9054006面向智能开采的煤矿安全高效生产空间信息处理关键技术与应用

2019年度国家科学技术进步奖提名项目公示材料一、项目名称面向智能开采的煤矿安全高效生产空间信息处理关键技术与应用二、提名者和提名意见提名者：中国煤炭工业协会提名意见：针对数字煤矿、智能煤矿建设对空间信息处理的实际需求，项目组主要研发单位组织攻关，20年来以开发我国自主知识产权的软件系统为己任，矢志不移，在地理信息系统理论、煤矿数据处理专业核心技术等方面都取得了实质突破。相关应用单位也精诚合作，为核心技术的不断创新以及软件系统的实用化和更新换代奠定了坚实的基础，最终实现了煤矿多部门、多专业信息的共享和动态处理，使安全生产技术管理工作由原始落后的手工处理阶段跃入信息化时代，改变了煤矿的管理模式。项目成果已经在国内连续应用超过20年，已经在我国主要产煤省份主要国有大中型矿井和部分民营矿井得到实际应用，产生了显著的经济和社会效益，为行业政府监管和智能煤矿的建设奠定了坚实的信息化基础。2015年，项目的相关成果得到了我会和专家的高度肯定，被授予22项“煤炭行业科技创新示范工程”之一，而且是唯一一家为煤炭企业服务的高科技企业。推荐该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介井工煤矿生产是一个复杂的巨系统，相关信息属于空间信息的范畴，如何实现对煤矿空间信息的共享、协同、快速和可视化处理，是实现其智能开采必须解决的关键技术之一。长期以来，无论是国外的ArcGIS、AutoCAD、MicroMine，还是国内自主研发的其它软件系统，都缺乏井工开采煤矿专业空间信息核心技术的实质创新，软件系统的实用性不强，严重阻碍了煤矿的两化深度融合和智能矿山的建设。为此，从1997年开始，课题组就组织攻关，在理论、核心技术和系统设计等方面都取得了突破，开发了在我国煤炭工业得到广泛应用的专业软件系统，代替了软件进口，实现了对煤矿安全生产运营“看得见、管得了、控得住”和“一盘棋、一张网、一张图、一个库”的新型管理理念，完成了Internet+煤矿的目标，为智能开采奠定了坚实的基础。项目取得的主要创新研究成果：（1）针对煤矿空间信息具有“部分已知，部分未知，动态变化”的特点，创造性地提出了灰色地理信息系统(GGIS)的理论和系统设计，弥补了传统地理信息理论（GIS）和技术方法不能很好地处理地下资源开采数据的缺点。（2）提出了动态处理煤矿空间信息系列化核心技术，如自动构建包括逆断层在内的复杂地质构造三维动态地质模型，解决了自适应动态修正煤层空间形态，使之“由灰变白”的技术难题；自动处理地测防治水、“一通三防”、采矿和供电设计图形及文档，克服了CAD和非煤矿专用GIS处理空间信息自动化程度低、图文处理分离的缺点。（3）提出了构建透明化矿山的数据处理架构和数据处理机制，实现了二三维系统图形联动和地层、巷道、开采环境、机电设备等数据的动态更新和实时展示，为智能开采的远程井下巡检和可视化控制提供了高技术保证。（4）研发了多级架构分布式协同GIS“一张图”图形处理、大数据分析服务管理技术和平台，构建了煤矿协同图形处理的网络数据传输通信机制、协同作业体系结构以及大数据分析模型库和知识库，保证了空间信息的共享性、一致性、完整性和现势性，提高了安全管理水平。（5）开发了统一的煤矿安全生产信息共享平台，彻底改变了煤炭工业安全生产的管理模式，实现了煤矿地测、采矿、机电、通风、安全、监测、调度等多部门数据和业务的横向无缝集成，矿井、二级公司、集团业务管理的纵向无缝集成，为智能煤矿的建设提供了先进信息化管理手段。项目获得国家科技部中小企业创新基金和国家十二五重大专项、主题863的支持。研究成果经过查新和专家鉴定，国内外未见相同内容报道，达到国际领先水平。项目申请实用新型专利1项，出版专著1部，发表论文90篇，计算机软件著作权100项，获省部级和行业协会一等奖3项，培养研究生80人。