矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统开发

摘要

　　在矿山测量工作中，矿山软件是必不可少的，利用矿山软件可以处理矿山测量多个方面的数据。目前，由于国内关于矿山测量信息管理系统与开发这方面的软件并不完整，对于矿山测量的工作任务处理的不够全面，也不够深入，这给矿区的安全生产带来了麻烦与困难。围绕这一需求，需要一套完整的有关矿山测量数据处理的软件辅助矿山的安全生产。针对这一突出问题，作者进行了进一步的研究

　　1）本文对矿山测量工作进行了分析，分四个方面（水准、导线、开采沉陷和贯通）对矿山测量软件进行开发。其中本文第一部分为数据库部分，矿山测量得到的数据量大，且具有更新速度特别快的特点。基于此种需要，本文采用可实时动态更新数据的Access数据库作为存储矿山测量数据的数据库。通过OLEDB接口链接VisualStudio2015平台，通过面向对象的C#高级语言，以。NETFramework为架构和MicrosoftAccess数据库管理技术结合，实现矿山软件与数据库之间的交互，从而实现了矿山测量管理系统与开发软件的可视化。

　　（2）第二部分为核心部分，为了完成矿山测量任务，首先水准网的平差问题尤为重要。本课题设计，使用了更容易编写代码的间接平差进行水准网的平差问题，要实现矿井的井上下联系测量，导线网平差的精度也变得尤为重要，为了实现矿井的联系测量，利用间接平差模型编写了平差程序及精度评定的计算机算法实现导线网平差计算；矿山开采沉陷预计对矿山的安全生产特别重要，采用智能优化算法（遗传算法和模矢法）实现对概率积分法参数的求取，编写以概率积分法为基础的算法，实现开采沉陷的预计；为了加快巷道掘进的速度，在贯通点的预计变得尤为重要，本文利用贯通预计公式结合相关案例，实现了对贯通预计点的预计，预计精度达到了工程要求的范围。

　　（3）通过对矿山测量相关工作需求分析，该软件实现的主要功能包括数据库管理、水准数据的处理、导线网数据的平差处理、开采沉陷预计与参数的求取、贯通方案的设计及贯通测量误差的预计、数据精度的分析及数据格式的管理。该软件将数据综合管理，更多避免了人工参与计算，就可以得到数据处理成果，为后期矿山巷道的掘进、中腰线的布设、保护煤柱的留设、开采沉陷的预测及开采后的填充、煤层的开采等提供了有力的条件，更加提高了数据处理的精度，对矿山安全起到了重要作用。本系统的功能在矿山测量工作方面的普遍适用性较强，有一定的实用意义和参考价值。

　　关键词：矿山测量；数据库管理；平差程序；误差预计；可视化

abstract

　　In mine survey, mine software is essential. Using mine software can process many aspects of mine survey data. At present, due to the incomplete software of mine survey information management system and development in China, the processing of mine survey tasks is not comprehensive or in-depth, which brings trouble and difficulties to the safety production in the mining area. Around this demand, a complete set of software related to mine survey data processing is needed to assist mine safety production. In view of this prominent problem, the author makes further research

　　1） This paper analyzes the mine survey work, and develops the mine survey software from four aspects （leveling, traverse, mining subsidence and penetration）。 The first part of this paper is the database part. The data obtained from mine survey is large and has the characteristics of fast update speed. Based on this need, this paper uses the access database which can dynamically update the data in real time as the database for storing mine survey data. Link visual studio 2015 platform through OLEDB interface, and use object-oriented c# high-level language to. Net framework is a combination of architecture and Microsoft Access database management technology to realize the interaction between mine software and database, so as to realize the visualization of mine survey management system and development software.

　　（2） The second part is the core part. In order to complete the task of mine survey, the adjustment of leveling network is particularly important. In the design of this subject, the indirect adjustment which is easier to write code is used for the adjustment of leveling network. In order to realize the up-down connection measurement of mine, the accuracy of traverse network adjustment has become particularly important. In order to realize the connection measurement of mine, the adjustment program and the computer algorithm of accuracy evaluation are compiled by using the indirect adjustment model to realize the calculation of traverse network adjustment; The prediction of mining subsidence is particularly important for mine safety production. The intelligent optimization algorithm （genetic algorithm and modulus vector method） is used to obtain the parameters of probability integral method, and the algorithm based on probability integral method is compiled to realize the prediction of mining subsidence; In order to accelerate the speed of roadway excavation, the prediction of penetration point becomes particularly important. This paper uses the penetration prediction formula combined with relevant cases to realize the prediction of penetration prediction point, and the prediction accuracy reaches the range of engineering requirements.

　　（3） Through the demand analysis of mine survey related work, the main functions of the software include database management, processing of leveling data, adjustment processing of traverse network data, prediction of mining subsidence and calculation of parameters, design of penetration scheme and prediction of penetration survey error, analysis of data accuracy and management of data format. The software comprehensively manages the data, avoids more manual participation in the calculation, and can obtain the data processing results, which provides powerful conditions for the later mining roadway excavation, the layout of middle waist line, the retention of protective coal pillar, the prediction of mining subsidence, the filling after mining and the mining of coal seam, and further improves the accuracy of data processing, It plays an important role in mine safety. The function of this system has strong general applicability in mine survey, and has certain practical significance and reference value.

