21世紀是信息主導的世紀， “數字化生存”已成為知識經濟的標志,信息、定位、通訊和自動化技術的飛速發展，深刻地影響和改變著傳統的采礦工業。越來越多的采礦人開始思考礦山信息化改造與DM問題，以煤礦、有色礦、非金屬礦為代表的傳統采礦業，已經并正在面臨21世紀信息技術的挑戰和洗禮，問題與機遇并存。
1數字礦山的基本概念與架構
數字礦山是對真實礦山整體及相關現象的統一認識與數字化再現，即將礦山生產、安全、礦山地理、地質、礦山建設等綜合信息全面數字化，其目的是為了利用信息技術及現代控制理論與自動化技術去動態詳盡地描述與控制礦山安全生產與運營的全過程．以高效、安全、綠色開采為目標，保證礦山經濟的可持續增長，保證礦山自然環境的生態穩定．為此，提出了幾種不同類型的數字礦山模型．如吳立新教授提出的5層同心園模型(圖1(a))；僧德文先生提出的7層模型(圖1(b))．這些數字礦山模型有力地推動了數字礦山概念的發展普及，起到了非常積極的作用。
2數字礦山建設的3層結構模型
結合數字礦山與綜合自動化的模型結構，從數字礦山建設的實用角度提出一種數字礦山的3層結構模型如圖2所示。圖2中最底層是信息采集與施用層，包括礦山各種子系統的數據采集與反饋控制，根據各個礦山的不同，這一層的具體模塊會有所增減．這一層大部分子系統的數據是自動采集的，但也不排除部分數據是手工采集或人工輸入．底層各種子系統均應接人統一的控制網絡中，形成在統一網絡下的采集與控制。
中間層為信息集成層．各種系統的數據應有統一的數據描述形式、統一的數據處理格式和統一的數據管理方式，便于信息的挖掘和融合．例如，對礦山進行安全運行評價，需要監測監控系統的數據、通風系統的數據、礦壓監測的數據、地下水位及涌水量的數據等等，如果各系統的數據沒有統一的描述形式和存貯方式，信息挖掘與融合將是一句空話．
上層為管理決策層．礦山現場及相關現象的信息在中間層得到提升后，目的是為了利用這些信息去動態詳盡地描述與控制礦山安全生產與運營的全過程，保證礦山經濟的可持續增長以及礦山自然環境的生態穩定．管理決策層的各種軟件應用模塊就是這種目的的具體體現．和底層一樣，根據礦山的具體應用不同，這些模塊是可增減的．
顯然，圖2所示的數字礦山的3層結構模型與前述的模型有許多相同之處，其特點是3層結構模型并不是一成不變的，它可以根據礦山的規模、現代化水平、開采方式等進行靈活的調整，以適應各種不同類型礦山的需要．
3數字礦山的兩大基礎平臺建設
如前所述，數字礦山的建設需要多專業、多領域的專家與技術人員的共同努力，但由于所學專業的局限性，在討論數字礦山建設時，常常會無意識地過多強調某些專業的內容，造成顧此失彼，另一方面，同樣由于專業的限制，對跨專業的內容在數字礦山中的具體作用與地位，往往又只能談點概念，造成數字礦山成了概念的堆砌和高不可攀的東西．圖2所示的模型表明，數字礦山是現代化礦山在信息化時代的實實在在的具體體現，可以從基礎內容一步步進行建設，而決不是一個遙不可及的理想．在圖2所示模型中給出了數字礦山建設的商大基礎平臺，這就是統一傳輸網絡平臺和統一數據倉庫平臺，簡稱硬平臺和軟平臺．這兩大平臺從硬件結構和軟件配置上保證數字礦山中的各子系統模塊具有統一的傳輸模式、統一的數據描述形式、統一的數據處理格式和統一的數據管理方式．這兩個平臺是跨專業的，各種不同專業的專家和技術人員均可在這兩大平臺上施展身手．從前面的討論可知，數字礦山的建設顯然應從這兩大平臺人手，規范好各專業在數字礦山建設中應遵循的傳輸協議及數據標準．避免各行其是、自搞一套的做法，避免在數字礦山建設中再次出現困擾礦山多年的“信息孤島”和“子系統孤島”現象，使數字礦山的建設從一開始就步人正軌.
