面向煤矿绿色开采的集成信息系统.pdf

第船卷第2 期 中国矿业大学学报 V o ．3 3N o ．2 2 0 0 4 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y M a r - 2 0 0 4 文章编号；i 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 2 0 9 0 4 面向煤矿绿色开采的集成信息系统 谭海樵 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要分析了绿色开采对信息系统的需求，提出了面向绿色开采技术的集成信息系统框架，包括 关键层在内的各类地学实体就是该系统的研究对象．相关技术包括地学参照系的确定、基础数据 的元数据规范、信息传输标准的制定、信息管理平台的研制以及数据挖掘、异构信息融合和专题 信息的用户化表达． 关键词绿色开采；综合信息系统；元数据；异构信息 中图分类号P5文献标识码；A G r e e n - M i n i n g O r i e n t e dI n t e g r a t e dI n f o r m a t i o nS y s t e m T A NH a l q i a o S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ，C U M T ．X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ．C h i n a A b s t r a c t R e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o ns y s t e mf o rg r e e nm i n i n ga r ea n a l y z e d ．F r a m e w o r ko fa g r e e n m i n i n g o r i e n t e di n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d ．T h er e s e a r c ho b j e c t so fs u c h s y s t e mi n c l u d ea l lk i n d so fg e o e n t i t i e s ，s u c ha sk e yl a y e r si nac o a lm i n e ．T e c h n o l o g i e sr e l e v a n tt o t h i sk i n do fs y s t e ma r et h ed e t e r m i n a t i o no fg e o r e f e r e n c es y s t e m 。s t a n d a r d i z a t i o no ft h em e t a d a t a f o rf o u n d a t i o n a ls o u r c ed a t a ，f o r m u l a t i o no fs t a n d a r d sf o ri n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，d e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp l a t f o r ma n dd a t am i n i n g ．a n df u s i o no fi n f o r m a t i o nw i t hd i f f e r e n t s t r u c t u r e s ，a sw e l lt h ee u s t o m e r i z e dr e p r e s e n t a t i o n so fs p e c i f i ct h e m ed a t a ． K e yw o r d s g r e e nm i n i n g ；c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m ；m e t a d a t a ；n o n s t u c t u r ei n f o r m a t i o n 1 绿色开采对信息系统的需求 在长达4 5 亿a 之久的地球历史中，人类的“球 籍”不过1M a ．正是人与自然长达百万年的磨合， 特别是大自然给予人类一次又一次的惩罚，使人类 逐步认识到传统的发展模式实际上是在以前所未 有的方式和力度改造乃至破坏着地球原有的生态 环境，并直接威胁到人类自身的生存．随着可持续 发展战略的提出和实施，人口、资源、环境协调发展 的理念正在成为各行各业的行为规范[ “． 针对采矿业可能对地球生态环境引发的破环 作用，业内人士先后提出了面向可持续发展的生态 开采o ] 、绿色开采[ 蚓等新型开采技术，以期规范人 类的矿业生产活动．