基于三维GIS的矿山计量管理系统
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作者:郑磊
摘 要：智慧矿山建设是未来的发展趋势与必然方向，而对矿车的管理以及采矿量的计量更是重中之重。随着物联网、互联网等新技术的飞速发展，基于互联网的GIS技术逐渐应用于矿山计量管理。基于以上背景，文章重点探讨了矿山计量管理系统的构建与关键技术，以北衙礦区为对象，设计和开发了一套基于三维GIS的矿山计量管理系统，实现对矿车和采矿量的实际监控、自动调度以及可视化、数字化、智能化控制，为矿山企业提供一个统一、融合、智能、高效的矿山计量管理平台。
关键词：三维地理信息系统;全球定位系统;矿车;计量;物联网
我国经济飞速发展，对矿产资源的需求猛增，其中矿山管理至关重要。传统矿山的管理存在一矿多开、成本高、管理低效、生产效能低等问题。如何对矿山进行高效精细管理一直受到关注。随着地球空间信息技术和计算机技术在采矿行业的不断应用和发展，特别是数字矿山的提出，矿山的管理由传统的“粗犷式”管理模式转向现代化、精细管理模式[1]。研发一套科学、高效的矿山计量管理系统对矿山经济、生产和安全具有很强的现实意义和使用价值。
在现代化矿山管理中，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术发挥着重要作用[2]。矿山管理通常会涉及复杂海量的数据集，包括矿山地理环境信息、矿山资源信息、管理信息、工程信息、人员信息等[3]。GIS能够将矿山地质测绘中的多种信息与数据进行整合，使其形成一个整体，为矿山开发工作提供更多的理论依据。传统的二维GIS空间尺度感较差，无法实现精确定位，也比较难用于三维场景的模拟和展示[4]。近年来，随着技术的发展，三维GIS已被应用于各个领域，且在矿山领域的应用也越来越广泛，相比于二维GIS，空间信息的展示更为直观。
为了实现矿山采矿量信息管理的自动化和数据可视化、车辆管理与调度的自动化与实时化，同时，为了便于异地管理人员、矿上管理与操作人员浏览、管理矿场的运作信息，本研究以云南北衙矿山为例，研发基于三维GIS的北衙矿山计量管理系统。该系统能够实时显示所有运输车辆的信息、获取并显示车辆的位置，能够自动计算矿车的运矿量，同时可直观地展示、查询、统计、分析运矿信息，并使用二维和三维的方式直观地展示给管理人员。
1 矿山计量管理系统的功能设计
1.1 系统功能需求分析
需求分析使得用户和开发者之间建立共识，从而确保系统最终能够满足需求[5]。结合当前矿山矿车作业的实际情况，利用现有的GIS技术，建设矿山计量管理系统，使得日常管理更加标准化、流程化、规范化，以节约成本、提高效率。
（1）矿山计量涉及矿车监控、测量、数据处理、信息查询等作业。传统的人工计量方法精确度低、效率低、耗时高、成本高，已无法满足当前信息社会的发展需求。矿山的计量主要包括对矿车的实时监控、精准地获取矿车的运输距离和运输矿产量以及数据统计。
（2）矿车监控包含多种要素，如矿区三维展示、矿车实时位置展示、矿车运输轨迹展示、矿车历史轨迹展示。采用GIS技术集成矿山文档对象模型（Document Object Model，DOM）影像数据和高精度数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据实现矿区的三维展示。利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术实现矿车位置的实时获取，在此基础上展示运输距离的计算和轨迹信息。利用端口协议通信技术获取地磅数据，进一步计算每辆矿车每趟运输的矿产量。
（3）矿山计量管理的目的是利用GIS技术、GPS技术、物联网技术等实时地监控每一辆矿车的作业情况，精确地统计出每一辆矿车的运输距离，同时结合地磅数据自动化地获取重量数据。实现计量管理的透明化、合理化、精确化以及自动化、数字化、可视化、智能化，以降低成本、提高效率。
1.2 系统结构设计
基于B/S的组织模式，使用Web方式开发矿山计量管理系统，实现矿产量信息、矿山地形及矿车信息获取、存储、展示、分析的一体化管理。系统分为客户端、服务端、数据库3个层次，如图1所示。
1.2.1 客户端
用户通过浏览器打开系统登录页面，客户端向服务端发出登录请求，服务端接收到请求且验证登录信息通过后，可在浏览器展示系统首页和系统各功能。用户根据需要点击不同功能菜单、操作不同页面，进行查询、分析、编辑等操作。
1.2.2 服务端
