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1、西安科技大学硕士学位论文数字化矿山及其关键技术应用与研究姓名：赵安新申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：卢建军20060418论文题目：专业：硕士生：指导教师：数字化矿山及其关键技术应用与研究通信与信息系统赵安新卢建军(签名)(签名)摘要随着信息时代的到来，数字化矿山的构建必将成为实现煤矿企业高产、高效、绿色、安全开采的有效途径，是当今采矿科学、信息科学、人工智能、计算机技术和3 s 技术高度结合的产物，它将深刻改变传统的采矿生产活动和人们的生活方式。本文在对国内外已有的数字化矿山建设总结和分析的基础上，通过对比和分析数字化矿山的应用现状，提出了数字化矿山的应用模式和构成体系，逐步
2、建立了数字化空间中的企业管理应用模式。同时，本文结合数字化矿山建设的体系结构和宁夏煤业集团公司信息化建设现状，设计了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设的总体目标和分两步来建设数字化矿山的整体解决方案。根据集团公司的整体目标，针对试点矿羊场湾煤矿的基础环境分析，设计了煤炭企业基于I P 平台数据资源标准草案和数字化矿山的解决方案。数字化矿山是一个复杂而巨大的系统，它所涉及的是多知识的融合，多学科的交叉。因此本论文在前期工作基础之上，实现了宁夏煤业集团公司数字化矿山设计方案的第一步，搭建了安全生产综合多业务监测平台。该平台包括综合实时监测和可视化二维地理信息管理空间。根据该监测平台的需求，重点实现了该
3、软件平台所牵涉的关键技术，包括多层分布式应用体系、组件技术、多线程技术、事务处理、D D E N e t D D E 技术、O P C接口技术以及S o c k e t 网络编程技术，并设计了该监测平台的信息安全策略。最后，论文对所完成的工作做了总结，并对下一步数字化矿山建设的发展做以展望。关键词：数字化矿山；实时监测；地理信息系统；动态数据交换；组件技术多线程技术研究类型：应用研究S u b j e c t：T h eR e a s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fD i g i t a lM i n ea n dK e yT e c h n o
4、l o g i e sS p e c i a l t y：C o m m u n i c a t i o na n dI n f o r m a t i o ns y s t e m sN a m e：Z h a oA n x i nI n s t r u c t o r：L uJ i a n-ju n(s i g n a t u r e)(s i g n a t u r e)A B S T R A C TW i t ht h ea d v e n to f i n f o r m a t i o nt i m e s，i ti sa n _ i n e v i t a b l ew a yf
5、 o re s t a b l i s h i n gd i g i t a lm i n et oa c h i e v eh i g hp r o d u c t i o n，h i g he f f i c i e n c ya n dg r e e na n ds a f e t ye x p l o i t a t i o n I ti st h er e s u l to fi n t e g r a t i n gv a r i o u sd i s c i p l i n e si n c l u d i n gm i n es c i e n c e，i n f o r m
6、a t i o ns c i e n c e，a r t i f i c i a li n t e l l e c t i o n，c o m p u t e rs c i e n c ea n d3 St e c h n i q u e s，w h i c hw i l lr a d i c a l l yc h a n g et h et r a d i t i o n a lm i n ep r o d u c t i o na n do u rl i f es t y l e s T h i st h e s i sw a si nt h ef o u n d a t i o no f
7、s u m m a r ya n da n a l y s et ot h ed i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o nh o m ea n da b r o a d T h ea p p l i c a t i o np a t t e ma n ds t r u c t I l r es y s t e mw e r ep r o p o s e dt h r o u g hc o m p a r i n g、蕊血a n da n a l y z et h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fd i g i t