文献表明，现有的绿色开采技 术大致可分为两大类广义的绿色开采和狭义的绿 色开采．前者主要定位于环境保护、土地复垦、新资 源开发和生产成本的降低；而后者则定位于保水开 采、建筑物下开采、煤与瓦斯共采、减少矸石类生产 废弃物以及煤的地下气化等直接与生产相关的技 术． R i oT i n t o 的加拿大子公司Q I T 在马达加斯加 投资3 ．5 亿美元的矿产开发项目可视为广义绿色 开采的典型范例口] ．该项目实际上是一个人口、资 源、环境一体化设计、并与当地政府密切台作的可 持续发展项目．项目并不是就矿论矿、而是在考虑 矿业开发的同时充分考虑当地的港口建设、商业发 展、棉花种植业、民众的就业、教育等一系列与法中 相关的问题，甚至还要考虑到当地百姓的用材林的 收稿日期2 0 0 3 1 0 一1 0 作者简介t 谭湃樵 1 9 4 5 一 ，男，江苏省棘阳县人，中国矿业大学教授，博士生导师，工学博士，从事遥感与G I S 方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 栽种问题． 美国能源部2 0 0 3 年提出的高达3 百万美元的 绿色开采研发计划o ] 可视为狭义的绿色开采技术 的代表．该项研发计划所包含的5 个子项目都是与 矿业生产直接相关的 1 采矿集成管理系统 2 半自动研磨优化设备 3 高强度红外表面增强技术 4 能源再利用和生产废弃物减少技术 5 高效液压分离器测试技术 应当指出的是，无论是广义的还是狭义的绿色 开采技术。生产决策者、管理者所面对的都是一个 由多个变量构成的复杂系统．与矿业生产活动相关 的因素并不仅仅是以矿体为中心的地学实体本身． 矿产的开发与否、开发程度都应取决于人口、资源、 环境相互依存的一体化指标，取决于是否有利于区 域的可持续发展．与矿业生产密切相关的能源消 耗、就业人口、经济利益和环境压力等等．都不是矿 体本身的地学属性所能决定的．矿业生产不可避免 地会涉及到社会、经济、环境、伦理等多种因素，而 且这些因素之间还会相互影响，产生叠加、耦合作 用，使整个系统更加复杂化．即便是对狭义的绿色 开采而言，以矿体为中心的地学实体更是一个复杂 的动态系统，采动所引起的各种物理场的变化、地 下开采对地表的影响、地下水环境的变迁等等都不 是单一变量所能确定的．也就是说，绿色开采技术 离不开多因素的实时综合评价和集成管理．工艺流 程的优化、能耗的降低、效率的提高以及废弃物的 减少都贯穿于矿业生产的全过程．集成管理系统在 绿色开采技术中的作用就显得格外重要．美国能源 部2 0 0 3 年提出绿色开采研发计划中将采矿集成管 理系统排在第一位也充分说明了这一点． 本文提出的面向煤矿绿色开采的集成信息系 统，总体上属于狭义的煤矿绿色开采技术的范畴， 同时又尽可能兼顾广义绿色开采的需求．为使煤矿 生产进程中的各级管理人员能对前靖和后端的技 术指标及时做出正确的响应，有必要在分析研究煤 矿生产的全过程和用户需求的基础上，探讨适合中 国煤矿生产实际的高效低耗煤矿生产集成信息系 统．该系统除考虑生产要素之外，同时将自然要素 纳入其中，以确保生产与环境的协调发展． 2 系统的逻辑架构 从中国能源结构和社会需求的角度来看，煤矿 生产至少在近几十年内都是不可或缺的．至于与之 相伴的土地资源破坏、水资源污染和大气污染等问 题，只能通过生产过程的优化来实现．按照循环经 济[ 8 ] 的观点，煤矿生产同样要实现“低开采、高利 用、低排放”．所以，煤矿生产集成信息系统首先要 面对的是生产的“度”的问题，这里涉及的不仅是经 济上的“以销定产”．土地复垦的代价和环境治理的 成本也必须列入生产的成本，作为确定煤矿生产的 “度”的重要依据．在此基础上，可考虑面向煤矿生 产过程的集成信息系统． 基于上述，煤矿生产集成信息系统应包括两个 子系统生产总量的控制子系统和生产过程的控制 子系统 图1 ．对前者可通过建立相应的数学模型 来实现；而对后者则有赖于优化模型的建立．所有 模型中的变量均来自集成信息系统，其中既有生产 过程中产生生成的实测数据，也有存放于数据仓库 中的历史数据．有些数据还要借助于数据挖掘技术 进行实时处理．相关细节将在下一节予以讨论． 图1 煤矿生产集成信息系统逻辑架构 F i g ．1 F r a m e w o r ko fa ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o n s y s t e mf o rc o a lm i n i n g 3 系统构建的关键技术 从上述系统的逻辑架构不难看出，构建的关键 技术涉及到现代信息技术的多个方面，如网络技 术、数据的压缩与传输、数据库、地理信息系统等 等．现仅就其中最重要的几个问题作如下探讨 3 ．1 数据编码及元数据标准 在充分词研煤矿生产全过程所涉及的所有数 据及其流向的基础上，建立数据字典及基础数据编 码系统是构建煤矿生产集成信息系统的基础．同 时，应建立煤炭行业各类基础数据的元数据标准， 并以此作为实现信息共享的依据．