我国数字采矿软件研究开发现状与发展.pdf

SeriesNo 1414 Dece mber 2010 金 属 矿 山 METAL M I NE 总第 414期 2010年第 12期 * 云南省省院省校科技合作计划项目 编号 2006YX26, 云南省技 术创新暨产业发展专项 编号 2007GA007。 李 德 1964, 男, 玉溪矿业有限公司, 总工程师, 高级工程师, 653100云南省玉溪市南祥路 16号玉溪矿业矿山研究院。 机电与自动化 我国数字采矿软件研究开发现状与发展 * 李 德 1 王李管 2, 3 毕 林 2, 3 曾庆田 1 11玉溪矿业有限公司; 21中南大学; 31长沙迪迈信息科技有限公司 摘 要 数字矿山技术作为提升矿业企业技术与生产管理水平的重要手段, 已经成为政府、 企业和研究机构 共同关注的重要课题。数字采矿软件系统的研发与应用是数字矿山建设的核心, 其体系架构、 功能划分、 实现技术 等直接影响到系统的操作效率、 通用性、 实用性和适用性等关键问题的解决。以 D I M I NE数字矿山软件系统为例, 分析了我国数字矿山软件系统开发研究与应用现状, 提出了符合我国矿山实际需求的数字矿山软件系统平台体系 结构、 关键技术及实现方法, 揭示了数字矿山软件系统的未来发展方向。 关键词 数字矿山 软件系统 矿业软件 矿山信息化 Current Study and Development of DigitalM ining Software in China L iDe 1 W ang Liguan2, 3 Bi L in 2 , 3 Zeng Q ingtian 1 11YuxiM ining Co1, Ltd1; 21Central South University; 31Changsha DigitalM ine Infotech Co1, Ltd1 Abstract D igitalm ining technology , as an i mportantmeans ining enterprises to upgrade themanage mentof tech- nology and production, has become an i mportant common concern of government , enterprises and research institutions1The core ofdigitalm ine construction is the developmentand application ofdigitalmine software syste m, whose architecture , func - tion partition and i mplement technology directly affect the solution ofkey issues such as its operationalefficiency , versatil- i ty , practicality and applicability1Taking DI M I NE digitalm ine soft ware as an exa mple , the current research and development situation are analyzed aswellas the application ofdigitalm ine software syste m, and the architecture , key technology and i m- plementation s of a digitalm ine software platfor m are put for ward, which couldmeet the actualneeds ofChinese min- ing enterprises , andmake a prediction for the future1 K eywords Digitalmine , Software system, M ining soft ware , M ine infor matization 矿业企业作为国家能源与原材料供应者, 在国 民经济发展中具有十分重要的地位。我国矿业经过 半个世纪的快速发展, 已建成国有矿山近万座, 集体 矿山和其他非国有矿山 20多万座, 年开采矿石量超 过 50亿 t 。 