4．1統一傳輸網絡平臺建設
統一傳輸網絡平臺即硬平臺原則上由三大部分組成：①連接到礦山安全生產各個層面或子系統的控制網；②在礦山調度指揮中心的調度網；③礦山Internet網絡，并由此接人互聯網，實現國家資源開發與空間信息共享．圖2的3層結構模型分別運行在這3層網絡中．
數字礦山對控制嘲絡傳輸平臺的要求：①完全開放式網絡，各種子系統能方便地上、下網絡，相互構成聯系；②各種子系統內部應能形成各自的邏輯網，或虛擬網VLAN；③網絡具有良好的可靠性、冗余性；④有限制網絡流量的能力，確保重要子系統的實時性；⑤豐富的網管功能；⑥最大限度地使用網絡資源．控制網的構成目前有如下幾種選擇：①工業總線網；②工業以太網(100 Mb或1 000 Mb)；③基于SDH的多業務平臺MSLP；④光無源網絡．其中前兩種在工業控制界有多年應用的經驗和眾多廠商的軟硬件支持，相對比較成熟．而后兩種技術是從通信領域發展而來的，僅提供信息傳輸通道，在工控界的應用相對較少．在應對底層的控制和數據采集上來說，支持的硬件廠商和軟件協議也較少．
調度指揮中心的網絡通常采用以太網結構，各種數據服務器和應用服務器均在此網絡中．對底層系統進行數據采集與控制用的操作員站也在此網絡中．因此，需要實現控制網與調度網的透明傳輸，實現系統的冗余配置和數據的雙備份等．這些技術在目前企業綜合自動化集成平臺中均己得到很好地解決．圖3為一種統一傳輸網絡平臺示例．調度指揮控制中心調度網為普通以太網，控制網為l 000 Mb工業以太網，各種生產與安全子系統均接入此控制網平臺，但各子系統可以形成自己的邏輯網。 網絡采用網管型交換機構成環形冗余方式，支持服務質量（QOS）、虛擬局域網(VLAN)、端口鏡像、冗余與SNMP等特性．由于采用工業以太網協議，因此，能保證控制所需的實時性．一般的工業以太網協議。
調度指揮控制中心以太網由交換機、服務器、網關、操作站等組成，均采用冗余設計，服務器操作系統采用windows 2003 server，工作站操作系統采用window xP，歷史數據庫采用SQL server 2000，給整個系統提供開放的安全數據接口．
企業Internet網絡是大多數礦山已有的礦山局域網，并已實現了與國際互聯網的連接，不再贅述，統一傳輸網絡平臺的建設解決傳統方式下各子系統單獨傳輸，信息相對獨立，系統相對獨立的缺點，實現礦井安全生產信息化，確保礦山安全、高效地生產，為數字礦山的建設打下了良好的基礎．
4．2數據倉庫平臺
硬平臺建設保證了異構系統硬件和傳輸協議上的相互連接，但圖2所示各子系統的數據同樣是異構的，采用數據倉庫技術來實現異構數據的統一描述與處理是數字礦山基礎建設的另一個重要內容，即軟平臺建設．
由于數字礦山子系統眾多，將來的發展需要對各子系統的數據進行綜合分析和數據挖掘，因此，從一開始就利用數據倉庫具有海量數據存儲的能力，利用OLAP聯機分析處理和數據挖掘技術進行強大的多維數據分析，為實現決策支持功能提供條件．
后臺數據存取，選用數據SQL server，OLAP聯機分析處理技術，雙機共用磁盤陣列，結合了群集技術和磁盤陣列技術，使得數據庫具有高可靠性、可用性、安全性、穩定性以及數據完整性．Microsoft將0LAP功能集成到Microsoft SQL server 7．0中，提供可擴充的基于C0M的OLAP接口．它通過一系列服務程序支持數據倉庫應用．
數據傳輸服務DTS(Data Transformation Services)提供數據輸入／輸出和自動調度功能，在數據傳輸過程中可以完成數據的驗證、清洗和轉換等操作。
礦山數據倉庫技術 針對礦山信息的“五性四多” （復雜性、海量性、異質性、不確定性和動態性，多源、多精度、多時相和多尺度）特點，為統一管理和共享數據，必須研究一種新型的數據倉庫技術，包括礦山數據分類組織、分類編碼、元數據標準、高效檢索、快速更新與分布式管理，其中，研究提出一種適合多源異質礦山數據集成與共享、且獨立于應用軟件與數據模型的數據組織結構的軟件，我們正在使用的是skyline。
4數字礦山的主要技術
4.1生產調度與監測監控技術
生產調度系統是煤礦安全生產管理中的重要手段之一，在煤炭生產中發揮著非常重要的作用。在地面，它是行政通信系統不可缺少的重要補充部分，因為煤礦生產規程中規定，在地面如絞車房、中央變電站等重點部位要安裝行政、生產兩套通信設備，保證在一個系統出現故障，另一個系統能滿足生產的需要。在井下，生產調度通信系統則是主要的通信手段，井下各生產環節的信息主要通過該系統來傳遞。生產調度與過程控制建立在綜合通訊系統平臺上，以實現對人員設備跟蹤定位、設備運行狀態控制以及視頻監視系統和虛擬現實系統，實現對采礦生產調度與過程控制，只有建立了功能完善的生產調度與過程控制系統才可能實現危險作業場所遙控采礦和無人采礦。
