煤矿三维可视化安全生产集成管理平台的设计

申海生

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西 长子 046600）

引言

煤的生产过程有以下几个重要特点：大部分重要工作场所在地下，地面人员只能通过非常有限的通信手段或亲自下井去了解实际生产状况，由于工作场地面积大，即使下井也只能了解局部信息；整个矿井生产活动是随时空动态变化的，生产场地不断被建设和废弃，甚至采区外部环境也在不断变化，导致生产过程变数很多，给生产带来影响且管理困难；生产活动多，包括地质、水文、勘探、测量、设计、掘进、回采、运输、提升、洗选、通风、支护、监控等，这些活动都是煤矿生产必不可少的部分，具有紧密的内在联系且需要互相配合。如何简单快速了解和掌握各项活动的实时情况，以便为生产决策提供信息支持，确实是一个难题。瓦斯、水患、火灾、粉尘、矿压等危险因素时刻威胁矿井安全生产和矿工的宝贵生命。因此，根据三维可视化技术特点，开展矿井三维可视化安全生产集成管理平台技术研究是非常有必要的。

1 煤矿三维可视化安全生产集成管理平台的设计思路

当前国内矿山三维可视化系统设计分为三类。第一类为三维地测系统，该系统应用地质体、巷道的建模算法、剖切算法，特点是三维地测技术比较实用，而三维图形技术则相对较弱。该系统运行速度慢，不能支持大场景，三维可视化效果较差，实时数据接入点不能太多，设备动画基本没有。第二类为采煤设备三维监控自动化集成与展示系统。该类系统由于不能构建煤层、岩层、断层等地质体，没有地质研究所需相关功能或功能很弱。系统在地测、安全领域做得较肤浅，不能适应工作面、设备搬迁，系统缺乏实用性，未解决大场景问题并对电脑要求比较高，客户无法大面积安装。第三类是采用3Dmax二次开发系统。该类系统采用脚本语言二次开发，系统运行速度最慢，对电脑要求非常高，不支持大场景。购买3Dmax 的成本很高，不能大面积安装且没有解决巷道交叉点建模算法，不能进入巷道内部漫游，操作复杂。

以李村煤矿为例，从该矿从实用角度出发，以先进的三维可视化、地质建模、数据库和网络技术，设计一套面向矿井安全高效生产的三维可视化动态系统，该系统的应用有助于矿区规划、资源管理、安全生产及辅助决策等，同时也是感知矿山系统建设的主要部分，为煤矿安全生产管理提供参考示范。

2 三维可视化安全生产集成管理平台系统的总体设计

矿井生产安全管理三维动态系统的设计内容复杂，通过对李村煤矿生产安全管理的需求分析，制定了矿井生产安全管理三维动态系统总体设计方案：

1）建立统一空间坐标系统的矿井生产与安全管理基础数据集，通过多源数据采集，建立煤矿井田空间基础数据集。

2）利用三维地质建模技术，提取矿井生产与安全管理有关的三维目标要素，实现三维矿井目标的综合建模。

3）建立流程化和标准化的信息处理流程。

4）通过开发三维可视化技术，提高井田开发与井下生产动态管理的可视化水平。

5）实现矿井生产与安全信息及场景的三维可视化以及全矿区生产安全全过程的动态监测。系统总体设计分为数据层、模型层和功能层3 个主要层次，具体内容如下页图1 所示。

在功能层主要包括有生产状况、生产监控、安全预警、三维观察、储量计算和生产线路等。在模型层主要包括有煤（地）层建模、设备建模、地质构造建模、巷道建模等。在数据层主要包括有地测数据库、生产数据库、监控数据库等。

3 三维可视化安全生产集成管理平台系统的开发

图1 系统总体设计三个主要层次

以李村煤矿为研究对象，通过获取并以其标准化的数据为基础，利用三维地质建模技术，提取矿井生产与安全管理三维目标要素，实现三维矿井目标的综合建模。建立流程化和标准化的信息处理流程，遵循软件工程思想，利用VC++等软件开发工具、三维可视化技术及数据库技术等开展工作。