例如，在分析整 理某矿区现有测量、地质、水文、采掘、储量等原数 据以及对各类常用图件进行分类与组织的基础上， 万方数据 第2 期 谭海樵面向煤矿绿色开采的集成信息系统 可形成特定矿区的煤矿生产基础数据编码系统．每 一个煤矿生产要素都对应一个唯一的数据代码和 相对应的元数据，其中既包括三维空间定位数据， 又包括相关的属性数据、历史记录数据。这应成为 数据挖掘和信息共享的基石． 从煤矿生产基础数据编码系统和元数据标准 得到认可之日起，所有数据采集系统所收集到的数 据皆应参照执行．如某煤层的代码为M 0 3 ，所有探 测到该层的实测数据，包括地震、电法、钻探等等， 都应以含此代码．在对同以煤层的历史记录数据进 行数字化时，同样应在记录中包含该代码．这对即 将在I P V 6 环境下实现点对点的异构数据集成、数 据挖掘和信息共享，尤其具有重要意义． 3 ．2 异构数据的集成与共享 随着煤矿生产信息化的不断推进。地测资料的 计算机处理及煤矿办公自动化技术已取得了长足 的进展，不少煤矿已经实现了基础地测资料的计算 机录人、图形的计算机处理及输出，但是从煤矿生 产集成系统的要求以及异构数据的融合与共享的 角度仍存在明显的缺陷 1 就图形本身而言，最为突出的问题就是各 矿所使用的绘图系统不同，图形的数据格式不兼 容，以至同一矿业集团的地测数据往往难以实现集 成} 2 就信息共享而言，现有以图形输出为出发 点的软件系统往往侧重于地测要素的“形似”，而在 空闻与属性数据的统一管理、实现与煤矿生产相关 的多元信息的实时共享等方面存在先天不足； 3 就应用模型的建立而言，生产总量和生产 过程的控制都涉及到诸多变量．现有的包括三维地 震、测井在内的各类煤矿生产数据采集系统基本上 仍处于各自为战的状态．每一种探测手段都只能获 得与蹦煤层为主的地学实体相关的某类基础数据， 而这些数据只不过是动态变化中的复杂巨系统中 某些局部特征的瞬间记录．无论靠办公自动化、还 是地测绘图系统等都无法实时提供建模所需要的 各类数据，更何况有时还可能要用到社会、经济、人 口、交通等方面的数据} 4 就数据管理、成果输出而言，用户通常处于 被动状态，基于用户需求的“定制”输出有很大的局 限性‘⋯． 煤矿生产多元异构数据的集成与共享系统的 研建就是要从根本上解决上述问题，其可选方案之 一就是构建基于地理标识语言 G M L 口“ 的自适应 多元煤矿生产信息集成共享系统．该系统采用的是 数据互操作模式．各级用户可根据自己的权限实时 从系统中调用相关数据、并自行集成、处理、输出其 实际需要的专题信息． 面向地理空间数据的标记语言G M L 是由 O G C 开发的基于X M L 的地理信息编码工具．可用 于实现G M L 地图客户端 M a p p i n gC l i e n t s 与 G M L 的数据服务器 D a t aS e r v e r s 以及服务提供 者 s e r v i c ep r o v i d e r s 之间的交互操作． 3 ．3 数据挖掘技术 数据挖掘技术I n ] 的核心就是从已存在的海量 数据中抽取有价值的信息，其目的是帮助决策者寻 找数据间潜在的关联，发现被忽略的要素，而这些 信息对预测趋势和决策行为也许是十分有用的． 从数据库的角度看，数据挖掘就是从数据库的 数据中识别出有效的、新颖的、具有潜在效用的并 最终可理解的信息 如规则、约束等 的非平凡过 程．从决策支持的角度看，数据挖掘是一种决策支 持的过程，主要基于人工智能、机器学习、统计学和 数据库技术等多种技术，能高度自动地分析企业原 有的数据，进行归纳推理，从中挖掘出潜在的模式， 预测客户的行为，帮助企业的决策者调整市场策 略，从而减少风险，辅助作出正确的决策．它是提高 商业和科学决策过程质量和效率的一种新方法．与 联机分析处理不同的是，数据挖掘是数据驱动的， 是一种真正的知识发现方法．使用数据挖掘工具， 用户不必提出确切的要求，系统能够根据数据本身 的规律性，自动地挖掘数据潜在的模式。或通过联 想，建立新的业务模型，帮助决策者调整策略，并找 到正确的决策． 目前常用的数据挖掘算法可分为两大类簇分 析 C l u s t e r i n g 和分类 C l a s s i f y i n g ．其共同之处是 首先要让计算机通过实例来学习如何进行挖掘．无 论是煤矿生产的总量控制系统还是煤矿生产过程 的控制系统都可望借助数据挖掘技术获取新的信 息． 3 ．4 面向客户的数据解析器 作为一个面向煤矿绿色开采的集成信息系统， 其总体架构是基于网络的分布式信息共享系统．所 谓面向客户的数据解析器，就是要让系统的各级终 端用户，根据自己的权限定制所需专题信息，进而 实现屏幕显示、图件绘制、虚拟现实等等．解析器的 逻辑框图见图2 ． 万方数据 2 1 2中国矿业大学学报 第3 3 卷 图2 数据解析器逻辑框图 F i g ．2 S k e t c hm a po fad a t as p a r s e r 4 结论 无论是广义的，还是狭义的绿色开采技术，都 离不开与绿色开采相关的集成信息系统．其目标是 优化生产流程、降低生产成本，实现煤矿生产的“低 开采、高利用、低排放”． 