8、 a lm i n e A n dt h eb u s i n e s sm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o np a t t e r nh a db e e ne s t a b l i s h e di nt h ed i g i t a ls p a c eg r a d u a l l y A tt h es a m et i m e，i tc o m b i n e dt h es y s t e ms t r u c t u r eo fd i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o n、i t l lt
9、 h ec u r r e n ts i t u a t i o no fN i n g x i ac o a li n d u s t r yg r o u pc o m p a n yi ni n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n，a n dd e s i g n e dt h eo v e r a l lg o a lo f N i n g x i ac o a li n d u s t r yg r o u pc o m p a n yi nd i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o na n dt
10、 h ew h o l es o l u t i o no ft h et h ed i g i t i a lm i n ew a sc o n s t r u c t e dw i t h i nt w os t e p s A c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lg o a lo ft h eg r o u pc o m p a n y,as o l u t i o no fd r a f tw h i c hw a sb a s e do nI Pp l a t f o r ma b o u tt h ed a t ar e s o u r c es
11、 t a n d a r da n dd i g i t a lm i n ew e r ed e s i g n e d T h ed i g i t a lm i n ei sac o m p l i c a t e da n de n o r m o u ss y s t e m，w h i c hi n v o l v e dt h ei n t e g r a t i o no fm u c hk n o w l e d g ea n dt h ec r o s so fm u l t i d i s c i p l i n a r y A c c o r d i n g l y,t
12、 h ef i r s ts t e po fd e s i g np r o p o s a lo fN i n g x i ac o a li n d u s t r yg r o u pc o m p a n yi nd i g i t a lm i n ec o n s t r u c t i o nw a sr e a l i z e da n das y n t h e t i cm u l t i s e r v i c e sp l a t f o r mi ns a f e t yp r o d u c t i o nw e r eb u i l to nt h eb a s
13、 eo f p r e v i o u sw o r k i n gf o u n d a t i o ni n t h i st h e s i s I nt h i sp l a t f o r m，i ti n c l u d e ds y n t h e t i cm o n i t o r i n gi nr e a l-t i m ea n dv i s u a lt w o d i m e n t i o n a lg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts p a c e A c c o r
14、d i n gt ot h ed e m a n do ft h em o n i t o r i n gp l a t f o r m，t h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h i ss o f t w a r ep l a t f o r mw a se s p e c i a l l yr e a l i z e d，a n dt h ee m p l o y m e n to ft h es y s t e mm u l t i l a y e r l ya n dd i s t r i b u t e d l y,c
