煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究.pdf

第 45 卷第 6 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 移动阅读 毛善君,崔建军,王世斌,等. 煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究[J]. 煤炭学报,2020,4561937- 1948. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0341 MAO Shanjun,CUI Jianjun,WANG Shibin,et al. Construction of ination sharing plat of mine safe production for intelligent mining[J]. Journal of China Coal Society,2020,4561937-1948. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0341 煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究 毛善君1,5,崔建军2,王世斌3,涂兴子4,张鹏鹏5,李 梅1 1. 北京大学 地球与空间科学学院,北京 100871; 2. 大同煤矿集团有限责任公司,山西 大同 037003; 3. 陕西煤业化工集团有限责任公司,陕 西 西安 710065; 4. 中国平煤神马集团,河南 平顶山 467011; 5. 北京龙软科技股份有限公司,北京 100190 摘 要井工煤矿生产是一个复杂的巨系统,实现其智能化开采的重要基础是安全生产全业务流程 信息的高度共享和动态分析,但目前存在空间信息管理基础理论薄弱、数据孤岛严重、管理模式落 后、共享平台缺失等问题。 基于煤矿智能化信息处理的特点,提出了基于“一张图”的智能化煤矿 信息共享管理平台的系统设计,为实现生产和管理部门间的横向整合和纵向集成奠定了基础;进一 步完善了管理煤矿空间信息的灰色地理信息系统理论,并对业务流程重构和时空数据库的构建进 行了较为详细的阐述,实现了智能开采环境下煤层空间信息的动态修正、管理模式的创新和各类空 间及属性数据的一体化存储,为信息处理的动态性、共享性、准确性和可靠性提供了保障;对信息共 享和协同处理机制以及可视化展示等关键内容和技术进行了研究,解决了包括移动端在内的全业 务流程数据处理的一致性、完整性、现势性和可操作性问题;开发了具有我国自主知识产权的软件 平台和应用系统,并在阳泉煤业集团有限责任公司、大同煤矿集团有限责任公司、中国平煤神马 集团等单位得到实际应用,初步实现了对智能化煤矿安全生产运营“一盘棋、一张网、一张图、一个 库”的新型管理理念和 Internet大数据煤矿的高科技目标。 关键词智能矿山;地理信息系统;一张图;动态分析;信息共享平台;移动端平台 中图分类号TD65;TD67 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-1937-12 收稿日期2020-03-08 修回日期2020-05-18 责任编辑常 琛 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804300 作者简介毛善君1964,男,四川成都人,教授,博士生导师。 E-mailsjmao pku． edu． cn Construction of ination sharing plat of mine safe production for intelligent mining MAO Shanjun1,5,CUI Jianjun2,WANG Shibin3,TU Xingzi4,ZHANG Pengpeng5,LI Mei1 1. School of Earth and Space Science,Peking University,Beijing 100871,China; 2. Datong Coal Mine Group,Datong 037003,China; 3. Shaanxi Coal 4. China Pingmei Shenma Group,Pingdingshan 