本文提出的面向煤矿绿色开采的集成信息系 统，总体上属于狭义的煤矿绿色开采技术的范畴， 同时又尽可能兼顾广义绿色开采的需求．系统由面 向煤矿生产总量控制和生产过程控制两个子系统． 对前者可通过建立相应的数学模型来实现l 而对后 者则有赖于优化模型的建立． 系统涉及到的主要技术有1 数据编码及元 数据标准} 2 异构数据的集成与共享；3 数据挖 掘技术 4 面向客户的数据解析． 参考文献 E 1 3 牛文元．可持续发展战略2 1 世纪中国的必然选 择[ A ] ．秦大河．张坤民，牛文元．中国人口资源环 境与可持续发展[ c ] ．北京新华出版社．2 0 0 2 ． [ 2 3H i l lB ．C o a l i t i o nf o rG r e e nG o l d - - i fha i n ’tg r e e n ．i t a i n ’‘g o l d [ E B ／O L ] ．h t t p ／／w w w ．r a i n f o r e s ti n f o ． o r g ．a u ／g o l d ／p i l o t s ．h t m ． [ 3 ] p a r s o n sW ．B i r d s e y eB r e a k t h r o u g hi n ’G r e e n ’M i n i n g ．[ E B ／O L ] C S I R OM e d i aR e l e a s ．h t t p ／／w w w ． e s i r o ．a u ／n e w s ／m e d i a r e l ／m r l 9 9 8 ／m r 9 8 2 8 9 ．h t m l ． [ 4 ] 钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J ] ．中 国矿业大学学报．2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 7 ． [ 5 ] S t a f f ．T h eg r e e nm i n i n gg u i d e m i n i n ge x p e r t sy o u c a nc a l l [ E B ／O L ] ．h t t p ／／w w w ．h e n ．o r g ／s e r v l e t s ／ h e n ．A r c h i v e B y S u b j e c t s u b j e c t P o l l u t i o n ＆c a t e g o r y M i n i n g - [ 6 ] L a m b e r t lG r e e nm i n i n g [ E B ／O L ] h t t p ／／W W W ． f d i m a g a z i n e ．c o m ／n e w s ／f u U s t o r y ．p h p ／a M ／3 8 3 ／2 0 0 3 ． [ 7 3G T ∞n B i z N e w e ．D O EA w a r d s 3M i l i i n nf o r ’G r e e n ’ M i n i n gT e c h n o l o g yR D [ E B ／O L ] ．h t t p ／／w w w ． G r e e n B i z ．c o m ，2 0 0 3 ． [ 8 ]中国科学院可持续发展战略组．中国现代化进程战 略构想[ M ] ．北京科学出版社．2 0 0 2 ． [ 9 ] S i m p s o nT ．U ’O l dM i n i n gR e c o r d sa n dP l a n s ’[ J ] ． T r a n sI n s tM i n i n gE n g i n e e r s ，L X X X I ， 1 9 3 0 3 1 7 5 1 0 8 2 9 2 9 4 ． [ 1 0 ] O G C ．O p e n G I S r g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e G M L i m p l e m e n t a t i o ns p e c i f i c a t i o n ．v e r s i o n2 ．1 ． 2 [ E B ／O L ] ．h t t p ／／w w w ．o p e n g i s ．n e t ／g m I ／0 2 0 6 9 ／G M L 2 1 2 ．h t m l ．， [ 1 1 ] E d w a r dJW ．D a t am i n i n ga n dv i s u a l i z a t i o n s o m e s t r a t e g i e s [ E B ／O L ] ．h t t p ／／w w w ．s t a t ．f i ／i s i 9 9 ／ p r o c e e d i n g s ／a r k l s t o ／v a r a s t o ／w e g m l 0 2 8 ．p d f ． 责任编辑李成俊 万方数据