随着信息技术的飞速发展, /数字矿山 0建设已 成为世界各国矿业界共同关注的课题。先进、 高效 的生产装备在矿业企业的大量推广和应用, 使企业 具有了 /强健的体魄0, 但要充分发挥技术装备的效 率, 就必须使企业具有 /智慧的头脑 0, 即开发出高 效的管理这些技术装备和资源的数字矿山软件平台 和应用系统, 提升企业的信息化管理水平。近 10年 来, 国外以资源管理为核心的矿业软件的大量引进 和推广应用, 推动了我国矿山信息化观念的改变和 技术进步, 同时, 国内众多高等院校、 科研院所和矿 业企业间的通力合作, 产生了一批具有自主知识产 权的、 功能完善的数字矿山软件开发和应用平台, 使 我国矿业企业的信息化管理水平得到了前所未有的 发展。 本研究以 DI M I NE数字矿山软件系统的开发与 应用为例, 分析我国数字矿山软件系统开发研究与 应用现状, 研究符合我国矿山实际需求的数字矿山 软件系统平台体系结构、 关键技术及实现方法, 揭示 我国数字矿山软件系统的未来发展方向。 1 我国数字矿山软件系统开发历程与存在 的问题 我国数字矿山软件系统的开发经历了 3个阶 段 20世纪 80年代中期, 在 CAD 平台上进行部 分专业功能的二次开发; 20世纪 90年代早中期, 107 基于二维图形技术的地质建模与采矿 CAD系统; 本世纪初, 以三维地质建模、 开采优化设计、 生产计 划编制和生产过程控制为核心的、 基于三维可视化 技术的集成化数字矿山软件开发与应用平台。 早期的基于二维图形学的以开采辅助设计为核 心的矿用软件系统, 在地质、 测量、 采矿设计等方面 得到了广泛的实际应用, 收到了较好的效果。鞍山 黑色冶金设计研究院是较早着手开发采矿 CAD软 件的单位之一, 其开发的 /露天矿采剥计划 CAD软 件包0, 利用 CAD技术来编制露天矿中短期采剥进 度计划, 绘制分层平面图或剖面图, 辅助汽车运输线 路设计, 通过建立矿体地质块段模型, 进行露天境界 优化设计, 实现了矿岩量的统计与计算等功能, 推动 了 CAD技术在矿床开采中的应用, 解决了工程实际 问题。进入 20世纪 90年代, 由中南大学自主研发 的 DM 三 维地质建模提供矿体三维建模、 三维地质结构建模 的一些通用功能; 基本业务处理模块提供一些基本 的业务逻辑功能, 如基本图形创建、 编辑、 运算等基 础功能。 数据表现层实现系统界面控制、 各类数据的表 达和输出, 包括数据管理控制台、 二维图形视图和三 维图形视图。 业务应用层基于数据库层、 数据服务层、 业务平 台层提供的功能, 实现一些具体的面向系统最终用 户的业务逻辑及综合分析评价功能, 包括地质建模 与储量计算、 矿山岩体力学分析、 井巷工程优化设 计、 地下采矿优化设计、 地下矿生产计划编制、 露天 矿境界优化与开采设计、 露天矿中长期与短期采剥 计划编制、 矿山测量与工程验收、 矿井通风网络解算 与优化、 矿山工程施工设计与制图等专业功能模块。 业务应用层的所有功能模块都采用插件的方式进行 开发。 3 我国数字采矿软件平台开发新进展 数字矿山建设作为矿业行业技术进步的推动力 和标志, 越来越受到政府、 企业和科研机构的高度重 视, 在三方的合力推动下, 近年来我国数字采矿软件 系统的开发取得了前所未有的高速发展, 涌现出具 有国际水准的商业化产品, 在基础理论与关键技术 开发、 产品功能拓展和应用深度与广度等方面均取 得了巨大进步, 主要体现在 1构架了以/层次式平台 专业功能插件0为 基础的数字采矿软件平台体系结构, 形成了以基础 理论研究、 关键技术突破、 协同共享集成和实用专业 化开发为主线的数字采矿软件开发应用平台, 摆脱 了过去小作坊、 订单式、 单功能、 通用性差的采矿软 件开发模式。 2确立了以结构和属性建模相结合的松散型 矿山描述对象建模机制, 解决了矿山三维空间对象 的几何形态精确描述和多尺度对象属性的存储、 查 询与分析难题, 从几何形态和空间属性两个方面实 现了矿山对象的真三维信息描述、 表达、 分析和优 109 李 德等 我国数字采矿软件研究开发现状与发展 2010年第 12期 化, 为数字矿山建设奠定了坚实的理论和技术基础。 3通过对平行轮廓线拼接法、 体数据等值面 法、 多连域任意多边形区域三角形剖分、 线框实体四 面体 /六面体剖分、 开放网格与闭合网格及其之间的 三维空间布尔运算、 实体量算与属性查询和空间分 析等基础理论和关键技术的研究, 解决了地质体和 工程对象的快速、 优化几何建模和设计难题, 实现了 矿山资源、 开采环境、 工程结构、 力学分析、 生产规 划、 生产安全管理等工作的科学化、 集成化与可视 化。 