4 三维可视化安全生产集成管理平台系统功能的设计

为了实现矿井生产环境的快速三维建模和矿井安全生产综合信息的快捷查询，系统应具有以下功能模块：矿井安全生产总体状态查询功能；矿井岩（煤）层三维可视化功能；矿井回采工作面三维可视化功能；矿井掘进工程三维可视化功能；井巷建模功能；巷道断面信息功能；对各种设备图形自动生成，对设备任意绑定监测点，划分设备子系统。同时具有以下特殊功能。

4.1 矿井自动生成巷道功能

矿井的巷道导向线数据也可以直接从已有的地测信息系统中读取，无需在三维可视化系统再次录入巷道导向线数据。结合已有的巷道区段信息，系统就能够通过数据自动生成巷道三维模型。

4.2 实时安全监测与自动化三维可视化功能

1）该三维可视化系统可以与煤矿综合自动化系统等实行监测数据共享。一个客户端可以同时连接多个自动控制服务器，支持服务器集群。三维可视化系统通常非常消耗计算机资源，而对于综合自动化这样的大型自动化项目，拥有上万个数据监测点，如果三维可视化系统不采用OPC 高效率的工控数据集成标准，要做到实时安全监测自动化与三维可视化是根本不可能的。

2）可以用浮动在屏幕上的数字标签显示实时监测数据。浮动标签始终显示在最上层，不会被其他场景对象遮盖，无论场景怎样旋转、移动，无论设备运动到什么位置，浮动标签始终固定在该设备的空间位置上，始终正面朝上并面向操作者以便观察。标签的显示内容可以定制，还可以打开或关闭浮动标签的显示。

3）可以在三维场景中以动画的方式显示设备的运行状态，例如罐笼的上下移动、原煤运输流动、采煤机行走等，可通过实时监测数据控制这些动画的运行样式。

4）当监测数据出现异常，系统会及时报警，并对报警设备进行跟踪定位。

5）为了控制数据量及更清晰地展示生产监测状况，三维系统采用分子系统显示的模式。

4.3 储量计算功能

本系统所采用的储量计算方法是积分计算的。计算中考虑了划定区域中每个网格体的厚度和倾角，较目前矿山所采用的计算方法更精确。支持同时计算多个区域，支持指定任意数量的储量扣除区域（无煤区、保留区等）。计算后系统会自动将计算区域与扣除区域按不同颜色区分。

4.4 工作面视图制作功能

“工作面视图制作”模块的特点是由形成的回采上巷、下巷、开切眼和停采线快速生成回采工作面的三维图形，作图简单快捷。在使用之前必须制作好工作面回采巷道的视图，即上巷（或回风巷）、下巷（或运输巷）和开切眼图形。此外，还必须有停采线，因为它确定了工作面走向的长度，停采线可以是线型线段。制图时只需用鼠标分别点击上巷（或回风巷）、下巷（或运输巷）和开切眼、停采线以及三维煤层体视图，即可自动生成三维回采工作面视图，同时计算出回采工作面的主要参数，例如回采工作面长度、平均采高、工作面走向长度、在工作面阶段的煤层倾角和可采储量等。

4.5 视频监控功能

将监控摄像头模型布置在场景中，当用户右键选择一个摄像头时，可以显示该摄像头的实时视频。

4.6 安全操作规程培训功能

可以模拟矿井的生产过程，在模拟状态下培训员工安全意识，结合语音解说，达到让员工熟练掌握安全操作规范的目的。

5 结语

矿井安全生产管理三维可视化动态系统的研发，以李村煤矿为试验区，从矿井高效安全生产的实际出发，将全矿井的生产环境情况以三维动态模型的方式表现出来，为矿井生产的指挥决策和实时分析提供支持。该系统虽然是一个图形系统，但立足于为生产管理提供服务，主要目的是综合各生产活动的信息，辅助管理决策，而不是仅仅用于地测绘图和建模型。煤（岩）层、地质构造、巷道、工作面、采空区、生产设备等三维模型均可以根据录入的基础数据自动成图，无须手绘，极大地简化了系统的操作，便于学习、应用和推广。