互联网、大数据、时空智能等高新技术为采矿业带来了前所未有的发展机遇，传统矿业正迈入信息化、自动化、智能化的高科技发展领域，“数字矿山”“智能矿山”等诸多新概念和先进技术不断涌现[1-4]。南非、加拿大、芬兰、瑞典、澳大利亚等国先后制定了“数字矿山”“智能矿山”或“无人化矿山”的发展规划[5-8]。我国煤炭工业经过30多年的发展，其信息化建设也已经从数字化向智能矿山方向迈进，包括空间数据管理与可视化等若干研究方向已经取得了丰硕的成果，为智能开采奠定了坚实的基础。实现对矿山的智能化管控和智能开采已成为高科技矿山建设的必然趋势。

煤矿信息属于空间信息的范畴，煤矿安全生产的全流程都与三维空间有关;智能开采的目的是减员增效，最终实现少人或无人开采;实现少人或无人开采的技术关键之一就是基于网络技术的远程可视化控制或巡查;远程可视化控制或巡查的技术关键之一就是构建透明化的矿山，提供可视化的三维交互式操作平台，实现对井上下工作环境、机电设备和矿体的实时感知和决策。透明化矿山的构建是一个复杂的系统工程，目前的技术和应用成果主要存在如下问题:

(1)综合自动化控制主要是由组态软件平台完成的[9]。无论二维还是三维，组态软件成果界面都是模拟的，不能反映真实的三维开采环境，缺乏地理空间的时空关系表达，不利于安全生产的决策分析。近年来，一些国外公司开发了基于电子地图的综合自动化控制平台[10]，但仍是二维的。

(2)三维可视化系统的主要功能是信息的查询和简单的漫游，而且以宏观观察为主，无法实现与综合自动化控制系统的集成。另外，采用的信息化技术较为落后，缺少二、三维一体化的共享机制，系统操作复杂，实用性差。

(3)三维可视化系统缺乏完整的顶层设计，数据孤岛严重，导致各专业构建的系统无法紧密融合在一起，无法适应数字煤矿、智能煤矿、少人或无人煤矿的管理需求。

(4)三维可视化系统中安全生产数据不完整，目前主要是瓦斯监测、人员定位等数据的接入，缺乏对诸如采煤机、液压支架等大型机电设备的综合管控功能。

(5)部分三维可视化成果是基于CAD技术完成的，没有充分发挥时态地理信息系统(TGIS)、虚拟现实(VR)技术管理空间信息的技术优势[11];部分三维可视化成果是基于地理信息系统技术完成的，但缺乏对时间维的处理，不具备历史数据的回溯功能[12-13]。

因此，结合煤矿信息化存在的问题和实际需求，笔者提出了具有完整性、实时性和控制功能的透明化矿山平台建设的整体框架结构，并对涉及的相关问题和关键技术进行了阐述及应用实践，为高科技矿山的顺利建设提供信息技术保障。

1 透明化矿山的定义

随着空间信息技术的发展，“玻璃地球”“透明地球”“地球大数据”等已经成为地球信息科学的研究热点。玻璃地球可被看作一种存储在计算机网络上的三维可视化虚拟地球，该系统提供的地学信息，可供开展地质、资源和环境决策分析[14-16]。作为地球一部分的煤层，“玻璃地球”“透明地球”的研究思路和成果为实现其智能开采指明了方向。

从找煤、普查、详查、精查到矿井设计、建设和生产，控制煤层和相关参数的已知数据不断增多，煤层伴随着一个由灰变白的过程[17]。对于无人或少人生产工作面，远程控制和决策支持是实现智能开采的技术关键，这就需要建立透明化的矿山和回采工作面，以使管理人员和技术人员无需到达开采现场就能够掌握相对真实或真实的开采环境和生产技术条件。为此，我们认为，透明化矿山的定义为:利用钻探、物探、采掘工程、智能控制、时态地理信息系统、虚拟现实和煤岩层识别等技术手段，基于统一的数据管控平台和生产实时揭露信息，实现矿山井上下地测、工程、监测监控、机电设备、开采环境等真实、实时信息的高精度可视化展示、动态修正和远程控制，并实现多部门、多专业、多业务数据的集成与应用，为矿山的安全生产、培训和智能开采提供高技术手段和统一的可视化管控平台。其核心内容包括3个方面:

(1)数据的统一管理。通过构建统一的数据中心，对矿井地质、测量、机电、监测等各类数据统一管理，避免信息化建设过程中的信息孤岛，实现数据的互联互通;

(2)数据的全方位展示。基于时态地理信息系统和虚拟现实技术，系统能够支持用户自定义显示的内容，最终实现人员不用下井，也能随时远程了解井下任意位置的相关信息，达到信息的透明化;

(3)矿井调度及智能管控。透明化矿山系统不只是展示系统，不仅能够利用专业信息实现调度指挥和培训等功能，而且能够实现对矿井设备的远程操作控制。

透明化矿山的构建必须遵循“五统一”原则:

(1)统一的顶层设计，实现“采、掘、机、运、通”和“水、火、瓦斯、顶板”业务流程的一体化管控(一盘棋);

(2)统一的国家或行业标准，规范实现地质体透明化和机电设备、开采环境等模型构建的技术手段、数据采集方法;

(3)统一的井上下网络传输(一张网);

(4)统一的集成数据库，确保三维空间对象在数据库表达的唯一性(一个库);

(5)基于三维可视化地图，统一展示、查询、分析和控制井上下安全生产全业务流程(一张图)。

就目前而言，透明化矿山建设的重点之一是透明化综采工作面(简称“透明化工作面”)的建立。透明化工作面是指以钻探、物探、巷道素描和激光扫描等数据构建初始高精度地质模型，以煤岩识别、顶板压力等实时数据修正初始模型，融合设备位置和姿态、环境状态等实时数据形成的透明化三维空间。透明化工作面的特点:

(1)利用钻探、物探和巷道及开切眼等获取的地质信息，建立初始化的高精度三维地质模型;

(2)利用智能开采过程获取的最新煤岩层界线和相关地质信息，不断更新地质模型，保证煤壁及附近数据的准确性;

(3)不仅能够描述煤层起伏、地质构造、岩石力学特性和顶板压力等信息，而且能够可视化展现开采过程中机电设备的位置及空间姿态;

(4)透明工作面将与开采设备建立统一的坐标系，为智能开采中的采煤机调高、调直提供基础数据。

2 透明化矿山管控平台的设计

透明化矿山管控平台是在统一的网络环境下利用时态地理信息系统和虚拟现实等技术全面构建的矿井和回采工作面仿真系统，以实现“监测、控制、管理”的一体化、可视化以及历史信息的回溯和查询。同时，系统能够充分利用先进的图形学技术，提供矿井、巷道和工作面的自动化建模、实时渲染、实时光影、动态内存(显存)管理等可视化技术支撑，支持远程控制、单人和多用户协同操作等。

系统平台架构如图1所示。系统分为3层:底层三维引擎层、透明化智能煤矿平台层、智能煤矿生产操作层。

第1层为底层三维引擎层:底层引擎是整个透明化矿山管控平台的基础，它包括启动控制核心、专业领域对象扩展模块、网络行为处理模块、系统环境控制模块、脚本语言、角色控制模块、后期处理特效模块、三维音源系统、AI与寻路系统、性能分析模块、地形系统、材质系统、装备载具控制模块、点线面基础数据模型、操作系统SDK、GUI驱动系统、粒子系统、物理仿真系统和植被系统等。