　　Key words: mine survey; Database management; Adjustment procedure; Error prediction; visualization

目录

　　1绪论（Introduction）

　　1.1研究背景与意义（Researchbackgroundandsignificance）

　　矿山测量对矿山的建设和生产提供保障，如何有效、有序的管理整个矿山的测量数据是矿山安全建设、安全生产的重要一步。如何正确、高效的处理矿山测量提供的数据是目前面临的一项问题。由于现在针对矿山测量数据管理系统与开发的软件不全面，用户无法用一整套软件进行矿山测量数据的有效处理。针对此问题，本文提供了一整套针对矿山测量数据管理系统与数据处理的系统软件。基于计算机技术在矿山测量数据处理过程中的不断深入应用，越来越大的提升了数据的处理效率与处理精度。随着计算机软件的不断发展，新技术日新月异，为了进一步提升效率，一方面把新的技术应用到生产实践中，另一方面通过实现整合历史软件处理的庞大数据和呈现方式，来进一步解放劳动力、改善成果的及时性、可视性、智能性，进一步提高效率，创造更大的经济效益[2_3].

　　本软件致力于通过计算机软件开发来提升矿山测量数据涉及到的相关工作的效率，通过矿山建设的各个阶段，整合这些过程中产生的数据，实现数据的精准处理，解决矿山生产重要的技术性工作[4_5].矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统不仅能进行数据的有效管理，也能对这些数据进行检査并改正，其中最重要的是能对这些数据进行精确处理，达到矿山安全生产、安全建设的目的。显然，要想设计一个切合矿山数据处理、能有效应用于矿山生产的各个方面的矿山软件系统，开发者要对矿山安全生产的前期准备、中期维护和后期矿区开采沉陷区域的恢复工作进行大量的学习[6].由于矿山测量工作包罗万象，并且矿区岩层还伴随着断层、透水、瓦斯等复杂的工作环境，开发矿山软件系统是一个艰辛的学习过程。

　　1.2研究现状及存在的问题（Researchstatusandexistingproblems）

　　1.2.1国夕卜研究现状（Researchstatusatabroad）

　　矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统可以更好地为矿山的安全生产和安全建设提供一定的保证作用&7].矿山测量软件的开发与研制与岩体力学、地质学的发展是同步的，因为矿山软件的开发离不开对整个矿山开采条件的认识与研究。在矿山软件开发的早期，法国研宄院开发的ISATIS和CAMET系统被用来矿山的生产中。到了上世纪60年代，人们对计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）被用于矿山图纸的可视化方面，矿山企业等花大量时间精力来研究CAD,使其对矿山生产的作用起到最大化。到了70年代早期，CAD可实现三维图形的可视化操作，不过技术还不太成熟，随着研究理论的不断深入，CAD技术在矿山的应用得到广泛的增加。到了80年代，随着图形技术、三维仿真技术和地理信息系统（GeographicalInformationSystem,GIS）技术的不断发展，国外的很多矿业软件公司和企业不断开发新技术软件投放市场。如英国的MICL公司开发的Datamine&Guider软件；美国的Mintec公司开发的Medsystem系统和Micromine研制的Micromine;加拿大LynxGeosystems负责研制开发的Lynx和MicroLy等。另外还有比较著名的公司开发的Minenet软件和芬兰的RTZC公司所属的矿山三维设计系统。到了90年代，对矿山软件方面的理论达到繁荣期，并把上述的软件进行了更新，加入了很多新的技术和算法，并在这些软件的基础上进行了二次开发[s].进入21世纪以来，国外关于矿山的软件层出不穷，产品的商业化程度不断提高。通过对国外的软件的研究掌握了矿山测量软件具有的基本功能：1）数据库模块。对整个矿山测量的数据进行存储、编辑、核查、以及对矿图的留存等，另外对数据和图等的属性进行了说明；2）二维、三维图形的绘制；3）依据矿山测量学的理论算法实现矿山测量数据的平差与预计等。

　　1.2.2国内研究现状（Researchstatusathome）

　　我国在80年代逐渐对地质学、岩石力学、统计学用于矿山的研究，对矿山软件的开发来说有了一定的基础。虽然我国对于矿山软件的研究很少，但是也不乏有些许成果，昆明理工大学秦德先教授的科研组开发了矿山数学经济模型软件包，这一软件的出现，不仅让昆明理工大学的矿产地质研究专业成为了这一类矿山专业学校的优势学科，还填补了我国矿山软件的资源库，这一软件是根据我国的地址采矿条件进行编写的，涵盖了矿业工程、计算机、统计学等专业，主要功能包括：矿山地质、测绘数据的输入，对这些数据的计算，构建矿区模型，矿井的设计、矿山井上下对照图、工作面开采图、巷道走向图等，本软件一经推出，得到了很多矿山企业的信赖和应用。另夕卜，煤炭科学研究总院西安分院对CAD的二次开发、煤矿地测信息系统MsGIS（基于Windows平台）开发等，中国矿业大学开发的矿山资源评价与管理决策支持系统和TTMGIS2000两种系统P_13],山东科技大学研究团队设计的CAD矿产管理软件，北京科技大学2DINKRG程序系统以及3DCOKR程序系统等

