云服务和大数据技术的智慧煤矿地质保障系统，推进煤矿安全监控系统升级改造，完善数字煤矿生产协同共享管理平台，是势在必行。由此推断，数字煤矿“一张图”定会为煤矿企业的发展和国家经济建设做出前所未有的贡献!
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论文作者:李鹏1,张微2, 高阳3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/8
标签：煤矿论文; 数据论文; 一张图论文; 数字论文; 系统论文; 井下论文; 地质论文; 《基层建设》2019年第11期论文;