基于主要创新成果开发的软件系统和产品产业化十分成功，研究、开发和服务团队也已经超过330人，直接经济效益达10亿元；目前，最早用户已连续使用相关成果20年，采用本系统的煤矿等单位已达1500余家，在国内国有大中型煤矿专用地理信息系统领域的市场占有率大于80%，全行业第一，近3年为企业增加产值80亿元，利润15亿元。四、客观评价1、项目成果与国内外技术比较（1）国外与矿山空间信息相关的研究和应用主要侧重金属矿山、露天矿领域。主要软件技术特点如表1所示。表1国外主要矿山软件技术特点软件名称主要应用领域核心技术特点共性的问题DataMine金属矿山、露天矿CAD技术。矿床建模、专题图形处理及可视化功能强大。设计、制图功能强，管理、分析功能弱；缺乏对空间数据的拓扑表达、处理和协同服务，不能很好地处理煤层包括逆断层在内的复杂地质构造及其组合三维动态建模，空间数据处理的自动化程度低Surpac金属矿山、露天矿CAD技术。集成地测信息管理、矿床模型、矿山生产规划及设计、工程量验算、生产进度计划编制等功能。MineScape金属矿山、露天矿CAD技术。基于三维CAD技术的地质建模和采矿辅助设计MineSight金属矿山、露天矿CAD技术。专业的矿山规划软件，包括勘探规划、地质建模、采矿工程及资产评估等对于层状矿床的煤矿开采而言，国外矿山软件一方面没有适用国内井工煤矿的数据动态修正、专业应用等功能；另一方面也缺乏空间信息服务方面的支持，多局限于工程设计和管理，无法实现更高级的分布式协同数据集成分析、管理决策支持等，无法为井工煤矿的智能开采提供处理全业务流程并满足实际需求的信息网络服务。所以，目前，没有国外相关矿山软件在国内井工开采煤矿日常生产成功应用的报道。（2）国内在煤矿空间信息管理研究方面，出现了一些面向地测、通风、机电、生产等单独专业的成果和产品。但总体来看，本质主要还是基于AutoCAD技术，软件系统缺乏统一平台、统一数据存储、统一集成服务的产品，数据孤岛严重。主要问题如下：1）没有建立煤矿空间信息服务的标准规范。系统建设，标准先行。虽然国内已经制定了一些针对单一专业的信息化（如瓦斯监测）标准，但还没有形成满足整个矿井空间信息管理完整业务流程信息化的详细标准。2）缺乏空间信息分布式协同和透明化矿山构建关键技术的研究和应用。煤矿是典型的多专业协同应用，但国内外著名的通用GIS软件，如ArcGIS、SuperMap等，主要侧重强大的空间数据管理，缺乏工业级别分布式协同工作、煤矿专业功能等，很难在煤炭行业实际应用。3）对新技术的研究和应用滞后。由于缺乏完整业务流程的信息化及专业系统的高度集成，空间信息、云计算、大数据、物联网等新技术无法快速在行业内深度应用。4）未见通用GIS在我国煤炭工业业务全流程（采、掘、机、运、通；水、火、瓦斯、顶板）日常生产实际应用的报道。5）其他煤矿空间信息管理软件的市场占有率低，项目组成果居绝对领先地位，稳居行业第一。见附件**。2、成果鉴定、验收评价或获奖（1）2007年8月20日，国家教育部在北京组织并主持召开了“基于组件技术的煤矿地测空间管理信息系统”项目的科技鉴定会，专家鉴定意见肯定了如下创新：1）该项目基于煤矿，特别是井工煤矿开采的特点，创造性地提出了灰色地理信息系统的理论和技术方法，开发了具有我国自主知识产权的软件系统，……；2）……实现了地质、测量、储量、水文等专业功能的组件式管理，构建了支持煤矿安全生产的集成数据处理平台，……，为采矿、机电、通风、监测调度、安全管理等应用系统的集成奠定了基础；3）根据煤矿开采获取的最新信息自动生成或动态修改已有的图形；……。评价结论为：总体达到了同类系统的国际先进水平，在煤矿地质与测量空间信息管理和图形处理方法达到了国际领先水平。2007年获国家教育部科学技术进步奖一等奖。见附件**。（2）2013年12月28日，中国煤炭工业协会在北京组织召开了“王家岭煤矿高精度三维动态地质模型构建关键技术的研究和应用”项目成果鉴定会，专家鉴定意见肯定了如下创新：1）……，构建了三维动态地质模型；……动态修正地质模型；2）提出了包括复杂地质构造、陷落柱、采空区、积水区等含煤地层高精度三维模型，……；3）提出了煤矿高精度地质模型二位、三维一体化技术。