467011,China; 5. Beijing Longruan Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100190,China AbstractUnderground coal mining is a complex giant system,and the important foundation of its intelligent mining is the high sharing and dynamic analysis of the whole business process ination of safety production. However,there are some problems such as weak basic theory of spatial ination management,serious data island,backward man- agement mode,lack of shared plat and so on. Based on the characteristics of intelligent ination processing in coal mine,the system design of intelligent coal mine ination sharing management plat based on “one map” is proposed,which lays the foundation for horizontal and vertical integration between production and management depart- ments. further the gray geographic ination system theory is improved for managing coal mine spatial ination, 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 the reconstruction of business process and the construction of spatiotemporal database are described in detail,which re- alizes the dynamic modification of coal seam spatial ination,the innovation of management mode and the integrated storage of all kinds of spatial and attribute data under the intelligent mining environment,which guarantees the dynam- ic,sharing,accuracy and reliability of ination processing. The key contents and technologies of ination sharing and collaborative processing mechanism,as well as visualization display are studied,which solves the problems of con- sistency,integrity,current situation and operability of data processing in the whole business process including mobile device applications. The plat and application systems with independent intellectual property rights in China have been developed and applied in Yangquan Coal IndustryGroup Co. ,Ltd. ,Datong Mining Group Co. ,Ltd. ,China Pingmei Shenma Group etc. ,and have