15、 o m p o n e n tt e c h n o l o g y,m u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y,t r a n s a c t i o np r o c e s s i n g，D D E N e t D D Et e c h n o l o g y，O P Ci n t e r f a c et e c h n o l o g ya n dS o c k e tn e t w o r kp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yw e r ec o n t a i n e d M e a n w
16、i l et h es t r a t e g yo fi n f o r m a t i o ns a f e t yi sd e s i g n e di n t h i sm o n i t o r i n gp l a t f o r m I nt h ee n d，t h i st h e s i sm a d eas u m m a r yt ot h ew o r kw h i c hh a db e e nd o n e，a n de x p e c t e dt h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lm i n ec o n s t
17、 r u c t i o ni nt h en e x ts t e p K e yw o r d s：D i g i t a lm i n eR e a l-t i m em o n i t o r i n gG e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m(G I S)D y n a m i cD a t aE x c h a n g e(D D E)m u l t i-t h r e a dt e c h n o l o g yT h e s i s：A p p l i c a t i o nR e s e a r c h妻料技大学学
18、位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：办移仍日期：z，二tf学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学
19、校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：夯移训一镰1 月杉0v 伊侮：伊鹳趴：I师教导指1 绪论1 绪论1 1 选题背景及意义煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭安全生产事关重大。我国煤矿安全生产面临着非常严峻的形势，2 0 0 5 年全年全国共发生各类安全生产事故7 2 7 9 4 5 起，死亡1 2 6 7 6 0人，仅煤矿企业就发生5 8 起特大事故，死亡1 7 3 9 人，同比增加1 5
20、 起、6 9 5 人，分别上升3 4 9、6 6 6；发生1 l 起特别重大事故，死亡9 6 1 人，同比增加3 起、4 3 8 人，分别上升3 7 5、8 3 7。而广泛应用信息技术是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段，推广煤矿行业信息技术应用已刻不容缓。同时煤矿信息化也给信息产业提供了新的发展机遇，是信息产业改造传统产业的极好结合点。充分发挥信息产业界的优势与作用为进一步贯彻落实科学发展观，坚持以人为本，推动煤矿产业逐步走上一条安全状况好、科技含量高、资源消耗低、环境污染少的新型工业化发展道路，特别是控制住安全生产事故频发的势头，推动我国煤矿产业的协调健康发展，应该充分发挥信息产业界的优
21、势与作用，大力推广信息技术在煤矿领域的应用，特别是急需提高信息技术在煤矿安全生产过程中的应用水平。数字化矿山运用了信息技术，在煤矿安全生产中将发挥更大作用。合理开发与利用有限煤炭资源，提高煤矿企业自动化、数字化、网络化、信息化的应用程度，形成数字化矿山，提高煤炭企业安全生产信息化水平，保证煤炭安全生产和运营，是我国煤炭行业可持续发展需求，也是我国煤炭行业信息化建设面临的重大课题。本论文是基于电子信息产业发展基金招标项目煤矿安全生产自动化监测、监控和管理系统与标准研究制定(项目编号：X D J 2 0 5 1 4 2 7)以及宁夏煤业集团数字化矿山应用研究。针对煤炭企业安全生产的应用，本论文提出
22、数字化矿山的建设，以提升全矿井的自动化、数字化、网络化、信息化的应用程度。数字化矿山是矿山企业信息化过程中的一项必要环节。通过实施矿山企业信息化，可以提高矿山企业生产效率，提升安全生产的可靠性。建立矿山企业生产与管理的数据链，可以实现远程与本地、移动与固定的生产管理，满足企业快速增长与扩大阶段模式的需求。1 2 国外数字化矿山研究现状及发展趋势在上世纪9 0 年代，国外矿山信息化建设取得了巨大的进展，但客观地分析，这种进展更多地体现在过程自动化方面，在整体信息应用与管理决策支持上进步并不明显。2 1 世纪是信息主导的世纪，“数字化生存”已成为知识经济的标志信息技术的飞速发展，给中外采矿业带来了
