問題的提出
數字礦山是建立在數字化、信息化、虛擬化和集成化基礎上的，有計算機網絡管理的管控一體化系統。它綜合生產、經營、管理、環境、資源、安全與效益等各種因素，使企業在實施綠色采礦的條件下實現整體協調優化，以增強礦山企業在市場中的競爭能力和適應能力。數字礦山的是最終目標是礦山的綜合自動化。
我國的煤炭工業是國民經濟重要的基礎產業，但與國際上發達國家相比，我國煤炭企業普遍存在兩個方面的不足；一是煤礦總體裝備技術水平，尤其是系統的整體有效性、信息化水平不高；二是煤礦生產事故多，造成國家財產和人民生命的嚴重損失。其根本原因是對礦井作業過程和環境狀況缺乏一套系統、科學的動態監測、分析以及實時有效的控制技術?，F代科學技術的發展，尤其是信息化時代的到來，為煤炭工業這一傳統工業的改造指定了方向。
煤礦井下各種監測，監控系統繁多，目前國內這些監測、監控系統仍處于相互獨立的狀態。各種系統字成體系，信息不能互通，造成通信線路重復投資、重復建設，系統維護量增大,整體可靠性差.許多企業僅僅通過安全生產監控網絡將各種子系統連接起來,仍不能實現系統資源管理和信息的共享。這種網絡的通訊方式為分時通訊，數據分時采集，遠遠達不到工業系統實時性是要求。而且現有的礦級網絡大多僅支持辦公自動化，其實時性、可靠性和抗惡劣環境的能力還不能滿足煤礦安全，生產、調度系統的需要。此外，信息不能綜合利用，難以從系統工程的整體角度來對礦山進行統一的自動化調度管理。開發數字化礦山關鍵技術，通過與科研院校的聯合，在對煤炭生產過程、作業環境、事故預測、安全控制等關鍵環節的重點研究，解決關鍵技術的基礎上，全面運用電子信息技術，形成高效的自動化安全生產技術，構建一座真正意義上的數字化煤礦，可實現改造傳統工業，提升企業生產裝備的綜合自動化水平的目的，使其生產流程和安全性控制程序化，集成化、網絡化、智能化、大大提高生產、安全裝備的綜合自動化水平，提高安全監控系統的可用性,確保生產安全和高產效。數字礦山的總體構架。圖略。
2國內外概況
2.1 國外相關學派與技術發展的概況
“數字礦山”是一個實時管理礦區全部信息資源人力資源、生產要素和生產活動、銷售活動的信息處理系統，完全意義上的國外相關產品還未見報道，但已有許多相關的地理信息系統平臺商品化軟件。在通用地理信息系統方面有代表性的有：每個環境系統研究所（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、水文，礦山等專門地質信息系統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 國內相關產品與技術現狀
對于煤炭行業，“數字礦山”或“數字礦區”是煤炭企業實現“企業信息化工程”的主體工程。鑒于“數字礦山”核心技術復雜、投入大、開發周期長，而國際國內在這方面起步時間都不長，所以雖然有些煤炭企業正在或準備開展該項工作，但均不是完全意義上的“數字礦山”。山東 礦山集團公司與2001年開展了“數字 礦”的立項和建設，但目前僅僅局限在“地測空間信息平臺構建與開發”，離真正的數字礦山尚有很大距離。徐州礦務集團公司亦開展了“數字煤礦”的建設，先以張雙樓煤礦作為試點，但無論在廣度（全面的煤礦數字化）的深度（以數字化作為煤礦生產的核心技術）上都還遠遠不夠。$Page_Split$
3、總體實施方案研究
3.1技術特點、關鍵技術和關鍵工藝
煤礦高效自動化安全生產技術——數字化礦山關鍵技術開發，核心是礦山高效自動化安全生產技術。關鍵技術主要包括：（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺的開發；（2）貫穿礦井生產安全過程的綜合自動化監測與控制系統；（3）以數值模擬，實時響應及控制為核心的智能化坎井安全監測監控系統。
關鍵的工藝是建立一套集井下各類實時數據（生產、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技術，形成統一平臺，其中包含寬帶數據傳輸平臺，語音通訊平臺，寬帶視頻傳輸平臺，構建統一的支持各類應用的計算機網絡平臺，是三網融合。建立統一數據平臺，建立以數據中心為基礎的企業統一數據平臺。逐步構建企業的數據倉庫。以統一系統支撐平臺，建立以門戶技術為核心的應用系統支撐平臺。使用門戶技術能夠和信息系統有效完整集成，具有個性化的定制能力、支持多種開發環境并在管理和維護方面簡單。通過統一應用平臺，建立以應用服務器技術為核心的三層網絡應用技術為基礎的應用開發平臺。