第2层为透明化智能煤矿平台层，是在三维引擎之上开发的算法处理层，包括如下五大部分：

(1)数据建模。高精度矿区地质模型、高精度工作面地质模型、关键场所机电设备模型、巷道采空区积水区等模型、地表和地表工业广场模型。

(2)数据存储。分布式文件存储、生产业务数据库存储、地测模型数据存储、综合自动化实时数据存储和时空数据高性能检索。

(3)数据可视化。井上下基础漫游、UI界面、三维空间查询、三维空间量测、历史数据回溯与三维数据更新。

(4)空间分析。三维通风实时解算、三维避灾路线生成、三维缓冲区分析与预警、监测设备布置与数据绑定、设备效能分析。

(5)专业应用。三维地质剖切、三维储量计算、监测数据可视化、工业视频集成和应急救援辅助决策等。

第3层为智能煤矿生产操作层，包括工作面安全智能开采和培训考核系统两个部分。工作面安全智能开采的系统中，采煤机和液压支架的精确定位技术、三维工作面设备模型建模技术、三维高精度工作面生成技术、三维角色动作技术构成了系统的客户端，根据设备业务逻辑和安全生产规程，对智能开采的截割控制模板进行后端的计算和自动生成构成了系统的服务端。通过控制井下设备信号开展割煤工作，并得到煤岩层等技术识别的最新地质数据，将最新数据反馈给透明工作面系统，从而形成一个自适应的智能开采流程。在培训考核系统中，则重点应用了多人协同逻辑和设备交互逻辑，对多角色操控设备的过程进行判断，最终实现了基于虚拟现实的煤矿安全生产培训考核功能。

3 透明化矿山构建的关键技术问题

透明化矿山建设过程中，涉及问题众多，主要有透明化三维模型构建标准的建立以及多源数据的集成、高精度地质体模型的构建和动态更新、海量数据可视化、机电设备建模和仿真以及可视化控制等核心技术的研发。

3.1 透明化三维模型构建规范的建立

透明化矿山建设的重要基础是规范化三维模型的建立。同时，为了实现煤层的透明化，必须尽量探明煤层的空间形态、断层和瓦斯以及陷落柱、岩石力学特征等的分布状态，以满足大数据分析、远程控制和智能开采的需求。另一方面，建模精度的提高必然造成工程费用的增长。为此，必须建立一套满足智能开采的三维模型技术规范，以求得建模成本和模型精度要求之间的平衡。例如，为实现回采工作面的完全透明化，就必须实施足够多的钻探和物探工程，但没有必要一次性投资完成，特别是那些空间形态简单、稳定的煤层，结合实时的煤岩层识别成果，就可以保证煤壁附近的地质信息透明化。所以，制定满足智能开采需求和成本控制的三维模型构建行业标准势在必行。

透明化矿山三维模型技术规范，包括了数据采集、处理、集成、更新和维护与服务等。透明化矿山模型分为地质模型、地表模型、机电模型、其他模型四大类。地质模型又分为矿井地质模型、采区地质模型、回采工作面地质模型、断层模型、采空区模型、积水区模型、陷落柱模型、巷道模型等;地表模型分为地形模型、建筑物模型、构筑物模型、管线模型、交通设施模型、植被模型、水体模型等;机电设备模型分为综采设备、掘进设备、提升设备、运输设备、通风设备等。每一类模型可以按照细节层次从精细到粗略分为LOD0，LOD1，LOD2，LOD3四级。透明化矿山中的三维模型数据质量不仅应该满足几何精度和完整性、真实性、现势性和逻辑一致性等要求，而且应该具备元数据，并进行规范性编码，如模型编码应该具备建模单元码、模型类型码、模型细节层次编码、模型顺序号编码，如图2所示。三维模型交换标准应符合通用的数据交换格式，几何数据采用3DS，DAE，OBJ，FBX等格式，纹理数据采用JPG，TIFF，PNG等格式。

3.2 透明化矿山多源时空数据的存储与集成技术

在透明化矿山建设过程中，有基础地理信息、生产业务信息、安全监测监控信息、生产辅助决策信息等大量多源异构数据，涉及的数据非常庞杂，相当于是将整个智能矿山系统的数据全部集成起来进行展示，因此具有海量、实时、多维、动态、异构等特征。多源时空数据的存储与集成是透明化矿山建设的重要任务。为此，需要研究三维空间数据存储与管理、动态调度和应用缓存等关键技术，同时研究高效的三维空间索引和数据一致性维护技术。

目前，大部分三维数据存储主要采用文件系统和大型关系型数据库的混合存储方式。在透明化矿山管控平台中，将数据分为5类，主要存储在非关系型数据库中，如图3所示。

(1)对于地形和地表工业广场数据，参考目前三维城市建模主流存储方法开展存储与集成工作[18]。倾斜摄影测量数据主要是OSGB数据格式，数据量庞大，而工广建筑模型则按照标准编码规范进行标准化，倾斜摄影测量数据和工广模型数据集成为统一场景后，数据分割形成三维瓦片，即将模型划分成若干个小单元，每个瓦片对应了几何模型、材质数据、版本号和时间数据，分片分级存储在分布式文件数据库中。这样的组织方法使大规模的数据能够分片组织,避免了单个文件夹下的超大数据量,在建立时空数据索引后，使得数据的索引效率增高。