been preliminarily realized the new management thought of “one design,one network,one map,one library” and the high-tech goal of Internetbig datacoal mine. Key wordsintelligent mine;GIS;One Map;dynamic analysis;ination sharing plat;mobile plat 井工矿本文简称“煤矿”的智能开采主要包括 3 个方面的内容,即“装备智能化,决策在线化,控制 协同化”,装备智能化是基础,决策在线化是前提,控 制协同化是过程和结果。 煤矿是一个典型的多部门、 多专业管理的单位,涉及“采、掘、机、运、通”和“水、 火、瓦斯、顶板”等专业方向,将静态、动态、分散、孤 立的业务系统和数据资源整合到一个集成和统一的 管理平台是科学采矿或智能矿山建设需要解决的关 键问题,是决策在线化的系统保障。 没有基于网络技 术的决策在线化,就不可能实时为控制协同化提供数 据支撑和控制依据,真正的智能化开采就很难实现。 实际上,智能开采是基于新型“标准体系、技术体系、 装备体系、管理体系、培训体系”的革命。 目前,我国煤炭工业信息化建设已经从数字矿山 向智能矿山方向迈进,已经取得了初步的成果[1-9], 但还存在一些问题 1基础理论薄弱。 煤矿信息属于空间信息的 范畴,无论是人、危险源和各种装备,在生产过程中, 它们都有地理位置和与此相关的各类属性。 从 20 世 纪 80 年代初至今,国内外主要是基于 CAD 技术进行 矿山设计和专题图形的处理,如 DataMine Surpac,Au- toCAD,MicroMine 等。 CAD 技术主要适合于建筑和 机械设计等领域,不适合管理空间信息,管理空间信 息的最佳理论和技术是地理信息系统。 即使有地理 信息系统在煤炭工业的应用,如 ArcGIS,MapGIS,Su- perMap 等,但它们仍是传统地理信息系统理论的应 用,其数据模型和数据结构在矿山应用方面存在缺 陷,对空间信息的动态修正考虑不足,实用性受到了 限制。 从 20 世纪 90 年代末开始,相关学者就已经注意 到了地质勘探和井工开采矿山所面对的地层等空间 形态和属性伴随着一个由“黑色” “深灰” 变为“中 灰”“浅灰”,无限接近直至达到“白色”的过程,并深 入开展了理论和技术研究,提出了灰色地理信息系 统GGIS的理论和技术方法[10-13],应用效果显著。 但相关成果应用主要是数字矿山的地质类专题图形 处理,虽然图形处理的效率大大提高,但仍然是计算 机制图的应用范畴。 2数据孤岛严重。 高科技及其应用的发展趋 势是系统业务流程的高度集成和一体化管控,如航天 系统、ERP 系统、车载导航系统、智能工厂系统、高铁 运营系统和银行业务系统等。 煤炭工业从信息化之 初开始,就是各个专业各自为政,目前虽有进步,但人 为的制造数据孤岛还在继续,智能矿山的建设既缺乏 行业统一的标准体系,项目招标也是标段众多,投标 厂家平台各异,水平参差不齐,数据存储分散,而且不 能共享协同,不是有责任主体的交钥匙一体化工程, 相关系统的数据交换还在继续通过拷贝或格式转换 完成,这不仅数据处理时效性差,而且还可能丢失数 据。 显然,这不利于智能开采的“决策在线化,控制 协同化”,将大大降低系统的实用性和可操作性,阻 碍了智能矿山建设的良性快速发展。 3管理模式落后。 数十年来,对矿业集团而言, 无论是横向矿井的科室、集团的处室还是纵向矿、 二级公司、集团公司,煤矿或矿业集团安全生产管理 模式没有本质的变化,其管理架构、业务流程和岗位职 责,仍然主要是传统的非信息化或半信息化管理模 式[14],即使信息技术已经广泛使用,也只是管理模式 的改良,没有根据智能开采梳理和重构与之相适应的 新型管理模式,如 ERP 对“人、财、物、产、供、销、存”管 理流程的重构一样。 管理模式的落后,必然造成数据 孤岛问题无法解决,而且职能重叠、流程不畅,决策支 持出现乱象,无法充分发挥信息化的作用。 因为管理模式的落后,也造成培训系统的落后。 高素质的生产技术和管理人员是信息共享管理平台 的有机组成部分,否则无法提供合格的、能够熟练操 8391 第 6 期毛善君等煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究 作的高科技复合型人才。 