3.2.1實施的具體內容
（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺。首先應用三維GIS技術建立礦井綜合信息管理平臺，開發出一個實時動態的三維可視化平臺，實現礦井空間位置、作業環境、生產過程與行為、設備工況、安全狀況等的數字化、生產指揮、調度、管理的科學化與智能化，使信息資源實現最大化的利用。主要包括井下信息管理子系統和地面管理信息系統功能的實現。具有以下特點，數據的完備性，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、預見性和突發事件處理的最佳性。
（2）礦井生產全過程的綜合自動化監測與控制系統，對現有生產系統進行綜合自動化改造、自動化補套，將分散獨立的子系統進行綜合集成，提升生產工藝流程的集約化水平，優化過程控制，建立底層控制網，初步實現主要生產系統的集中監控和部分系統的關聯互動。
（3）數值模擬。實現響應及控制為核心的智能化礦井安全監測監控系統。對安全監測系統進行進一步的優化與完善，尤其是建立一套能對安全監測數據進行全面分析、從而進行災害識別、預測，并能通過生產綜合生產自動化控制系統進行有效控制的安全測控系統。
3.2.2實施的具體內容和技術路線
（1）基于三維GIS的礦井綜合信息管理平臺。首先應用三維地理信息技術建立的復合地質數據庫和礦井真三維空間地質模型建立生產管理信息系統、地質測量子系統、礦井三維空間地質建模、信息查詢及輸出模塊、采掘信息管理子系統、生產與礦井儲量分類統計報表輸出模塊、運輸及生產保障信息子系統。
本系統項目擬采取的技術路線為：
從礦區層面的地測空間數據入手，按空間數據的幾和特征和業務門類進行分類組合，并按國際和行業標準，建立統一的編碼系統。根據業務門類或指定主題，按照“不重不漏，留有余地”的原則，規劃、構建礦區層面的數據倉庫，每一個主題可對應于一個子倉庫，如地質、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據庫相連。
不論某空間要素分布在何處，也不論其原始記錄數字 化與否，皆應通過信息平臺的構建，使每一個地測空間要素都對應一個體現上述綜合特征的標識碼，該標識碼及其對應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據庫中。憑借數據倉庫特有的“向下探察技術”，首先要能夠根據標識碼從散布在數據倉庫里的海量數據中“找到”所需數據，然后通過適當的數據轉化機制“打開”該數據，使之能為特定的研究目標所用。根據三維GIS理論和方法，運用空間分析、虛擬現實、WebGIS等技術，構建真三維空間實體模型，動態模擬地質變化、采掘過程、運輸過程。建立多維地測繪圖系統。建立數據倉庫及處理結果的網上數據接口、界面，使用戶不僅通過網絡實現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實現快速成圖。
（2）井下主要設備、生產過程等系統的自動化監測與控制系統。當前國內絕大多數廠礦企業自動化系統都是多個子系統組成，各廠家的產品自成系統，分立運行、彼此無聯系，整個系統形成多個自動化監控孤島。為了實現自動化系統，國內目前許多許多地方采用組態軟件（如fix，iniouch、組態王）和網絡等IT技術來進行系統集成。因各子系統廠家不同，通信協議不標準，因此實施起來較困難，設計、安裝、調試周期長，維護困難，使用設備和布線多，效果差。