(2)透明化矿山中的设备模型数据，也包括几何模型、材质数据、属性数据、版本号和时间数据等数据集，这些设备模型按照分类形成模型库，以分布式文件数据库进行存储。

(3)针对地质、测量等具备动态变化特征的三维数据，则从时间维度和空间维度上对三维数据进行组织管理。透明化矿山管控平台可建立二、三维一体化的数据模型[17],面元和ARTP体元构成了高精度地质模型的基础数据。每类空间对象都有含属性、版本号和时间信息，可以实现任何时刻的历史回溯与动态回放。

(4)对于安全监测、人员定位、机电设备管理等实时数据，传统方法一般采用实时表和历史表的方法进行管理。然而随着时间推移，传统的SQL数据库表记录越来越多，无法满足海量数据存储下一步需求。尤其是将全矿井安全监测数据全部集成后，数据量剧增。针对这一问题，研究了分布式文件数据库存储方法，将井下实时监测的水、火、瓦斯、顶板、采空区等监测信息全部存储到分布式数据库中。通过唯一性ID与三维模型进行关联和检索。这种存储方法，能够存储更多的实时数据，并维护数据的一致性。

(5)透明化矿山管控平台需要对井下设备进行智能化控制，因此还有一部分重要的数据源，即综合自动化控制数据。这些数据均采用工业实时历史数据库，如WINCC 7.0，KingHistorian，iFix Historian等。由于工业实时历史数据库对数据读写性能要求非常高，无论是关系型数据库还是非关系型数据库均不能满足工业自动化控制的要求，因此还是采用传统的组态数据接口，获取相关实时数据和历史数据。

矿山生产或智能开采是一个动态变化的过程，涉及的信息都与三维坐标和时间有关。为此，时态地理信息系统时空数据模型是实现透明化矿山数据存储的理想技术。为了实现透明化矿山管控平台时空数据的统一管理，增加了时空索引中间件，并提出了多基态的管理模型。每一个透明化矿山的基态是通过时空索引按照版本号和时间的检索动态生成的，基态之间只存储发生变化的空间对象。基于多基态模型，不仅节约存储空间，而且有利于对数据的快速检索和数据回溯。

3.3 高精度地质体模型的构建和动态修正技术

高精度地质模型由笔者等提出[19]:① 通过钻探、物探和日常生产获取的真实数据动态构建和修正三维地质模型;② 通过对数据的处理和推断，建立由较小或很小基本地质单元组成的，更能反映地质体空间分布细节的地质模型，并提供对地质环境中的地质体进行操作和分析的功能。高精度地质模型应由一系列子模型组成，这些子模型是根据不同地质体，如地层、断层等的不同特征而专门设计的。高精度地质模型构建的流程如图4所示。

高精度地质体建模主要采用三角网(TIN，Triangle Irregular Network)、似直三棱柱(ARTP，Analogous Right Triangle Prism)技术[17]，解决煤层及地质构造、陷落柱等三维模型的交互式和全自动生成等难点问题。

3.4 透明化矿山海量数据三维可视化关键技术

三维可视化是透明化矿山的重要表现形式，而三维可视化的核心是三维引擎。引擎控制显示效果、声音、操作等所有与用户交互的内容，通过将场景内的元素有机组合，将内容有序地展示给用户。作为能够控制所有功能的核心组件，引擎不仅可以对物体的位置、碰撞等进行仿真计算，同时也负责接收用户的交互操作，展示给用户合适的场景及对应的声音等。基于三维引擎，透明化矿山管控平台在构建高精度地质模型的基础上，进一步构建井上下沉浸式虚拟环境，并能够通过与其它系统的接口(如综合自动化系统、人员定位系统等)，显示监测、控制等实时数据，浏览、查询井下设备的各种参数和实时状态信息，从而达到无需下井亦可掌握矿井最新生产信息的目的。构建透明化矿山管控平台涉及的主要可视化技术如下:

(1)基于视点位置的LOD场景优化技术。当需要渲染的模型数据很多时，如何实现对模型数据的有效调度、检索和维护就是具有挑战性的问题。例如，采用倾斜摄影测量技术获取矿区地表数字表面模型(DSM)，这些多分辨率三维瓦片数据的数据量十分庞大。此外，通过专业建模方法也可以构建出多分辨率的地质模型、巷道模型、工作面模型和关键场所机电设备模型等。针对这一问题，平台采用基于视点位置的LOD调度策略和场景剔除算法，当用户移动视点时，整个模型场景根据视点所在的级别选择合适的LOD模型，并根据三维引擎的八叉树场景组织和当前视点位置做视域体裁剪，剔除所有看不见的模型以提高显示效率，并获取相关纹理进行渲染。采用该技术能够实现整个场景流畅的浏览。

(2)基于物理的渲染技术(PBR)。传统的渲染技术采用Phong或者Blinn-Phong简单光照算法，对自然场景中光线的模拟并不真实。另外，在模型材质制作时，常采用经验性参数进行处理。为了达到逼真的可视化效果，笔者采用最新的基于物理的渲染(Physically Based Rendering，简称PRB)技术，该技术是采用基于与现实世界的物理原理更相符的基本理论所构成的渲染技术。使用PBR来编写三维模型的材质，可以作出真实的、照片级的可视化效果。

(3)烘焙阴影与实时阴影技术。阴影技术是真实感算法中重要的组成部分。大部分的三维可视化都采用烘培阴影，也叫做离线阴影。烘培是一种离线计算，它采用光线追踪算法来模拟现实世界中光的物理特性，如反射，折射及衰减。在三维场景中，对于大量静止的物体，如场景中的地形，房屋等，在光照不变的情况下，这些物体产生的阴影也是固定不变的，因此可固定光源并烘焙阴影形成Light map，将烘焙的图像作为第2层材质赋予模型之上，达到真实的明暗对比效果。而模拟地下开采环境时，需要模拟矿灯照射阴影、矿工行走阴影等情况以达到更加真实的效果，因此采用实时阴影技术，在虚拟场景中每一帧，场景中的几何体或灯光位置变动时都要计算投影轮廓，并形成Shadow map放入缓存进行实时显示，达到实时阴影显示的效果。在透明化矿山三维平台中，考虑到效率和效果兼顾，大部分采用烘焙阴影，局部场景采用实时阴影技术。

(4)可视化脚本编程技术。三维引擎提供了方便的可视化脚本编程语言，通过节点和连线就能快速实现可视化系统的上层功能，如动画制作、AI设计、设备动作等，根据脚本编程语言，三维平台能够快速搭建界面UI，实现三维漫游、三维剖切、三维线路展示，并实现与综合自动化系统、监测监控系统、人员定位系统以及ERP系统无缝衔接等功能。

3.5 机电设备模型构建与仿真技术

设备模型是构建透明化矿山的重要内容，而几何模型是设备模型构建的基础。在项目实施过程中，需要根据实际需要进行几何模型建模方法的选择。一般来说，如果进行作业环境的综合展示并进行设备实时数据查询，可以采用3DS Max、Maya、全景技术、近景摄影测量等对设备表面进行建模;如果考虑到对无人或少人回采工作面机电设备的远程控制、专业工种虚拟培训等应用，可以采用设计模型导入等方法对三维设备的内部进行拆解和建模，以达到对每个零件或子系统进行控制的目的。

对透明化回采工作面三维设备模型的构建，需根据其实际三维空间分布进行，其主要设备包括:采煤机、液压支架、端头支架、刮板输送机、转载机、胶带机、乳化液泵站、锚杆、锚索、金属网、喷浆支护、破碎机、传感器等。传感器包括:瓦斯浓度传感器、煤尘浓度传感器、风速传感器、风压传感器、一氧化碳浓度传感器、温度传感器、管道流量传感器、开停传感器、风门开闭传感器、烟雾传感器等。

建立综采工作面“三机”空间运动模型，实现设备间逻辑上的关联性。分析采煤机工作空间及运动规律，不仅完成采煤机姿态及位置表达，而且构建采煤机空间运动模型，在虚拟仿真系统中研究并制定采煤机与刮板运输机关联以及刮板运输机与液压支架关联等，使得系统具备智能化、虚拟化的功能。图5为回采工作面三维建模的效果图。