如航空航天的宇航员一样, 智能开采的技术和管理人员,应该叫采矿员,是高科 技的复合体和象征。 4共享平台缺失。 由于数据孤岛和管理模式 的原因,造成独立软件子系统众多,而且功能单一、数 据冗余度高、系统操作复杂、信息共享和实时自动分 析困难。 智能开采系统是一个集 Internet、地理信息系统、 大数据、自动控制、智能分析、“采、掘、机、运、通”和 “水、火、瓦斯、顶板”等专业需求于一体的复杂巨系 统。 因此,根据智能开采的特点和需求,在继续完善 和扩展灰色地理信息系统理论和技术的技术上,研究 信息共享管理平台的架构、系统功能和相关核心技术 方法,是当务之急。 通过数据标准化、业务流程标准化,实现煤矿基 础地测、生产技术、监测监控、综合自动化、安全管理 等业务数据在矿井内部以及矿井到集团的横向、纵向 流通,形成全矿或全集团的安全生产信息共享管理平 台简称“信息共享平台”。 同时,建立基于大数据 的煤矿安全生产智能诊断模型、危险源预警模型、安 全生产综合分析模型等,实现集团安全生产管理的协 同调度、集中管控及科学决策,为企业领导层正确决 策提供科学依据,使集团领导和管理部门能够及时、 全面、准确地掌握情况,实现对“地域、业务”的全覆 盖,彻底改变煤矿安全生产现有的管理模式,最终为 智能开采、安全生产保驾护航。 1 智能开采灰色地理信息模型研究 假设不考虑由于测量、数据处理和数据自身性质 等引起的随机、模糊等不确定性,只考虑数据量少而 带来的灰色不确定性。 灰色地理信息系统[10,12]的研 究对象是灰色对象,灰色地理信息模型从理论上较为 完整地描述了灰色空间研究对象的变化规律。 图 1 给出了基于灰度状态转移的灰色地理信息模型 State -based Gray Geographic Ination Model,简 称 SGGIM 模型。 SGGIM 模型具有如下特点 1SGGIM 模型是一个不断变化的灰箱,已知信 息的不断输入,输出值也逐渐白化或透明化。 在初始 状态,模型由于没有信息或已知信息少,因此表达的 灰色地理信息呈黑箱状态;在随后的变化过程中,随 着模型中已知信息的增多,表达的灰色地理信息也逐 渐呈深灰、浅灰状态;在结束状态经物探和回采等 工程,可以认为信息是近乎白色或完全透明的,诸 如煤层等为透明化空间实体。 如图 1a所示。 图 1 基于灰度状态转移的灰色地理信息模型 Fig． 1 Gray geographic ination model based on gray state transition 2图 1b用 Sj表示尚未白化的空间对象所蕴 涵的灰色地理信息,称为灰度状态。 设在某状态 j 下,共有 k 个地理实体,则灰度状态可表示为 Sj c 1G1j c 2G2j cpGpj cp1Gp1j ckGkj1 式中,j 为状态数,共有 m 个状态,j 1,,m;i 为实 体数,共有 k 个实体,i1,,k;ci为第 i 个灰色地理 实体对整体灰度状态的贡献大小。 该参数与实体的 空间位置和属性等有关;Gij为第 i 个灰色地理实体 在第 j 个状态灰度值。 煤矿生产是一个连续的过程,式1能够表征从 黑箱到白色或透明化状态信息“由灰变白”的过程, 在理论上解决了信息“部分已知,部分未知,动态修 正”处理的难题。 在数据处理层面,笔者在文献[10]的基础上, 根据智能开采“决策在线化” 的需求,提出了三角 9391 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 网 TIN、 似 直 三 棱 柱 网 格 ARTPN 与 2D/3D -GGIS 的一体化自适应数据处理模型图 2,为解 决多地层及属性的一体化管理和动态修正奠定了 基础。 已知实测数据钻孔、巷道实测点、煤岩层识 别数据等的增加将导致重构形成新的不规则三角 网或似直三棱柱体网络。 同样,基于最新重构的三 角网或似直三棱柱网格,系统将生成新的点状、线 状、面状图形甚至体目标和属性数据,形成最新的 矢量图形。 这样,就达到了自适应动态修正空间地 质体的目的,使系统逐步由灰色向白色状态逼近, 最终形成包括几何和属性特征的透明化地质体,为 基于时态地理信息系统TGIS技术的信息共享平 台提供最新的时空数据。 图 2 2D/3D-GGIS 与 TIN,ARTPN 一体化的数据模型 Fig． 