4.2礦山安全監控系統及環境監測技術
礦山井下生產過程中，主要的危害有巖體破壞、有毒有害氣體、火災等。因此，必須建立起有效的綜合安 全監控與預警系統礦山綜合安全監控與預警系統采用傳感器采集各種數據，安全檢測系統采用時分制分布式結構，主要由地面監控主機、數據庫服務器、網絡終端、圖形工作站、通信接口、避雷器、系列監控分站、各種傳感器和控制執行器等部分組成。具有良好的開放性和可伸縮性，采用模塊化設計，組態靈活。監控中心運行在標準的Ethernet TCP/IP網絡環境，操作系統平臺為中文Win2000，可方便實現網上信息共享和網絡互聯。支持Internet/Intranet模式的Web系統綜合監控信息瀏覽。系統顯示畫面采用文本、圖形兼容方式，顯示信息直觀、生動，具有實時多屏顯示功能，實時數據存儲和各種統計數據存儲能力。數據存儲時間長、查詢和報表功能豐富，格式可由用戶編排。有系列化，多用途監控分站，功能豐富，具有甲烷斷電儀及甲烷風電閉鎖裝置的全部功能。有完善的數據停電保存能力，確保監測數據和設置數據信息不丟失。配有智能口，可采用RS485通訊方式的各種傳感器及設備。系統具有自檢功能，可對分站、電源、傳感器、電纜等設備進行診斷，能報警和記錄并自動切斷故障支路。有完善的多級口令保護功能。系統設備具有完善的故障閉鎖功能，當與閉鎖有關的設備未投入正常運行或故障時能切斷與之有關設備的電源并閉鎖。
4.3 礦山綜合通訊技術
作為生產管理人員、電機車司機、皮帶維護工和其它流動人員的主要通信手段，井下無線通信系統保證了這些人員能夠與生產調度室及時取得聯系。它具有安裝快捷，能在較短時間內形成局部移動通信系統的特點。系統能與礦井行政、生產通信系統實現組網，特別是當井下發生緊急情況時，可為井下提供能及時與地面聯系的工具，對搶險的組織非常有幫助。井下／井上通信系統作為生產調度通信系統的補充在礦井生產安全等方面起重要作用，礦山綜合通訊同一網絡能夠同時傳輸語音、圖像、數據等各種信息，使語音、視頻、數據三網合一。
井下無線通訊核心技術是采用微蜂窩和信道動態分配技術，從而大大地提高了頻率的使用率和系統的容量。小靈通小區基站與手機之間采用了時分雙工模式TDD，其無線信道基于時分多址TDMA結構，語音編碼采用32kbit/s AD PCM方式，提高了話音通信質量，增強系統的保密性；使用分集天線接收，加強了系統的抗干擾能力。PHS產品技術較以前的產品，無論是業務側、網絡側，還是無線側、終端，都已經取得了突破性的進展，到目前為止PHS已經形成了由服務提供商（SP）、網絡運營商、設備提供商、終端商和用戶組成的完整的產業鏈。
4.4 資源與開采環境可視化建模與評價技術
資源及開采環境可視化建模與評價主要實現兩個方面的目標：一是資源評價，主要采用可視化建模方法和虛擬現實技術完成礦床模型的建立，用以表征礦床有用元素的空間分布情況和對資源狀況進行科學合理的評價；二是開采環境評價，通過建模技術全面掌握礦床和巖層分布、巖體質量、構造特征、已有井下工程的分布狀態等影響礦床開采的技術條件和關鍵工程指標。
資源及開采環境可視化模型是數字礦山建設的基礎，只有完全掌握了礦床及井下開采環境情況，才能夠為數字礦山的建設提供基礎平臺，數字礦山建設后續的通訊系統、生產調度及人員設備定位、生產過程安全監控與預警系統、生產過程虛擬現實系統都需要以此為基礎平臺進行設計開發和系統運行。
資源及開采環境可視化建模采用TIN(不規則三角網)技術產生數字地形表面模型和地質體(包括床體、巖層及斷層)實體線框模型，同時采用變塊技術建立礦床資源評價塊段模型。最終采用地質統計學方法對塊段模型進行估值，得出既有結構性又具有隨機性的復雜地質體的空間分布及品位和開采環境綜合評價技術成果，并在此基礎上進行開采方案優化與設計。
結 語
我省是一個采礦大省，科技含量和管理水平與世界發達采礦國家相比還存在相當大的差距，需要將建設與整個礦山企業的技術創新、管理改革更進一步結合。當然，數字建設涉及到企業的方方面面，首先是人的思想觀念與思維方式的轉變，然后是企業管理體制與管理模式的變革。企業決策者、管理者和廣大工程技術人員要共同參與和積極配合，大步提升，才能再創礦山企業輝煌。此外，我省政府的高度重視和配套投入，實現我國礦業生產的跨越式發展，使我省的礦山和礦區逐步走向可持續發展之路。
