矿山数字化研究与矿山测量在其中的作用

作者：姚明飞
来源：科教创新

　　摘要：随着数字地球的发展和国家对企业信息化的要求，利用信息化带动矿山等传统企业的发展，数字矿山（DigitalMine，DM）应运而生。数字矿山技术的全面综合分析、动态监测预报、决策制定等强大功能，使得它的应用和发展得到了业界的足够重视。而矿山测量作为最基础的工作，在这种新的前提与背景下也须有新的发展。文章在讨论数字矿山的概念、意义、特征、组成和结构层次的基础上， 研究讨论了矿山测量工作在数字矿山建设中的任务、技术支撑、主要研究内容和目标以及矿山测量的工程化。
　　关键词：数字矿山 矿山测量 数字化制图 地理信息系统 地球空间信息科学
　　1、"数字矿山"的定义
　　"数字矿山"是以矿山系统为原型，以地理坐标为参考系，以矿山测量技术、信息科学、人工智能和计算机科学为理论基础，以计算机技术和通信技术为主要支撑，建立起的一系列不同层次的原型、系统、模型的集成。具有海量数据和多种数据的融合以及空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统。它是信息化、数字化的虚拟矿山，是用信息化与数字化的方法来研究和构建的矿山。通过它可以了解整个矿山系统所涉及的信息过程，特别是矿山系统多体之间信息的联系和相互作用的规律。
　　数字矿山是一个复杂的多学科技术交叉形成的综合性数字化矿山生产管理系统，它涵盖了矿山建设、安全生产、管理经营等内容。数字化矿山不是GIS概念的简单延伸，而是一个包含多者特征的崭新的概念。
　　数字矿山及其战略意义在于，它采用现代信息技术、数据库技术、三维可视化技术、传感器网络技术和过程智能化控制技术等，在矿山企业生产活动的三维尺度范围内，对矿山生产、经营与管理的各个环节与生产要素实现网络化、数字化、模型化、可视化、集成化和科学化管理，根据实际的应用要求，建立矿山规划设计、矿山安全生产管理、矿山应急救援指挥、矿山经营管理、矿山办公自动化等应用系统。从而做出有利于生产要素组合优化的决策，达到企业资源合理配置，求得最大的经济效益。特别是在矿山安全生产过程中的实时信息监测、收集、分析、预警、决策等方面发挥重大作用。
　　2、"数字矿山"的特征及组成
　　数字矿山的特征和基本组成基于DM的定义， DM的基本组成可大致为以下几大部分：（1）以测量（包括数字摄影测量、GPS、大地测量及井下常规测量）、地球物理探测、遥感技术为综合手段来建立精确、全面的矿山综合信息数据采集与更新系统；（2）3D地学建模即对测量、钻孔、物探、传感等数据集于一体进行真3D地学模拟和动态数据维护，对地层环境、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的3D可视化再现、模拟与分析。（3）建立一个宽带、高速和双向的通讯网络平台，确保数据在矿山企业内外的高速传输，以利于矿山产品、经营等社会化信息在网上的快速传递、实时运作；（4）调度系统指MGIS，负责提供拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出等GIS基本功能，并进行数据访问控制、开放接口和生产调度与指挥管理等；（5）功能系统负责提供各类专业问题模拟与分析功能；（6）核心系统负责统一管理数据和模型，进行决策分析与支持等；（7）用户二次开发平台。根据用户的切实需要而提供的，可进行二次开发的平台，以更好的满足用户需要，实现用户所需功能。
　　可以看出，数字矿山的核心是数据。在此基础上再建立相关模型仓库，管理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、瓦斯聚集模型、涌水计算等。因此，在数字矿山建设中，矿山测量的重要工作和作用就是建立和健全地理空间基础信息系统及地理空间应用系统。做好基础数据的采集、组织、管理和利用将会给其他设备和生产信息的加载与集成提供统一的地理空间位置平台。
　　3、数字矿山的现状与未来
　　近年来，我国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不容乐观。发达国家早在80年代就开始进行数字矿山建设，并在近30年取得了优异的成果，而我国在此领域，与发达国家的差距越来越大，资源的统筹开发与综合利用不足，更没有形成信息资源充足、系统性能稳定的矿山信息基础设施。这方面主要存在以下几个问题：矿山信息化总体水平较低；大部分企业只注重硬件投资，忽视了软件的开发、管理与应用；对现代信息化认识不足；信息资源管理不够完善。
　　4、矿山测量的任务
　　矿山测量因具有一定的的特殊性和多学科交叉性，它的发展和进步与三个方面密切相关：一是采矿技术和矿业工程的发展及要求；二是测绘科学技术与仪器设备的发展；三是其它学科的发展与影响。矿山测量工作者担负着矿山地面和地下三维空间的测量、定位与制图，矿体几何，储量管理及开采监督，开采沉陷观测及开采损害防护等任务。近十多年来，资源、环境、灾害和人口问题成为人类社会发展的四个重大问题。矿山测量工作者在矿区和工矿城市环境的动态综合监测，环境评价，及矿区环境信息管理，矿区开采信息管理系统，开采沉陷区综合治理等方面做了大量的工作，起到了重要作用。目前，以3S为主导的空间信息技术将逐渐应用于矿山测量及矿山建设与生产中，对现代化采矿工业起到优质高效服务和辅助决策的作用。
　　5、主要研究内容与目标
　　在数字矿山建设中，就矿山测量而言，除常规的矿井建设、生产中的测量任务之外，应特别重视以下的研究：自动化矿山信息采集系统；矿山开采环境动态信息系统；矿山开采环境实时监测与治理系统；矿山开采环境信息系统的误差分析系统，以确定系统精度和可靠性的估算模型；分析属性数据精度和空间信息精度相互影响的规律；建立矿山开采环境系统的精度和可靠性评价系统。
　　矿山测量的工程化随着矿山生产的发展和科学技术的进步，矿山测量向工程型转化是矿山测量事业发展的必然。除了现代高新测绘仪器在矿山生产中的研究应用外，将由单一纯工程服务型向工程服务决策型转化，矿山测量工作者的素质不应局限于单一专业，而应该向一专多能及工程型扩展。矿区经济的持续发展，必然要求周边交通运输、工农业及相关领域的可持续发展，矿区采动带来的对厂房、高速公路、楼群等影响，采矿工程、矿山测量、岩土工程之间的相结合，以解决这类新型边缘问题势在必行。
　　矿业可持续发展过程必然是矿山测量工程化发展过程，也是多学科穿插重新组合形成新门类学科的过程。矿山测量工作者也将在矿山边坡工程、矿山地压控制，开采沉陷及采矿地表建设、岩石动力学，以及越来越多的方面发挥较重要的决策职能。
　　我国矿山生产作业流程的动态性与复杂性，DM的建设必将是一个复杂的、长期的系统工程。应积极推广当代信息化技术在我国数字矿山建设中的应用，充分利用GIS平台，加快基于GIS技术的数字矿山建设，化解矿山开采过程中的高风险、高危害因素，落实我国的资源开发政策，力保使我国资源开发进入一个可持续发展的良性循环，从而提高我国矿山在国际上的竞争力。
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