23、巨大冲击。采矿业是以矿产资源为生产对象的古老产业，绝大西安科技大学硕士学位论文多数矿山企业还处在劳动密集型阶段，信息化改造势在必行。国际上，数字化矿山发展的非常迅速，发达采矿国家的矿山信息化改造已迈出坚实的步伐，有的已制定了长远发展规划。加拿大从2 0 世纪9 0 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，现已研制出样机系统，并在I N C O 公司的几个地下镍矿试用，实现从地面对地下矿山进行控制。加拿大己制订出一项拟在2 0 5 0 年实现的规划：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各实现机械自动破碎和自动切割采矿；芬兰采矿工
24、业也于1 9 9 2 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2 8 个专题。瑞典也制定了向矿山自动化进军的“G r o u n t e c k n i k2 0 0 0”战略计划。1 3 国内数字化矿山研究现状及发展趋势我国采矿业总体信息化水平还不够高。近年来，随着社会经济的发展和国家宏观调控的实施，我国矿山企业的经济形式和运行状态正在发生喜人的变化，信息化建设逐渐升温。1 9 9 9 年，国家计委、信息产业部“十五”期间国家信息化发展战略和规划思路中明确提出，要利用信息技术改造提升能源、矿山等传统产业。党的十六大报告也指出：
25、应“坚持以信息化带动工业化，以信息化促进工业化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”。自1 9 9 9 年首届“国际数字地球”大会上提出了“数字矿山”(D i g i t a lM i n e，简称D M)概念以来，D M 的思想已开始深入人心，D M 科学研究与技术攻关已悄然兴起。2 0 0 1 年“国际A P C O M”会议上组织了首次“国际D M”主题讨沦；2 0 0 4 年4 月中国科协青年科学家论坛第8 6 次活动以“数字矿山战略与未来发展”为主题。我国相关单位也相继开展了矿山地理信息系统(M G I S)、三维地学模拟
26、(3 D G M)、矿山虚拟现实(M V R)等方面的技术开发与应用研究。对于煤炭行业，“数字矿山”或镁女字矿区”是煤炭企业实现“企业信息化工程”的主体工程。鉴于“数字矿山”核心技术复杂、投入大、开发周期长，而国际国内在这方面起步时间都不长，所以虽然有些煤炭企业正在或准备开展该项工作，但均不是完全意义上的“数字矿山”。山东兖州矿业集团公司于2 0 0 1 年开展了“数字兖矿”的立项和建设，但目前仅仅局限在“地测空间信息平台构建与开发”方面，离真正的数字矿山尚有很大距离。徐州矿业集团公司亦开展了“数字煤矿”的建设，先以张双楼煤矿作为试点，但无论在广度(全面的煤矿数字化)还是深度(数字化作为煤矿生
27、产的核心技术)都还远远不够。国内一些地理信息系统公司，如北京东方泰坦公司、北京理正公司等，在地质体的真三维显示方面取得了较好的成果。在煤矿生产自动控制方面，大同煤矿集团公司也取得了初步成果。21 绪论国内数字矿井搞得较好的有神华集团补连塔、大柳塔两个矿区和淮南的新集能源有限责任公司等。这几个矿区的一个共同点是，网络基础设施主干光纤覆盖了整个矿区，这就为数字矿井的建设奠定了良好的基础。在监测监控方面，特别是神华大柳塔矿，不但实现了监测，而且实现了对提升、运输、井下变电站、装车、仓储等主要生产环节的监控 2】【3】【4】。1 4 论文研究思路本论文是在国内外已有的数字化矿山的研究基础上，通过对比和
28、分析国内外数字化矿山的理解概念，提出数字化矿山应用模式和构成体系，逐步建立数字化空间中的企业管理应用模式。在二维空间基础上，建立集团公司到矿级单位的远程与本地、移动与固定的生产管理应用模式。数字化矿山都是一个复杂的巨大系统，它所涉及的是多知识的融合，多学科的交叉。在当前信息技术的支撑下，目前还没有一种成熟的技术能够完全采用三维的方式建立一个能够模拟真实的空间的环境，为此我们将在后期的科研项目中，在实验环境下，在此二维可视的基础上建立矿山三维空间模型，将监测监控系统接入到此模型中，在三维空间中实现管理一体化。1 5 论文主要工作与逻辑结构论文是结合电子信息产业发展基金招标项目煤矿安全生产自动化监
29、测、监控和管理系统与标准研究制定(项目编号：X D J 2 0 5 1 4 2 7)以及宁夏煤业集团数字化矿山应用研究的基础之上展开的研究，论文主要进行了以下几个方面的工作：(1)本论文通过对数字化矿山概念的阐述和分析，在广泛分析国内外数字化矿山建设的现状，通过从三个层面对数字化矿山概念的理解，从数据利用层面提出了建设数字化矿山的体系结构，并且对每一层及其所牵涉的关键技术都给出了详细具体的描述。(2)通过对试点企业宁夏煤业集团公司的信息化状况分析，提出宁夏煤业集团公司数字化矿山建设的设计方案，宁夏煤业集团数字化矿山的建设将分为两步走设计方案。(3)通过分析宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿
30、羊场湾煤矿的现场状况，提出了数据资源标准的草案。(4)通过分析宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿的现场状况，提出了羊场湾应用系统构成框图，提出了宁夏煤业集团数字化矿山试点应用羊场湾数字化矿山共由七部分构成，分别是用户信息门户(用户接入层)，统一身份认证及资源载入系统，综合实时监控系统，可视化管理空间，综合业务、数据处理层，数据资源层，生产业务应用系统(安全监测系统、束管系统、主运三遥、通风三遥、供电三遥、排水三遥等)。(5)提出了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿综合监测应用系西安科技大学硕士学位论文统采用了目前灵活性及可扩展性最强的多层分布式体系架构，根据分布式多
31、层应用模型将不同性质和用途的组件部署到的应用服务器中。应用服务器是整个系统的核心，根据企业业务需求的不同，以及信息系统各个组成部分在功能上的区别，将整个应用系统划分为客户层、中间层(其中可包括业务层、逻辑处理层)和数据服务层三层结构。(6)提出了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设试点煤矿羊场湾煤矿建议网络平台拓扑图。(7)根据建设综合监测应用平台的需要，主要针对关键技术：多层分布式应用体系、组件技术、多线程技术、事务处理、D D E N e t D D E 技术、O P C 接口技术以及S o c k e t 网络编程技术进行了研究和软件实现。本论文以数字化矿山为研究对象，结合电子信息产业发展基金
32、招标项目煤矿安全生产自动化监测、监控和管理系统与标准研究制定(项目编号：X D J 2 0 5 1 4 2 7)以及宁夏煤业集团数字化矿山应用研究的基础之上展开的研究，进行了理论创新和技术开发工作，论文的基本逻辑结构如下：第一章绪论。本章介绍了论文的选题背景及意义、国内外数字化矿山研究的现状和发展趋势以及论文的主要工作和逻辑结构。第二章数字化矿山体系结构研究。本章通过数字地球的概念，从三个层次详细阐述了数字化矿山的概念，通过对数字化矿山的理解，从数据利用层面提出了建设数字化矿山的体系结构，并进行了详细阐述。第三章宁夏煤业集团羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案。本章通过分析宁夏煤业集团公司现有的信
33、息化现状，设计了宁夏煤业集团公司数字化矿山建设的总体目标和分两步来建设数字化矿山的设计方案。根据集团公司的整体目标，针对试点矿羊场湾煤矿的基础环境分析，设计了煤炭企业基于I P 平台数据资源标准草案和数字化矿山的设计方案。第四章宁煤集团羊场湾煤矿安全生产多业务综合监测平台。本章主要针对开发的安全生产多业务综合监测平台进行介绍，介绍了平台系统架构、运行环境、通用界面以及多业务的系统构成。第五章宁煤集团多业务综合监测平台关键技术研究与实现。本章主要针对在建设基于I P 的数据资源统一平台时所牵涉的关键技术：多层分布式应用体系、组件技术、多线程技术、事务处理、D D E N e t D D E 技术
34、、O P C 接口技术以及S o c k e t 网络编程技术研究与软件实现。第六章宁煤集团多业务综合监测平台安全体系结构设计。本章主要针对在建设基于I P 的数据资源统一平台时，在网络硬环境和软环境所需要的安全设计策略。第七章总结与展望。本章主要对于整篇论文给与简要总结，指出论文所研究内容目前所存在问题，以后需要进一步完善和研究的方向。2 数字化矿山体系结构研究2 数字化矿山体系结构研究2 1 数字化矿山的概念数字化矿山是数字地球在矿山开发中的应用。所以定义数字化矿山首先要理解数字地球。数字地球是指“一个多种分辨率、三维的表述方式，使我们能嵌入巨大数量的地理坐标系数据系统”，就是指在全球范围
35、内建立一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，即按照地球坐标整理并构造一个全球的信息模型，描述地球上每点的全部信息，按地理位置组织，存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使每一个人都可以快速、准确、充分和完整地了解及利用地球上各方面的信息。在这个意义上，数字地球就是一个全球范围的以地球位置及其相联系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称p J。因此，我们可以从两个层次上来理解数字地球。一个层次是将地球表面每个点上的固有信息(即与空间位置直接有关的相对固定的信息，如地形、地貌、植被、建筑、水文等)数字化。按地理坐标组织起来一个三维的数字地球，全面
36、、详尽地刻画我们居住的这个星球，亦即我们通常所指的那样，是地球本身；另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息(即与空间位置间接有关的相对变动的信息，如人文、经济、政治、军事、科学技术乃至历史等)组成一个意义更加广泛的多维的数字地球，为各种应用目的服务。数字化矿山的特征与数字地球是一致的，只是尺度和范围上不同。所谓数字化矿山就是指在矿山范围内建立一个以三维坐标为主线，将矿山信息构建成一个矿山信息模型，描述矿山中每一点的全部信息，按三维坐标组织，存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使有关人员都可以快速准确、充分和完整地了解及利用矿山各方面的信息。在这个意义上说，数字化矿山就是一个