為實現礦井綜合自動化監測監控傳統集成，建議采用以現場總線為基礎的全數字控制系統——現場總線控制系統（FCS）。FCS是信息化在工業自動化領域的體現，是工業自動化發展的方向，是系統集成的重要手段。礦井生產自動化監測與控制系統主要包括：綜采工作監控系統、膠帶機監控系統、機電設備自動化系統等。首先是應用現場總線建立底層設備之間的通信網絡，是計算機數字通信技術在自動化領域的應用，為底層設備信息及生產過程信息集成提供了通信技術平臺。實現監控信息縱向集成的透明通信。把DCS集中與分散相結合的集散系統結構,變成了新型全分布式結構,把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能設備本身使可實現基本控制功能。工業以太網是以太網技術與現場總線技術相結合的產物，以光纖為傳輸通道，主要敷設在大巷和主要聯絡巷道。根據煤礦的實際情況，采用有線、無線等多種方式建立各種監測、監控系統接入綜合業務網?？刂葡到y和計算機系統接口技術，基于實時歷史數據庫管控一體化平臺技術，現場總線技術，工業以太網技術，閉環檢測控制技術。
開發數據接口，將各個已有控制系統的實時數據送入一個統一的實時歷史數據庫管控一體化平臺，從此可實現各系統數據共享，構建數據倉庫；采用自動控制系統采集現場各生產參數，對現場設備和參數進行監控；通過相應的通信接口如OPC SERVER將各生產對象的數據采集，數據作為整個生產控制信息集成的基礎。采集的井下生產數據及地面各控制系統實時數據擬采用工業以太網前沿傳輸技術，傳遞到相應的中央服務器或根據地域劃分的應用服務器，實現地域調度和集團總體管理。
主要包括①綜采工作面臨監控主要實現支架自動電液控制、頂板壓力監測和工作面內所有生產設備的集中控制，達到改善作業條件和減人少人的目的。同時采用現場總線技術將系統內的信息送至地面控制中心，為生產調度指揮系統提供可靠的基礎信息。②膠帶機運輸和提升監控系統：本系統通過采用現場總線技術實現對主井膠帶機、各盤區膠帶機、煤倉給煤機和煤倉庫煤位的集中監控，并結合工業電視監視系統和信號通信系統，實現原煤膠帶機運輸系統的集中控制，提高整個系統的穩定性、可控性，減少崗位司機，提高生產效率。同時將系統內的信息送至地面監控中心，為生產控制和調度指揮系統提供可靠的基礎信息。③機電設備自動化系統：通風機房監控系統、壓風機自動化系統、井下供排水控制系統、井下供電監控系統。④洗煤廠原煤加工綜合自動化系統：采用先進的計算機控制技術、管理技術，通訊網絡技術和信息技術，進行系統集成，構成洗煤廠綜合自動化信息系統（CIMS），將洗煤廠各獨立的控制系統集中進行監控。監控系統與洗煤廠計算機管理信息系統和工業電視監視系統聯網，實現集成化和管理一體化，以提高煤炭產品加工質量和生產效率，減員提效，降低生產成本，從而提高企業的經濟效益和市場競爭力。
礦井寬帶多功能移動通信系統的開發與應用：工作頻率可根據需要，在4MHZ寬帶的范圍內任意設定。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和無線移動電話聯網；手機和基臺的發射功率連續可調，滿足各種不同礦井的不同需求，使系統的應用范圍更廣?？蔀榻窈蟮娜藛T跟蹤，圖象傳輸和井下尋呼系統提供技術平臺和傳輸通道。設計帶通濾波器設計，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，經過多次調試才獲得成功。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，需經上海防爆檢驗站的檢驗，取得了防爆檢驗合格證。針對現有問題進行相應的技術發展，如采用自診斷技術以提高生產效率，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務；進行電磁兼容和電纜、外殼改造等綜合設計以提高產品的可靠性；采用成熟電路和新型元件以提高產品的集成度和穩定性。
（3）礦井安全監測監控系統。①礦井監測系統準確、及時的報警技術：根據災害的不同種類，確定監測系統傳感器優化設置參數，包括傳感器的類型、數量、布置間距、位置、報警限設置等，并根據不同種類傳感器的特性和災害發生的規律，開發辨別災害誤報、錯報的技術、提高礦井災害預警及時性和可靠性。以提高監測系統相關安全信息的及時傳輸能力，縮短災害動態模擬技術的基礎上，結合GIS技術，在通風系統風流狀態參數變化的影響；