2 Data model of 2D/3D-GGIS and TIN,ARTPN integration 2 信息共享管理平台设计 2． 1 总体架构逻辑设计 信息共享平台是智能矿山安全生产各业务板 块管理信息化建设的规划设计及总体指导框架,是 生产运营管理相关子系统及其内部各要素之间有 效组合运行的动力机制、建设机制和发展机制的模 型化设定,将保证智能矿山安全生产各业务板块系 统功能统一规划、相互协调、结构一致、资源共享、 标准规范。 总体逻辑架构设计有 3 层重要含义 1全局。 总体设计的首要视角是要跳出局部 需求的束缚和影响,站在全局互联和数据共享的整体 高度,基于“一张图”和“大数据” [15-16]的思想去分析 决定生产运营统一管理的问题,以解决“一张图、一 个库”的问题。 2业务。 以安全生产管理和决策在线化的核 心业务流为主线,收集、整理与描述业务需求,确保业 务流程、软件功能、关键技术和数据分析之间的深度 融合和协同。 3效益。 优化安全生产业务部门工作流程,促 进职能变革,提高业务效率,推动体制创新,达到减员 增效的目标,最终提升企业效益。 信息共享平台作为一个以业务为中心的系统 框架,使得生产业务及管理部门“看得见、管得了、 控得住”,提升各部门间的横向整合以及各级管理 部门间的纵向集成。 总体逻辑架构设计如图 3 所 示。 信息共享平台采用大数据、分布式协同、微服 务的设计理念,基于大数据分析面向服务的体系 架构Service-Oriented Architecture,SOA。 整个系 统可基于现有的基础设施云平台,从下到上分为 数据源层、服务容器层、业务系统层和统一门户平 台等。 1数据源层。 数据源层是指安全生产共享平 台的数据中心,采用“一个库”的设计理念,依据平台 数据架构关于数据资源的描述,包括安全生产、经营 管理、设备监控与控制等类型,按标准统一数据库存 储。 2服务容器层。 服务容器层包括企业服务总 线和业务服务的组合,服务总线是提供系统一致性、 安全性、可靠性及性能和扩展能力保障的基础技术手 段;业务服务层主要以 Web Service 方式向业务系统 提供数据服务,可以使系统数据源透明化。 业务服务 层不仅为生产运营管理的业务系统提供服务,也可以 为 ERP 等第三方系统提供服务。 3业务系统层。 业务系统层通过一张图平台 的支撑,调用服务容器中的各类数据和业务服务,实 现面向智能开采的各类安全、生产业务功能。 安全生 产管理业务系统还提供适用井下移动设备、手机终端 的移动平台,满足各类新场景、新模式的应用需求,实 现随时随地掌控安全生产状况。 4统一门户平台。 安全生产信息共享平台统 一门户主要实现对所有业务系统的集成,提供单一登 录接口、多认证模式、用户个性化的 Portal layout 定制 等。 2． 2 业务流程设计 “一张图”协同、透明化矿山、移动终端及大数据 分析的研发与应用[15-17],改变了矿井空间数据和业 务数据的集成与更新模式,为建立新一代的服务于智 能开采的安全生产信息共享平台提供了技术基础,实 0491 第 6 期毛善君等煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究 图 3 智能煤矿安全生产信息共享平台总体架构逻辑设计 Fig． 3 System architecture of the safety production ination sharing plat for intelligent coal mine 现了安全生产相关部门的信息集成共享与业务协同, 实现了大调度和集中管控,并通过大数据分析、预测 预警提升决策支持水平,优化和变革了现有的管理流 程,缩短了管理层级,扩大了管理范围,提升了管理效 率和管理水平。 安全生产信息共享平台实现地测、生产技术、机 电运输、综合监测、安监、调度等专业高度信息集成与 业务协同,新的信息化手段必然促进新的管理模式的 出现。 平台建设拓展了业务管理的广度和深度,安全 生产各部门间的信息壁垒被打破,能够利用平台进行 信息交互、共享和协同。 由于安全生产信息共享平台 应用后,信息全面集成、数据准确一致、信息传递快 速、实时监控分析预警,必然缩短管理层级,提高决策 支持能力,扩大管理的深度,进而触发和推动业务流 程的改进和优化。 流程优化是一个动态循环过程,包括流程调研、 1491 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 流程梳理、流程分析、流程设计、流程评价、流程运行、 流程改进。 