3.6 透明化矿山自动化远程控制技术

基于时态地理信息系统技术的透明化矿山平台具备通用组态软件的“配置”“设定”“设置”等功能，实现对井下大型设备的集中监视、报警值设定、控制逻辑设定、参数设置等。透明化矿山管控平台组态技术特点如下。

(1)SCADA功能。适配煤矿井下主流设备通讯协议，如OPC UA，ODVA CIP，Modbus RTU，Modbus TCP，并支持Socket UDP/TCP等私有协议的开发。SCADA组件是三维可视化平台最重要的部件之一，它的主要功能是平台和设备之间的数据交换，通过网络实时采集控制器(PLC或分站)的实时数据，并将用户设定的参数写入到控制器的ROM中，实现用户对控制器、传感器的监测和控制。

(2)数据库功能。平台配有实时历史数据库，可存储各种设备的实时及历史数据，如模拟量、开关量、累计量等，供平台开发统计查询和分析功能。

(3)三维组态功能。利用可视化脚本编程功能实现对真实设备的可视化展示以及基于三维组态的自动控制。综采工作面采煤机滚筒的旋转、行走、指示灯不同颜色闪烁、液压支架的推拉移架等需要制作动画效果，根据三维可视化平台丰富的可视化编程脚本函数实现三维模型的部件动画功能。可视化脚本编辑功能使得操作人员可以直接进入可视化配置的界面，而且同样类型的设备只需编写一次脚本就可以直接配置使用。基于三维组态，能够实现对综采工作面采煤机、液压支架、运输机、破碎机、组合开关等设备运行参数和状态的可视化动态展示，并提供实时历史曲线、实时值显示、故障报警、报表统计等功能。

透明化矿山自动化控制技术的具体工作流程如图6所示。

透明化矿山平台中的UI界面作为人机交互的主要窗口，实现人员通过界面操控设备和查询历史数据和统计分析结果;可视化脚本工具提供给开发人员可视化编程方法，对导入可视化平台的三维设备模型部件连接对应的动画效果，实现数据和动画的关联及展示，如采煤机的摇臂按照SCADA采集的实测值同等角度抬升或下降;消息队列服务通过网络端口提供给UI界面实时的监测值，用于实时显示设备监测数据，同时将数据存储到历史数据库供查询分析服务使用;查询分析服务根据UI定义的监测点和功能，提供监测点实时报警、设备开停、历史数据查询、统计分析等服务，UI界面将查询到的数据通过各种方式呈现给用户以方便用户了解相关信息;SCADA组件是三维可视化平台数据交换的核心部分，实现平台与井上下网络设备(监控电脑、PLC、分站、传感器等设备)的监控数据采集和下发控制指令，操作人员通过UI界面能够实时了解设备的运行参数，通过鼠标点击控制按钮，实现控制指令通过消息队列服务到SCADA组件，SCADA组件下发控制指令到对应的控制器，实现对设备的即时通讯和启动、停止、调速等手动控制功能。

4 应用实例

本文提出的煤矿“透明化矿山”建设思路及相关关键技术在阳泉煤业(集团)有限责任公司等矿区进行了实际应用。系统构建了地表工业广场、井下地质体、巷道和机电设备等的可视化模型，同时集成了机电设备、综合自动化控制、监测等各类数据，用户在此系统内可以从地表到井下，从宏观到微观方便地巡查设备的实时运行状态以及进行远程培训虚拟控制，如图7所示。

5 结 语

在现实需求的基础上，本文定义了透明化矿山的概念，并提出了透明化矿山建设的整体架构思路，针对建设过程中的多源数据集成、高精度地质模型的构建和动态修正以及多业务数据的可视化集成、远程巡查和控制等技术进行了探讨与研究，形成了一整套适合煤矿实际应用的透明化矿山解决方案。

实践证明，透明化矿山的建设思路及应用系统可以有效解决煤矿井下信息无法直观快捷查看、缺乏全面可视化表达、数据集成度不足、应用效果不够理想等问题，可为高科技矿山及智能开采系统的建设提供参考。

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