服务端是整个系统的核心部件，客户端的所有请求都需要服务端处理，所有数据信息只有通过服务端才能给客户端提供展示。主要包括：（1）用户和登录管理。对系统访问做严格限制，只有系统授权的合法用户才能登录系统进行相关操作，以保证系统和数据安全。（2）三维模型构建及展示。采用Web版的GIS三维渲染引擎Cesiumjs，集成1∶2 000的矿山DOM影像数据和高精度矿山DEM数据，在动态构建的三维空间场景中对矿山及矿车三维轨迹显示信息的分层表现、空间表现和立体表现。（3）矿车实时位置获取。基于GPS技术、矿车搭载GPRS通信协议的GPS芯片，实时发送矿车位置信息到服务端，服务端将位置信息存入数据库，用于矿车运输距离计算、实时位置展示及轨迹展示。（4）地磅数据采集。根据地磅的型号和传输指令编写地磅数据获取工具，结合矿车自动识别模块，将当前地磅数据与矿车进行关联并获取矿车所运输矿产重量。（5）矿车自动识别。采用基于卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）的方法实现矿车号码的自动识别。
1.2.3 数据库层
数据库层是整个系统的数据源，用于存储系统收集和生成的各种数据，为系统业务提供数据支撑。三维信息数据库包括高分辨率影像和高精度地形数据。业务信息数据库采用MySQL AB公司的关系型数据库管理系统MySQL，存储GPS定位位置坐标信息、采矿量信息、矿车信息、用户信息等。 2 矿山计量管理系统核心功能开发与应用
本系统包含3大功能模块：信息综合管理模块、矿车管理模块、系统支撑模块，系统具体功能如图2所示。系统体现3大定位：（1）实时获取并显示运输矿车的精准信息。（2）自动化获取运输矿车的运输量、识别码等信息。（3）丰富灵活的信息展示、查询与统计。
2.1 核心功能开发
2.1.1 信息综合管理模块
信息综合管理模块包含的功能为：信息查询展示和数据统计，在矿山的日常运作过程中，会大量产生实时位置坐标、运输距离、运输重量以及矿车运行等信息，系统借助结构完善的MySQL数据库存储这些信息。本模块能够提供便利的各类信息检索查询，并以表格、图表的形式进行直观展示。同时，提供灵活多样的统计功能，为管理人员了解矿山的整体运作情况提供便利。
2.1.2 矿车管理模块
矿车管理模块包含的功能为：（1）矿车信息维护，将矿车信息录入系统以便于查询管理。（2）矿车GPS定位，基于GPS技术获取矿车的实时位置信息、运输距离信息和运输轨迹信息。（3）矿车监控管理，在获取GPS定位信息的基础上可对矿车进行实时监控和轨迹展示。（4）矿车自动识别和重量获取，自动识别矿车号码和获取矿车通过地磅时的称重数据，并将号码和重量数据关联后存入数据库。
2.1.3 系统支撑模块
系统支撑模块包含的功能为：（1）系统登录，对客户端发起的系统登录请求进行合法性验证，保证系统只对合法用户提供服务。（2）用户和权限管理，管理可登录系统的用户并给用户分配相应权限。（3）三维配置展示，借助高分辨率遥感影像和高精度的地形数据实现矿区的三维展示，以及矿车实时位置和轨迹信息的三维展示。
2.2 核心功能应用
2.2.1 信息综合查询
系统首页实时显示所有矿车的当前运行状态、当天采矿量信息、当月采矿量信息及总采矿量信息，如图3所示。通过表格、图表等多种样式展示，为管理人员监控矿车提供便利。
系统提供灵活的查询功能，能够查询一段时间内矿山的采矿量并分析其趋势;输入矿车编号可查询当前时刻该矿车的位置、该矿车历史运输情况;可查询一定时间段内某辆车或者所有矿车的运输情况和轨迹信息等。
系统提供丰富的统计功能，可以统计某辆矿车、所有矿车在某一时间段内的运输距离信息和采矿量信息，并使用直方图、线性图等形式进行展示，同时能够自动制作数据报表并输出，方便管理人员统计报表。
2.2.2 矿车信息维护
通过矿车信息维护功能对矿山所有矿车信息进行管理维护，只有通过该功能录入的矿车才是系统中的有效矿车。矿车信息维护页面默认分页显示所有车辆信息，每页显示10条，点击分页按钮可查看相应页面的矿车信息。通过页面的添加车辆和批量添加功能，可以手动录入和通过Excel表格导入的方式录入矿车信息，包括矿车编号、空车重量、车型、司机、司机手机号、所属车队、GPS识别码、SIM卡号等信息。
2.2.3 重量获取及矿车自动识别
在矿车运输矿产过磅称重时，地磅获得矿车的运输重量信息;同时，通过部署监控摄像头，利用基于CNN实现的自动化信息识别技术，识别矿车编号。完成后，将获取的运输重量信息以及矿车编号信息传送给服务端。服务端根据编号匹配矿车净重，运输重量减去矿车净重可得本次矿车运输的矿产重量，并存入数据库。
2.2.4 缓冲区分析
缓冲区分析包括点、线、面的分析，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立一定宽度的多边形。点缓冲区用于确定矿车运输的起点和终点;线缓冲区用于规划矿车的运输路径;基于缓冲区结合GPS定位信息进行矿车运输距离的计算。
2.2.5 GPS定位及三维信息展示
借助GPS定位技术在矿车上搭载GPS芯片，实现对运输矿车的高精度定位。GPS終端实时向服务端发送位置信息，服务器端接收到位置信息后存储到数据库中。基于GPS定位建设3个功能：（1）矿车的实时监控，展示矿车的实时位置及当前工作状态。（2）在三维场景中展示矿车的实时位置和运输轨迹。（3）结合起点、终点缓冲区以及运输路径缓冲区计算矿车运输距离。