首先需要对现有业务流程进行调研与梳 理,在此基础上绘制原有的业务流程图,然后结合平 台设计开发的功能,绘制新的流程图,最后对新旧流 程进行对比分析,总结管理提升点,同时梳理旧流程 配套的管理制度,通过修订或重建形成新流程配套管 理制度。 在平台运行和应用过程中进行评估,持续对 流程和制度进行优化改进和修订。 下面以专题图形处理为例说明流程的重构图 4 1信息共享平台应用前的流程。 地测、采掘、 机电、运输、通防等专业各自独立绘制专题地图,地测 部门大多采用专业 LRGIS 软件,而其他专业多采用 AutoCAD 系统。 因各部门软件平台的不同,往往采用 人工方式进行图形的拷贝和转换,如更新通风系统图 时需要追加新开拓的巷道,这时就需要把最新的采掘 工程平面图从 LRGIS 等格式转换成 AutoCAD 格式。 这不仅费时费力,而且可能因数据结构的不一样而丢 失空间关系等数据,更为严重的是,它没有实时性,滞 后时间可能达数十天。 图 4 信息共享平台应用前后流程梳理 Fig． 4 Business process analysis before and after application of ination sharing plat 由于各专业独自成图,如果需要全面了解矿井各 专业情况,就需要分别打印以方便浏览查看各专业图 纸,或利用不同软件打开各专业图形,这样不方便对 比和关联分析,而且各专业部门采用纸质或电子邮件 等类似的方式定期上报,信息不能及时更新,影响了 领导决策支持的及时性和可靠性。 同时,由于受传统的单机版图形绘制和发布方式 的限制,图形中以空间信息为主,不能与台账、报表和 监测监控等信息进行集成,图形数据和业务数据、监 控数据相分离,数据查询不方便,更难于进行数据的 相关性分析。 2信息共享平台应用后的流程。 在“一张图” 模式下,原有的地测、采掘、机电、运输、通防等各专 题图形,按统一的时间序列、统一的空间坐标、统一 数据标准,通过分层叠加的方式将各专业图形集成 为包括各专业安全生产运营管理信息的“一张图”, 各专业部门可以各司其职完成图形中各自的数据 更新,并与应用系统业务数据和监控系统环境数据 相集成。 在“一张图” 上,还可以链接、查询相关联的图 形,如巷道设计图,剖面图等。 传统方式,到资料柜或 计算机子目录里人为寻找,费时费力。 现在,一体化 动态查询,无需知道图形存储的位置。 “一张图”协同为企业其他系统及业务应用提供 完整、一致、现势的煤矿基础地理空间数据和安全生产 运营数据,为未来的大数据分析、云计算和智能辅助决 策提供技术支撑。 通过煤矿“一张图”协同,可以规范 安全生产运营管理的各个环节,提高生产、技术和安全 数据的时效性、准确性和可靠性,数据全面完整,更新 及时,可按时序、地域、专业等配置查询,形成基于“一 张图”模式的煤矿安全生产运营指挥决策支持平台,使 决策层指挥决策变得更加简单、方便、快捷。 2491 第 6 期毛善君等煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究 2． 3 时空数据库模型构建 矿山开采是采掘活动在三维空间及时间维度上 不断发生变化的过程,是矿山数据模型由“黑色”“深 灰”变为“中灰”“浅灰”,无限接近直至达到“白色” 的过程。 因此,实现智能开采的前提是建立矿山的时 空数据模型,基于 GGIS 理论体系,提供包含精准地 质信息在内的高精度矿山三维地质模型以及矿山开 采变化过程的时空演化模型,并通过空间、时间属性 连接“采、掘、机、运、通”等全业务流程数据和“水、 火、瓦斯、顶板”等各类监测数据,形成真实矿山的数 字孪生系统,形成时态灰色地理信息系统TGGIS, 为智能化开采、精细化管理提供支撑服务。 面向智能开采的矿山时空数据库需要兼顾开采 全过程要素的空间、时间、专题属性 3 方面特征图 5,能够表达和存储要素状态和变化过程。 传统矿 山 GIS 主要用于管理空间数据及描述空间关系,表达 的是某一时刻的空间形态,是矿山数据模型“由灰变 白”过程的某一个快照。 空间和时间是研究智能开 采过程 2 个密不可分的内容,空间数据是在某一时刻 或某一时间段测量或采集得到的。 传统开采模式,在 对实时性、自适应性要求不高的情况下,一般会忽略 空间数据时间维度信息。 在矿井日常生产应用中,技 术人员会要求尽可能使用“最新”数据,但其本质上 仍是一种“静态”数据。 