37、矿山范围内的以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所获得的信息的总称。因此，可以从三个层次上来理解数字化矿山：一个层次是将数字化矿山中的固有信息(即与空间位置直接有关的固定的信息，如地面地形，井下地形、地质、开采方案、己完成井下工程等)数字化，按三维坐标组织起来形成一个数字化三维空间，全面、详尽描述矿山及采掘工作体。另一个层次是在此数字化三维空间上再嵌入所有相关信息(即与空间位置间接有关的相对变动的信息网络化离散的管理信息数据，如井下监测监控、供电管理、通风管理、排水管理、生产管理、调度管理等等)。第三个层次是数字化的空间的动态性和业务、管理的多元化。数字化矿山
38、是个动态西安科技大学硕士学位论文的概念。因为新的数据不断更新，采掘面不断更新，数字化三维空间和空间中的数据都在发生变化。从这个角度来讲，数字化矿山首先是资源的数字化，以大量信息构成的资源量可直观显示出来，其次是信息资源的立体化的，而不是平面的：最后，业务在这个数字化空间中是多层次、多角度的；管理也是多层次、多角度的，这个数字化空间多元的【5 1。我们用一些场景来真实感受以下各数字化空间：矿局的领导可以使用鼠标在模拟的三维的矿井中下矿，逼真地感受矿井的工作现场和查看现场数据，如现场安全检测设各处于矿山中的何种位置，发挥着何种作用，设备状态如何，谁在进行操作，如何使设备在矿山中获得最佳配置等信息资
39、源。把人事管理可以“嵌入”数字化空间中，人事管理从此可以实现扁平化、透视化。矿山中的人力资源分布，各种人员的流动性图表，获得最佳劳动力组合。财务管理、营销管理也可以“嵌入”到这个数字化空间。在矿山设计、建设开采过程中，摸拟三维矿井条件，进行有效地表述，不再要求非要亲自深入井巷工作面，办公室内就可触摸工作面矿床，不再非要矿井建设成后再去体验，“矿井未建先下井巡视一番”已是可能，可以把矿井建设得更科学合理。在技术研讨中，生产中的技术管理往往要反复进行多方案对比，参与人员观察问题的角度增加了，如果一个技术问题在三维的多元化空间中去分析，可以酝酿的更充分，那么对技术问题的认识也会更深刻，专家可以从各个
40、角度描述问题，使得技术文体更加全面，并可以对研讨对象进精确刻画，形成多种备选方案。2 2 数字化矿山的体系结构提出2 2 1 体系结构无论从业务层面，数据层面，技术层面，数字化矿山都是一个复杂的巨大系统，它所涉及的是多知识的融合，多学科的交叉。因此，我们在总结以前数字化矿山建设的经验基础之上，设计了数字化矿山建设的体系结构。系统结构图如下图2 1 所示：62 数字化矿山体系结构研究2 2 2 体系结构分层描述图2 1 数字化矿山架构系统的组成结构及业务描述如下：(1)高速宽带网络支撑体系数字化矿山的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础，在数字化系统中所处理的业务不但有语音、视频、数据业务，还
41、有大量的与模型库交互的三维数据。建立宽带、高速和双向的通讯网络，确保海量矿山数据在企业内部、甚至是与I P 网络快速传递都是十分必要的。高速宽带网络是数字化矿山的基石。因此，高速企业网技术是数字化矿山建设的关键之一。(2)三维数据原库和应用模型结合煤矿安全生产数据标准，整合安全监测数据和现场G I S 信息。并采用虚拟现实技术、建立三维数据模型库，将各类管理为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型应用模型库，为矿山数字空间提供原库调用服务1 6 J。在三维的矿山3 D 原库中，用关联和拓扑的方式组织相关的原库。主要提供矿山信西安科技大学硕士学位论文息的拓扑查询、分析与应
42、用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测等，均以矿山3 D实体的属性、几何与拓扑数据的统组织为基础，因此，可以立足矿山3 D 数据的矢栅集成，完成矿山3 D 拓扑描述、表达、组织与维护。(3)数据挖掘数据挖掘是利用基于知识的工程(K B E)技术和人工智能，从矿山海量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，是本系统的实用化工具。只有当数字化矿山能够方便、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，数字化矿山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
43、所共享。由于矿山空间信息的上述特点，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，数据挖掘技术提供了这种高效、智能、透明、符合矿山思维的服务提供。(4)中间处理层中间处理层是空间和应用数据的合成基地，负责统一管理数据和模型，即空间数据原库和应用模型库，提供数据资源的载入。完成空间拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出等G I S 基本功能，并进行数据访问控制、开放接口。分析组织各个空间原库，将离散动态数据库载入空间。中间处理层同时还完成三维数字化空间视图，即在统一的空间参照下进行采矿动态组织与管理，并调度和控制各类三维原库和应用模型的使用和运行，完成