4通过对八叉树的线性编码技术、 B 树的结 构特点及索引机制、 内外存页面调度等技术的研究, 开发了采用外存八叉树技术进行矿山属性模型数据 存储的新技术, 解决了矿山海量属性数据的存储、 查 询与分析等问题, 革新了三维数字采矿系统数据存 储、 管理与查询的理论和技术。 5通过数字采矿软件开发与应用平台的构 建, 极大地提升了我国数字采矿软件的开发水平, 基 于矿山生命周期内各种专业功能的集成化、 深度开 发与应用, 构建了适合我国矿山特点与管理模式的 数字采矿软件应用系统, 这些系统从专业深度、 应用 广度、 实用性、 可操作性和可扩展性等方面彻底改变 了我国数字采矿软件的推广和应用格局。 6随着国产数字采矿软件技术的快速发展, 这些产品已得到国内众多大型矿业企业集团的信赖 和支持。同时, 企业对数字采矿软件的现实需求, 又 极大地推动了国产软件的技术进步。目前, 国产软 件无论在功能的全面性、 实用性、 专业深度和广度方 面, 还是在技术与售后服务等方面均具有极大的优 势, 同时, 随着国内大型资源型企业全球战略的推 进, 国产数字采矿软件也将伴随这些企业逐步进入 国际市场, 成为国际上具有影响力和竞争力的产品。 4 我国新一代数字采矿软件平台在矿山的 实际应用 具有代表性的国产数字采矿软件系统 DI M I NE 已经在玉溪矿业有限公司得到了全面推广和应用。 应用 DI M I NE数字采矿软件系统对云南玉溪某铜矿 进行了地质建模、 储量计算, 在地质建模的基础上, 开展了三维精确采切工程设计和采场水平中深孔爆 破设计。通过对 2010年矿山生产经营任务的分析, 在开采设计的基础上编制了矿山 2010年度的生产 计划。图 2为该铜矿三维建模结果复合图, 其中包 括地形建模、 地质体建模、 矿体建模和工程结构建 模。 图 2 云南某铜矿地质建模成果复合模型 地质建模包括 1 8等 8支矿体建模; 地 质构造 断层 建模; 地质数据库建立;矿山开 拓系统工程建模; 三维地形模型 含地表建筑 。 对矿床模型进行了块段模型创建, 并按照克里格和 距离幂反比法对矿山进行品位推估。计算了深部矿 床 十三中段 二十四中段 的资源储量。图 3为 资源储量建模分析结果。 图 3 资源储量计算结果曲线 u 313估算;sSZ5估算;w D i m ine估算 DI M I NE数字采矿软件系统提供了参数化底部 结构设计和快捷的采切设计工具, 为采切设计提供 了全新的设计手段, 图 4为该矿某采场与采切工程 三维设计模型。 DI M I NE数字采矿软件系统爆破设计模块可以 实现图形交互自动设计, 并自动输出深孔施工卡、 平 面图和爆破装药卡。图 5为采场爆破设计成果图。 从三维采矿精切设计成果中提取生产计划编制 所需的生产路径和三维实体, 输入生产者情况, 以矿 山开采工艺技术为约束进行了矿山 2010年的生产 计划编制, 实现了生产计划编制的三维可视化。在 编制的年度计划基础上, 以每个计划周期末的计划 实际运行结果为下一个计划周期的初始状态输入到 计划中去, 然后, 重新执行生成新的生产计划, 实现 了月度、 季度计划的实时动态管理。图 6和图 7分 别为生产计划甘特图和生产计划编制成果三维动画 演示画面。 110 总第 414期 金 属 矿 山 2010年第 12期 图 4 采切设计采场模型 图 5 爆破设计输出的结构 硐室炮孔轨线图、 爆破设计平面图、 装药卡 云南玉溪某铜矿运用 DI M I NE数字采矿软件系 统完成了三维可视化地质建模、 资源储量自动估算、 参数化交互式采切设计和爆破设计、 线性规划为优 化准则的可视化生产计划编制等工作, 实现矿山的 可视化、 数字化, 并为最终实现数字矿山奠定了坚实 的基础。 5 我国数字矿山软件的未来发展 随着我国矿山企业对数字矿山建设需求的不断 提高, 作为数字矿山建设最核心的数字矿山软件也 将面临巨大的发展机遇, 未来数字矿山软件的系统 构架应该包括以下 4个层次。 图 6 生产计划甘特图 1嵌入式软件开发。用于传感器和网络数据 采集单元。 2上位机系统。用于网络数据采集单元和设 备自动化控制。 3数字采矿软件系统。用于地质、 测量、 开采 设计和生产计划编制的三维可视化建模、 优化、 设计 和分析。 4基于虚拟现实技术的生产过程管理系统。 