由于智能开采具有自动化、 协同化、在线化的特点,要求作为基础支撑的空间数 据能够“动态”变化、“实时”更新,同时通过空间、时 间关联接入开采环节相关的各类专题属性数据,包括 实时数据、历史数据等。 图 5 矿山时空数据库构成体系 Fig． 5 Structure of spatiotemporal database of coal mine 时空数据库是 GGIS 空间数据库的扩充和完善, 其构建是在传统空间数据库技术的基础上,增加对时 态数据融合的支持。 灰色地理信息系统时空数据模 型如图 6 所示。 空间数据库的实现方案主要有“面向对象的原 生空间数据库”、“关系数据库扩展空间类型”、“关系 数据库空间数据引擎层”3 种。 其中面向对象的原 图 6 灰色地理信息系统时空数据模型 Fig． 6 Spatiotemporal data model for GGIS 生空间数据库由于技术原因效率比较低下,在空间数 据存储和检索方面应用较少;关系数据库扩展空间类 型的方案一般由数据库厂商提供,如 Oracle Spatial, PostgreSQL 等都提供了空间类型的支持,因 GIS 系统 与特定数据库深度融合,效率和性能有保证,但灵活 性较差;关系数据库之上建立引擎层的方案,也即 “空间数据引擎”,在效率、灵活性之间属于比较平衡 的方案,目前主流 GIS 软件使用较多。 面向智能开采 的矿山时空数据库底层采用自主研发空间数据引擎 的方案图7,通过设计 GGIS 空间对象数据模型,实 现海量、实时时空数据基于关系数据库的存储和管 理,能够支持 SQL Server,Oracle 和 MySQL 等主流关 系型数据库。 图 7 灰色地理信息系统空间数据引擎 Fig． 7 Spatial data engine for GGIS 时空数据的融合技术是以静态数据为基础,增加 对时间的描述,不仅能够表现空间对象横向的空间形 态,还能表达纵向的时间变化过程。 时空数据模型的 3491 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 研究从 20 世纪 60 年代开始,但初期进展缓慢。 文 献[18]总结了时空立方体、快照序列、基态修正和时 空复合 4 种时空数据模型。 近些年,时空数据模型成 为 GIS 研究的一个重要方向,在以上基本模型的基础 上,出现了 3 类扩展方法① 综合集成法,如基于版 本-增量的时空数据模型集成了序列快照模型、基态 修正模型和时空复合模型的特点。 ② 变换表达法, 如对于面向对象的时空数据模型采用版本标记方式, 表达同一地理对象不同时期的版本变化,或者采用动 态多级索引的基态修正方式,表达地理对象的历史变 化。 ③ 变换语义法,如在基于事件的时空过程模型 中,采用事件记录地物变化,使用事件描述地理现象 的一次完整的发生过程,或者用事件描述多个地理对 象一次变化的组合关系等。 本文结合智能开采对矿 山空间数据的需求,在空间数据库的基础上,采用改 进的“版本-增量”时空数据模型,以版本的方式记录 某个时间点的数据状态作为基态模型及相对于基态 的变化量,只有在模型产生变化时才将变化的数据存 入系统中。 基态修正模型对每个对象只存储一次,每 变化 1 次,仅有很少量的数据需要记录,大大提高了 数据存储和处理的效率。 面对智能开采对各类过程要素的实时性、协同性 要求,时空数据库“版本-增量”时空数据模型可以继 承空间数据库海量存储、高并发访问的优势,快速进 行空间数据的综合分析和应用。 根据不同的图件类 型,提取相应的空间数据,叠加组合生成所需要的图 件。 例如,可以提取巷道及其注记数据、勘探线、钻孔 等数据,叠加组合后生成特定比例尺的专题图形,或 者通过比例尺变换,自动生成所需要的各种常用比例 尺的采掘工程平面图。 同时,由于增量模型本身具有 数据小、处理速度快的特点,对空间数据的编辑、修改 等控制操作可以精确到每一个空间实体,从而可以实 现多用户的并发编辑,消除了数据冗余、大大提高工 作效率,实现智能开采环境下各类空间数据、属性数 据的高性能协同化处理时空一体化存储,还原矿山 “开采前、开采中、开采后”的时空演化过程图 8, 基于过去设计生产,基于现在预测未来,基于预测指 导生产,实现自适应的智能矿山开采。 图 8 智能矿山时空演化过程 Fig． 