客户端提供三维展示界面，通过服务端查询数据库中矿车的位置信息，实时显示矿车的运行位置及矿车运行轨迹，以便在阶梯状矿山中展示矿车的位置。如图4所示，系统可以展示实时位置信息和历史运输轨迹信息。
3 结语
在矿山管理智能化的趋势下，本研究详细讨论了矿车管理及采矿计量管理系统的设计与构建。本系统采用B/S架构的Web方式，基于三维GIS，GPS等技术实现矿山及矿车实时位置和运输轨迹的三维展示。结合物联网技术，实现矿车位置数据和地磅数据的实时获取与存储。其中，矿车号码自动识别是基于CNN实现的，预先采集大量可明显显示矿车编号的视频和图片，进行数据处理与训练得到特征矩阵。可精确地识别每一辆经过地磅的矿车编号，结合地磅数据得到每辆矿车每趟运输的运输距离和采矿量，提供丰富智能的信息查询统计功能，方便管理人员指导决策。
本系统采用多种新技术，结合矿山智能化管理的实际情况实现对矿车和采矿量的实时监控以及自动化、数字化、可视化、智能化控制。本研究开发的三维矿山计量管理系统，根据矿山的实际开采和运输而设计，当监测区域发生变化时，只需要重新设计和更新数据库表格和三维影像数据，而基本设计框架保持不变，具有较广泛的适用性。
[参考文献]
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[3]宋海萍，张锦，王爱爱，等.基于GIS的矿山工程管理系统技术体系设计和应用[J].山西煤炭，2011（5）：51-53，72.
[4]李国鑫，袁海涛，陈宜金.基于三维GIS的数字矿山综合管理系统的研究和应用[J].黑龙江科技信息，2011（23）：44.
[5]李大章，顾和和，李研岩，等.基于ArcGIS Engine的矿山土地管理系统设计与开发[J].工程勘察，2013（4）：61-63，81.
Designed on a three-dimensional GIS-based mine metrological management system
Zheng Lei
（Beijing Sankuai Online Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）
Abstract：The construction of smart mines will become an inevitable trend in the future and its top priority will be the management of mining cart and the measurement of mining volume. With the rapid development of new technologies such as the Internet of Things and the Internet， GIS technology based on the Internet is gradually applied to the metrological management of mine. In this context， this article focuses on the construction and key technologies of the metrological management system of mine. Taking Beiya mining area as an object， a three-dimensional GIS-based metrological management system is designed and developed to realize the actual monitoring and automatic scheduling of mining cart and mining volume. With this system， visual， digital and intelligent control is achievable. It provides a unified， integrated， intelligent and efficient platform for mining enterprises in metrological management.
Key words：three-dimensional geographic information system; global positioning system; mining cart; metrological managemen; Internet of Things
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