章来源：《智能矿山》2024年第6期“智能示范矿井”专栏

作者简介：陈南南，高级工程师，硕士，主要从事工程测量、地形地籍测量等工作

作者单位：中煤浙江测绘地理信息有限公司

引用格式：陈南南，朱农.露天石料矿数字化建设方案设计与应用[J].智能矿山，2024，5（6）：34-38.

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方案设计遵循技术先进、功能齐全、稳定可靠的原则，并综合考虑当地的地理环境与气候特点，形成了一套系统、完整、全面、合理的解决方案，为矿山基础数字化管理及安全运营提供数据和技术支持。

（1）三维地质模型

以地形地貌、地质矿产、探矿工程等静态要素为基础，根据矿山不同阶段的勘探数据，建立三维地质孪生模型，形成初始模型、终了模型和动态模型，实现动态化管理。地质模型可用于统计储量的保有量，同时用于矿山计划编制，生产组织。

（2）矿山越界开采预警系统

以三维地质模型为载体建立矿区范围电子围栏，利用车载定位系统，实现自动预警或报警。

（3）全方位视频监控系统

利用视频监控系统实现整个矿区各个环节的实时监控。

（4）粉尘实时监测系统

在规定测尘点位安装粉尘实时测试仪器，实现超标预警。矿区粉尘可以通过实时监测数据查看，具有历史监测数据、历史报警信息查询与导出功能。

（5）人员车辆实时定位系统

该系统能够实时准确地提供矿区人员的身份和位置。车辆定位系统，具有查看车辆行驶轨迹、行驶速度、历史线路、行驶里程、电子围栏越界报警、疲劳驾驶、一键预警等功能。

（6）数据集成平台

集成开采−铲装−运输−配矿−加工−销售等全流程全环节生产数据以及安全生产、生态环保等多领域信息，可实现对历史数据的随时抽取。

（7）场景应用平台

运用生产作业各个环节的集成数据，涵盖生产作业过程的可视化展示、监控、预警、查询、统计等功能，实现对资源管理、生产状况、安全与环境监测、人员和设备实时状态等各方面的系统集成和一屏展示功能。

以地质勘查报告为基础，结合矿山储量年报和生产实际，将多种三维地理信息数据（如实景三维模型数据、建筑信息模型BIM数据、地下空间模型数据等）融合，建立三维地质孪生模型，具备为越界开采预警、视频监控、粉尘实时监测、人员车辆实时定位等提供基础的三维底座，实现矿山资源精准化、可视化、动态化管理。

（1）矿山实景三维建模

无人机五镜头倾斜摄影通过从1个下视、4个倾斜的5个不同视角同步采集影像，获取更丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，通过使用ContextCaptureCenter等建模软件建立带有空间位置的三维模型，再使用DPModeler修模软件对模型精修，剔除异常模型，增加模型中缺失或被遮挡部分，完善模型质量，生成实景三维模型。矿山实景三维模型如图1所示。

图1　矿山实景三维模型

（2）BIM建模

采用Revit建模软件，结合矿山地质勘查报告及相应的钻孔数据、勘测数据、随开拓而不断揭露的地质和工程数据，建立矿山BIM的信息化参数模型，提供定位、距离测量、面积测量等基本功能，对矿山地质结构进行可视化展示。BIM模型如图2所示。

图2 BIM模型

（3）矿山三维地质模型展示

三维地形地貌展示系统将通过对接天地图等主流在线地图，作为二维场景底图，加载等高线、地质界线等重点关注的图层数据。按照矿山实际数据构建露天矿山安全生产作业场景，包括露天采场周边地形地貌、露天采场、工业广场、露天采场作业设备等，实现钻孔数据、生产计划等数据成果，叠加三维实景数据、BIM模型数据，基于专业地图服务软件发布二维、三维基础地理数据，在场景应用平台集成显示。三维地质模型如图3所示。

图3　三维地质模型

（1）矿山越界开采预警系统

通过矿山三维地质孪生模型，集合最新矿区开采界线数据及无人机巡查数据，在系统中设定矿区开采范围的虚拟电子围栏，结合人员车辆实时定位系统，利用车载高精度定位在三维场景中实时绘制车辆位置信息，当开采设备不在矿界范围内时，车辆定位系统会提示预警信息，同时三维场景中以异常状态标识车辆位置，实现越界实时预警，并自动记录越界历史数据。矿山越界开采预警系统如图4所示。

图4　矿山越界开采预警系统

（2）全方位视频监控系统

利用视频监控系统实现整个矿区各个环节的实时监控，以及全线生产活动现场智能视频监控网络的覆盖。支持现场监控大屏、现场终端等多终端查看，支持二维、三维场景下的视频快速整合调度；支持多源数据的接入和融合，实现对各类资源的可视化展示及综合监控管理。同时依托虚实融合的三维场景，融合矿区内各相关业务系统的物联网数据，实现对人员、车辆、设备设施等进行实时监控与可视化管理。

（3）粉尘实时监测系统

矿山粉尘监测系统实现对粉尘的在线实时监测，以及对监测点的扬尘、噪声、气象参数等环境监测数据进行采集、存储、加工和统计分析，监测数据通过有线或无线方式传输到后端平台。粉尘实时监测系统综合工业控制和现代软件技术，可实现粉尘防控的智能化和人性化，帮助监督部门及时准确地掌握矿区的环境质量状况和施工过程对环境的影响程度。粉尘监测设备如图5所示。