8 Process of spatiotemporal evolutionary process for intelligent coal mine 3 信息共享管理平台关键技术 3． 1 协同处理及信息共享机制 实现煤矿井下空间信息的协同和高效管理是煤 矿智能化的基础和先决条件之一。 基于 GGIS、时空 数据库等技术基础,本文提出了面向智能开采的煤矿 多专业分布式协同处理和安全生产信息共享机制,设 计了“一张图”“一个库”的煤矿安全生产信息共享系 统架构。 通过多级架构分布式协同 GIS“一张图”图 形处理、大数据分析服务管理技术和平台,构建协同 处理的网络数据传输通信机制、协同作业体系结构以 及生产执行系统MES多源数据集成的信息融合和 共享体系,保证智能开采全业务流程中各类数据的共 享性、一致性、完整性和现势性,为智能开采实时在 线、自适应应用提供支撑。 矿山时空数据涉及地测、采煤、掘进、通风、安 全、机电、运输、设计等多个专业与部门,面向智能 开采的空间信息处理是一种多专业协作的工作 4491 第 6 期毛善君等煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究 流,是一种数据协同。 煤矿空间信息协作的主体 是煤矿各业务部门的技术人员,协作的对象是矿 山智能化开采中的各类实体。 针对协同处理中可 能出现的数据冲突问题,在 GGIS 时空数据库的基 础上,采用“乐观冲突”解决机制,提供数据请求、 数据获取、数据提交、数据签出、数据锁定与取消 锁定、图层管理、用户数据冲突处理、权限管理、资 源状态管理、数据审核等一系列协同控制服务,解 决全业务流程中多人、多部门、多层级数据协同处 理、一致性更新的难点问题。 空间信息协同处理 及共享体系结构从下至上分为数据层、协同服务 层及应用层 3 个层次结构,如图 9 所示。 图 9 空间信息协同处理及共享体系结构 Fig． 9 Framework of spatial ination collaboration and data sharing 1数据层。 将煤矿地测、通防、采矿设计、机电 设备等各类数据按时空信息、属性信息统一存储,建 立时空数据库、瓦片地图库、空间索引库。 时空数据 库存储各业务部门的空间实体数据;瓦片地图库将一 些对实时要求不高或数据变化周期较长的空间数据 按地图切片方式存储,从而提高服务响应速度;针对 煤矿数据类型多样、数据量大的特点,建立与时空数 据库同步的索引库,为各专业应用提供空间实体的搜 索。 2协同服务层。 提供协同系统的数据读写、信 息共享服务,包括地图服务、协同服务和搜索服务。 地图服务以网络服务的方式解决空间数据的共享与 展示问题,包括实时地图服务和切片地图服务两大类 型。 实时地图服务直接读取空间数据动态生成地图, 可获取数据的最新状态并展示其应用场景;切片地图 服务则是提前将相应的空间数据生成地图切片,请求 地图时直接将切片返回给请求者即可,适合变化较 慢、较少的空间数据部分,提前绘制成地图切片可以 提高响应速度。 协同编辑服务完成数据的各种并发 编辑,包括协同新增、更新和删除,保证数据在不同专 业、不同用户操作下仍然能够保证一致性且能够及时 更新。 3应用层。 提供面向智能开采的各业务环节 数据需求的交互接口,通过桌面、Web、移动设备等方 式,实现包括智能开采分析、决策在内的各类应用,并 为相关业务部门提供完整、实时、最新的数据支撑。 面对安全生产信息共享平台大量流程管理及监 测监控等数据集成需求,本文提出基于多源数据集成 架构的信息融合思路,将生产技术、安全监测、智能控 制、工业视频等数据统一纳入时空数据库的管理体 系。 多源数据集成架构采用数据使用和数据源提供 分离的思想,为多源数据的共享提供了开放性和自由 度,很好地实现了真正的数据共享和集成,不再需要 有源数据格式宿主软件的支持。 虽然多源数据集成 中需要针对各种数据源分别建立数据服务引擎,可能 根据数据源的不同带来相应不等的接入代价,但这样 的引擎模块是相对独立的,通过开放式的架构设计, 可以通过第三方合作或委托的方式实现专用引擎的 开发,而且引擎是可以复用的,也将带来数据真正无 缝共享的体验。 3． 2 多维可视化管控技术 智能开采的直接目的是减员增效,最终实现少人 或无人开采,一方面是对各类系统、装备进行智能化 改造,另一方面需要建立基于 TGGIS、协同和共享平 台的多维可视化平台,逐步实现对井下开采环境和全 业务流程的“一张图”展示