评价结论为：研究成果达到国际先进水平，属国内首创。2014年获中国煤炭工业协会科学技术进步奖一等奖。见附件**。（3）2018年12月18日，中国煤炭工业协会在北京组织召开了“煤矿空间信息服务与管理关键技术研究及产业化应用”项目成果鉴定会，专家鉴定意见肯定了如下创新：……；3）研究并实现了多级架构的基于GIS的分布式协同“一张图”图形和属性信息服务技术。……，研发了与“采、掘、机、运、通”和“水、火、瓦斯、顶板”相关的图形处理和分析技术，解决了……共享性、一致性、完整性和现势性问题；4）……，通过二、三维一体化机制建立了可动态更新的……透明化矿山……；5）研发了基于煤矿大数据的安全生产智能分析与预警模型和实现技术，……，诊断……预测未来安全生产形势；6）研发了……适应……大型煤矿企业集团安全生产系统集成技术和软件平台，实现了“看得见、管得了、控得住”和“一盘棋、一张网、一张图、一个库”的管理理念。评价结论为：研究成果达国际领先水平。2017年获中国煤炭工业协会科学技术进步奖一等奖。见附件**。（4）2015年3月，“煤矿地理信息系统开发与应用”，被中国煤炭工业协会授予22项“煤炭行业科技创新示范工程”之一。其中，21项成果由煤炭企业集团完成，本项目成果由申报单位北京龙软科技股份有限公司完成。见附件**。五、应用情况本项目技术成果主要应用于煤炭企业，主要通过自主研发的煤矿专用地理信息系统平台和系列化软件子系统，解决了煤矿空间信息“动态、实时、协同”建模及处理的难点问题，实现对煤矿空间信息的共享、协同、快速和可视化管理。同时，本项目技术也是实现智能开采的关键技术之一，通过建立煤矿安全生产运营“看得见、管得了、控得住”和“一盘棋、一张网、一张图、一个库”的新型管理模式和数据处理方式，为实现煤矿智能开采、少人开采奠定坚实的基础。1997年起，基于本项目技术的相关产品已逐步应用到全国18个产煤省份的超过1500家矿井和相关研究单位、高等院校（用户列表参考附件*），其中煤矿专用地理信息系统覆盖了国有大中型煤炭企业80%的多（计算依据和方法参考附件*）的煤矿企业。以煤矿空间信息管理专题地图处理为例，自上世纪80年代计算机技术引入我国煤炭工业开始，国外的AutoCAD软件一直是这方面应用的主要软件。基于本项目核心技术开发的“煤矿地测空间管理系统”产品推广应用以来，在可统计的国有大中型矿业集团下属煤矿中，逐步实现了对包括国外AutoCAD、ArcGIS等产品的替换，代替了软件进口，使我国煤矿空间信息的管理工作由原始落后的手工处理阶段进入信息化时代。以煤矿空间信息管理为基础，本项目技术成果还应用到了煤矿企业、煤炭集团的一体化安全生产管理方面。例如，阳煤集团采用本项目成果建立了“安全生产运营管理平台”，将集团各部室、下属17对矿井安全生产管理的额全业务流程全部纳入一体化平台管控，各单位安全生产相关工作均在该平台上完成，矿井的日常采掘情况、实时安全状况、设备运行情况等“一览无余”，并通过大数据分析计算给出安全生产管理的问题及建议，实现了对全集团煤矿安全生产业务的统一调度、协同管理、智能决策。类似的产品还在临沂矿业集团、平煤集团、神东集团等单位应用。随着这些产品的推广应用，彻底改变了我国煤炭工业安全生产的管理模式，实现了煤矿地测、采矿、机电、通风、安全、监测、调度等多部门数据和业务的横向无缝集成，矿井、二级公司、集团业务管理的纵向无缝集成，为智能煤矿的建设提供了先进信息化管理手段。基于本项目技术成果开发的产品已应用到国内主要大中型矿业集团和部分地方或民营矿井。为了阐述问题的方便，下面分别选取15家大型矿业集团的一个典型矿井作为主要应用单位代表，如表2所示。表2主要应用单位情况表序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人/电话1山西新景矿业有限责任公司（阳煤集团）部分技术生产技术部门，全面使用2003年10月至今吴利群