用于监测数据采集、 空间数据分析和生产过程监视、 仿真、 控制与决策。 数字矿山软件系统的逻辑结构如图 8所示。 6 结 论 随着国家全球资源战略的推进, 我国矿业行业 将面临巨大的发展机遇和挑战, 矿山企业技术进步 将不可避免地要回答两个方面的问题, 一是生产装 备的大型化与智能化, 二是企业管理手段的科学化 与信息化。在市场的强力推动下, 我国数字采矿软 件在基础理论、 关键技术、 集成化程度、专业应用深 111 李 德等 我国数字采矿软件研究开发现状与发展 2010年第 12期 度与广度等方面均有了巨大的发展, 但仍将在政府 认证、 技术标准制定、 有序竞争、 专业化深度开发、 新 技术教育、 企业管理者认知、 技术服务等诸多方面面 临许多新的挑战。目前,我国矿山企业仍然存在着 技术装备落后、 生产工艺复杂、 专业人才匮乏、 新技 术推广进展缓慢等一系列严重问题, 要彻底改变这 种状况, 必须首先改变经营观念, 加强新型人才的培 养, 全力推动企业信息化进程和新技术、 新装备、 新 工艺的推广与应用, 打造全新的技术和人才管理团 队, 这样才能将矿业行业从全球最大做到全球最强。 参 考 文 献 [ 1] 吴立新, 殷作如, 邓智毅, 等 1论 21世纪的矿山 数字矿山 [ J]1 煤炭学报, 2000 , 25 4 337-342 1 [ 2] 王李管, 邓顺华, 陈建宏 1矿床模型与开采辅助设计软件系统 研制 [ J]1 中南矿冶学院学报, 1994 5 575-580 1 [ 3] 陈建宏, 邓顺华, 王李管 1交互式集成图形平台的露天矿模拟 开采设计 [ J]1冶金矿山设计与建设, 1996 2 78-821 [ 4] 陈建宏, 周科平, 古德生 1 新世纪采矿 CAD 技术的发展 可视 化、 集成化和智能化 [ J]1科技导报, 2004 7 32-341 [ 5] 孙昌爱, 金茂忠, 刘 超 1 软件体系结构研究综述 [ J]1 软件学 报, 2002 7 1228-12371 [ 6] Perry D E1Software eng ineering and soft ware architecture[ G ] M Feng, Yu - lin1Proceedings of the International Conference on Sof- t ware Theory and Practice1Beijing ElectronicIndustry Press , 20001 [ 7] 张友升 1 软件体系结构[M ] 1北京 清华大学出版社, 20041 [ 8] 李俊娥, 周 洞 1/平台 \插件0软件体系结构风格 [ J] 1小型微 型计算机系统, 2007 , 28 5 877 -8811 [ 9] 王立磊, 王李管 1依托 DI M I NE软件实现中国矿山的数字化 [ J]1 现代矿业, 2009 3 23 -271 [ 10] 房智恒, 王李管, 何远富 1基于 D I M I NE软件的采矿方法真三 维设计研究与实现 [ J]1金属矿山, 2009 5 129-31 [ 11] 宋启彬 1D I M I NE三维数字化软件在矿山的应用 [ J] 1科技信 息, 2010 1 288-2881 [ 12] 蒋京名, 王李管 1DI M I NE矿业软件推动我国数字化矿山发展 [ J]1 中国矿业, 2009 10 90 -921 收稿日期 2010 -10 -12 信息苑 金翅岭金矿综合回收项目通过验收 近日, 由山东省发展改革委、 烟台市发展改革 委, 以及北京矿冶研究总院、 湖南矿冶研究院、 中南 大学等单位的有关专家组成的项目验收组, 对招金 矿业金翅岭金矿共伴生多金属综合回收技术开发项 目进行了检查验收。 验收组在听取汇报、 审查材料、 查看生产现场、 专家审核讨论后一致认为, 该矿共伴生多金属综合 回收技术开发项目技术先进, 在规模化生产中采用 自主研发的催化氧化酸浸预处理工艺, 使难处理金、 银精矿的回收率大幅提升, 分别达到 97 和 94 以 上。在处理氰化尾渣中, 采用新型浮选工艺对有价 金属实现了有效回收。其中, 铜回收率达到 62 , 铅回收率达到 55以上。 该项目的成功应用, 有效解决了有价金属综合 回收的技术难题, 提高了资源综合利用水平, 具有显 著的经济效益和社会效益。 38财富网 2010-11 -19 112 总第 414期 金 属 矿 山 2010年第 12期