44、业务数据的管理与封装等系统功能。为统一的O A、C D S 一体化中心，提供各种应用功能空间载体；如在此空间可设计实时开采模拟、作业安排与监测、资源动态管理、通风网络体系模拟、排水系统模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等。(5)三维基础数据及业务环境提供者：V R(虚拟现实)、3 D G M(三维地学模型)、虚拟仪器、M G I S(矿山G I S)在煤矿企业应用系统中已经形成了不同用户层次、具有不同功能的煤矿应用系统和软件模块，已经形成了海量数据与海量模型，采用三维地学模拟(3 D G M)进行数据与模型的过滤和重组。通过三维地学模型(3 D G M)，
45、把采掘资料、地震资料、开挖设计数据及各类物探、化探资料，来建立矿井、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3 D模型库，将海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息虚拟的再现。运用V R(虚拟现实)和并行计算技术，并嵌入虚拟仪器，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。经过上述的处理，对矿山采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与2 数字化矿山体系结构研究虚拟分析。形成各个基础的三维模型库，应用模型库。为统一的O A、C D S 一体化中心提供业务视图环境和业务管理方式。(6)数字矿山业务处理(O A)和指
46、挥调度系统(C D S)一体化的信息管理中心数字矿山的根本目标还为企业高效管理决策提供支持，在数字化矿山中，把办公自动化和指挥调度系统作一定的绑定。在可视的环境中，形成全矿山、全过程、全周期的数字化管理、作业、指挥与调度，做到信息数据，管理业务流程，相互协调、相互融合。(7)安全体系整个应用体系都是在构建在安全体系之中的，具有良好的安全保障体系。整个系统的安全的设计从两个方面来考虑，一是硬件平台；即提供三维空间网络Q O S 的同时，如何保证系统的服务可靠和稳定，二是软平台：即身份的统一认证，授权，加密，审计和监测等方面。(8)管理业务体系在应用处理过程中又分为三个层面：数据层、业务处理层、业
47、务管理层，为企业的业务管理、高层决策提供服务。在系统的构成中，整个系统是采用分层的结构，每一层向上一层提供服务，各层之间按照运营管理体系的规范交互。运营管理系统是数字化矿山的运营管理的支撑体系。这三个层次贯穿于整个四级网络体系中，并形成三个系统。各业务管理层相互协调、相互促进。在业务管理层面中，其中网络数据层是监测和诊断中心的数据源，为局矿两级的相关专家人员，工程人员提供信息服务，而决策层是在这些数据的共享平台中高度共享和利用这些信息。局矿两级网络中的专家支持和决策所形成的数据又加入到网络数据层中，而被充实的网络数据层又为各级专家支持、决策提供更为丰富和完备的数据。整个的应用的体系都是在构建在
48、安全体系之中的，具有良好的安全保障体系。在应用处理过程中又分为三个层面：数据层、业务处理层、业务管理层，为企业的业务管理、高层决策提供服务。在系统的构成中，整个系统是采用分层的结构，每一层向上一层提供服务，各层之问按照运营管理体系的规范交互。运营管理系统是数字化矿山的运营管理支撑体系。9西安科技大学硕士学位论文3 宁煤集团羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案3 1 宁夏煤业集团基础环境分析宁夏煤业集团公司由原四家企业整合而来，具有业务点多、覆盖面积大、管理战线长等特点。按照专业化分工、集约化管理的思路，实行事业部制的管理体制，下设6 个职能性事业部、6 个实业公司制事业部和1 个投资发展委员会、3
49、 个生产指挥部。共有煤炭生产矿井1 3 对、露天矿1 处、洗煤厂3 个，以及煤炭深加工、电力、冶金等9 3 个生产及服务单位，现有职工5 4 万人，其中各类专业技术人员近万人。目前，宁夏煤业集团总部、石炭井矿区、石嘴山矿区、灵州矿区均已形成比较完善的信息网络系统。并在各区间建成了先进的企业综合信息网络，覆盖语音、数据、图像三大主要业务。其中M S T P 光传输网络为主要基础传输平台，I n t r a n e t 企业网为主要数据业务承载平台。以上两个平台为集团数字化矿山应用的基础平台。光传输网主干节点银川总部、大武口、石嘴山、灵武中心区，系统传输容量为2 5 G b p s企业网中各区间连
50、接采用1 0 0 0 M 连接，二级生产单位内部采用1 0 0 M 1 0 0 0 M 为主干，1 0 0 M 到桌面，接口配置如下表3 1 所示：表3 1 接口配置表因此，结合宁夏煤业集团公司现有的信息网络系统现状，整个企业网络化远程监测、专家诊断及指挥调度系统的应用结构如图3 1 所示。其中底层是以各个矿区的现场监测系统和工业网络为主。包括地面井下的传感器系统、数据采集系统、工控P C 机系统、智能监控与预测维修软件系统、通信软件与硬件、监测软件系统。底层数据采集和监控系统采用了单向数据传输技术，保证了各应用系统的安全性。3 宁夏煤业集团羊场湾煤矿试点数字化矿山解决方案工业总线J?I?l7