图5　粉尘监测设备

（4）人员车辆实时定位系统

人员车辆实时定位系统主要针对矿区内的人员、车辆等进行监控，利用视频监控技术，可实时准确地提供矿区人员、车辆的身份和位置，减小安全隐患区域对生产过程的影响，从而提高生产效率，为安全生产保驾护航。

（1）智能化管理平台系统构架

智能化管理平台系统总体架构自下而上由设施层、数据层、支撑层、应用层和用户层组成，如图6所示。

图6　智能化管理平台系统总体架构

设施层是指数字化矿山平台建设和运行维护的主要环境支撑，包括软件环境、硬件环境、网络安全设备、网络通信设备等基础设施，为数据存储、读写和系统运行提供稳定高效的服务，是平台运行的基础。

数据层包括基础地理数据库和矿产业务专题数据库。基础地理数据库主要由二维、三维地理信息数据库组成，专题数据库主要是矿产业务专题数据。所有数据在时间序列框架体系下按时间有序存放，形成空间化程度高、时间属性明朗的时空信息数据集。

支撑层是指数字化矿山平台建设和运行所需的软件支撑服务和通用组件，其中支撑服务包括数字化管理、数据服务、应用服务、运维服务等。

应用层针对数字化矿山平台的具体需求实施，实现多种具体的信息化管理及服务，包括三维动态展示、统计分析等。

用户层主要包括矿山平台应用单位的领导、业务人员等。系统根据各业务人员的特点以及职能，并按照一定的权限分配原则，支持基于角色和基于对象的精细化权限管理。

（2）数据集成平台

数据集成平台支持基于物联网技术的数据接入标准规范，系统可通过OPC、TCP/IP等协议对接数据，同时支持SQLServer、Oracle、MySql等方式读取数据库数据。

数据集成平台支持与越界开采预警、全方位视频监控、粉尘实时监测、人员车辆实时定位4套系统进行数据对接，通过读取仪器监测数据，实时传入数据中心，获得开采范围数据、开采采集数据、视频监控数据、粉尘监测数据、人员车辆生产定位数据等开采−铲装−运输−配矿−加工−销售等全流程全环节的生产数据以及安全生产、生态环保等多领域信息。

数据组织通过统一编码，统筹规划，建立平台数据中心，保证高效的查询效率，以便在数据或图件检索时能够快速地从海量数据中得到相应的结果。通过数据库技术集中管理多源数据，同时通过文件的形式管理文件资料数据。数据库系统的设计，在遵循国家标准和颁布的行业标准、数据库设计规范的基础上，结合业务系统的实际需要进行建设，并通过汇集相关基础数据以及专业设备采集数据，从而形成数据中心，实现多种原始数据的转换与融合、多种数字矿山三维模型的数据导入导出、加工与处理等，实现资料的查询、应用和数据共享。数据库建设过程如图7所示。

图7　数据库建设过程

（3）场景应用平台

建设场景应用平台的总体目标是运用生产作业各个环节的集成数据，涵盖生产作业过程的可视化展示、监控、预警、查询、统计等功能，实现对资源管理、生产状况、安全与环境监测、人员和设备实时状态等各方面的系统集成和一屏展示。通过场景应用平台建设，实现对矿山生产环境、生产状况、安全与环境监测、人员和设备实时状态，以及所有系统产生的数据透明化管理，一屏展示。

场景应用平台输入了矿山三维可视化虚拟仿真模型，接入数字矿山4个系统内容，实现虚拟现实的综合显示和各系统的集成可视化平台。作为矿山生产、安全的综合监视和管理场景应用平台，可实现矿山生产的可视化集中管控。同时实现与相关系统的数据对接，并为未来其他信息化相关系统预留数据接口。

场景应用平台结合矿山三维地质孪生模型，可实现对矿山地上地下、矿区环境的可视化漫游，包括地图放大、缩小、移动、旋转、快速定位，定义了特定场景、动画导航，并实现各类信息在三维实景上的综合查询分析。同时利用空间数据库将矿山多源空间数据汇聚、整合、存储，实现数据的一体化管理。

场景应用平台可实现各项系统应用一屏展示，通过大屏幕显示系统，将矿山三维地质孪生模型、矿山越界开采预警系统、全方位视频监控系统、粉尘实时监测系统、人员车辆实时定位系统等各类系统数据集中统一显示，既可以直观查看各个系统统计数据，分析矿区作业现状，同时又能通过多系统数据融合分析的方式，深度挖掘矿区运行数据，提升矿山生产运营效能。智能化管理平台如图8所示。

图8　智能化管理平台

笔者通过“142”体系建设，在浙江某露天石料矿实现了矿山地质储量计算、开采计划编制、生产和设备过程管控、安全预警等功能，该体系还可以整合矿山各个业务部门的数据和业务流程，实现全面数字化管理，提高生产效率和管理水平，保障矿山数据的安全性和可靠性。智能化管理平台以信息化、自动化和智能化带动传统矿业的转型和升级，可以满足数字矿山建设的要求，提升了矿山智能化管理水平，全面实现透明化生产，提高管理效率，降低综合成本，提高企业在市场的竞争力。此外，智能化管理平台还具有良好的扩展性和灵活性，可以适应不同类型矿山的需求，并支持可持续发展的需求，实现智能化绿色矿山建设。