　　就矿山测量管理系统与开发程度方面来说虽然有一定的进步，但是开发出的软件都有一定的不合理的地方，与国外成熟的矿山软件还有不少差距。在我国研宄的团队很少，人力不足，技术有限；对软件的创新能力不足；对整个矿山的集成开发不足，采矿类和测绘类不能完美的融合。由此开发矿山测量数据管理与系统开发工作变得十分有意义。

　　1.2.3主要问题（Mainproblems）

　　对比之前在矿山软件开发所得的成果而言，尽管我们在矿山方面的软件开发工作和矿山的理论研究工作方面取得了长足的进步，但是这其中还有很多缺点及不合理的地方[14],比如下面这几条：

　　1）矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统开发的软件方面很少能全面融合起来进行矿山测量的数据处理与信息管理；

　　2）在矿山安全生产和建设的过程中，矿山测量数据会随着矿山建设的进程有大量的实时数据，由于没有专门的人员和专业的数据库软件作为支撑，这些数据不能有效地保存和利用，对矿山建设造成安全隐患，也对矿山理论的研究也是一个损失。随着社会的发展，我们不能只看重资源的开发，而是要更加注重得出的理论（由已知观测数据研宄得出保护矿区的有效理论），从而进一步开发矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统；

　　3）由于矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统的开发具有一定的学科基础能力，开发者不仅要具有矿山的相关知识，还要涉及到岩石力学、测量学、计算机科学、数据库技术等学科门类，所以针对这一系统的开发人员及团队要精心配合，但是国内很少有专业的团队进行软件的研究工作，即使有个人开发出软件，同时涉及到专利的问题不公布源代码等问题，所以减慢了与矿山有关的软件的开发与发展，离商业化差的很远[15_16].

　　1.3研究内容（Researchcontent）

　　1）通过对大量的文献及其他矿山可视化软件的研究，得出处理水准网平差、导线网平差、开采沉陷误差预计与参数求取、贯通误差预计等问题的方法，也对当前水准网平差、导线网平差、开采沉陷误差预计与参数求取、贯通测量误差预计及可视化方面存在的不足之处进行分析；
　　2）本文利用C#高级编程语言，在VisualStudio2015环境中，基于。NETFramework框架，结合MicrosoftAccess数据库技术，开发基于间接平差的水准网平差程序、导线网平差程序，根据概率积分法原理和优化算法开发的开采沉陷预计与参数求取程序，基于一井内贯通、两矿井间的贯通及高差上的误差预计的贯通误差预计程序，将预计结果保存到矿山测量数据库中。

　　2开发语言的选择和数据库的建立

　　2.1MicrosoftAccess数据库基本概念

　　2.2C#语言的介绍

　　2.3VisualStudio2015平台与数据库连接

　　2.4矿山测量数据库

　　3系统的总体设计

　　3.1系统总体结构设计

　　3.2系统总体功能设计

　　4矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统

　　4.1水准网平差软件

　　4.1.1定权204.1.2水准网间接平差模型

　　4.1.3间接平差精度评定

　　4.1.4水准网平差算法设计

　　4.1.5水准网平差流程

　　4.1.6水准网平差程序主界面

　　4.2导线网平差软件

　　4.2.1导线网平差原理及数学模型

　　4.2.2导线网数据格式

　　4.2.3算法设计

　　4.2.4导线网平差流程

　　4.2.5程序主界面

　　4.3开采沉陷数据处理软件

　　4.3.1开采沉陷预计模型

　　4.3.2概率积分法模型

　　4.3.3概率积分法预计公式

　　4.3.4求取预计参数的两种算法

　　4.3.5开采沉陷预计与参数求取主界面

　　4.3.6软件模块

　　4.4贯通测量程序设计

　　4.4.1贯通测量

　　4.4.2巷道贯通测量的意义

　　4.4.3贯通测量误差预计主要算法

　　4.4.4贯通的类型选择

　　4.4.5贯通测量误差预计流程

　　4.4.6贯通测量误差预计程序主界面

　　4.4.7软件模块

　　5结论与展望（ConclusionandProspect）

　　5.1主要工作及结论（MajorworkandConclusions）

　　本文以VisualStudio2015为开发环境，以C#高级语言为开发语言，以。NETFramework为架构，利用MicrosoftAccess数据库技术设计实现矿山数据信息管理的目的。依据其强大的数据保存能力，可以使数据有效的利用，并能对数据库中数据进行查询、修改、添加等操作。用C#语言开发出的矿山软件系统，能为矿山测量数据进行平差计算及误差的预计，在处理水准网数据平差、导线网数据平差、大型贯通测量误差预计、开采沉陷预计与参数求取等方面的研究提供了有力的支持。

　　对于水准网平差而言，通过可视化语言进行程序的设计与开发时程序界面和各种窗口的构建设计简单，各种算法的实现很好的完成了数据的处理；对于导线网平差程序而言，利用间接平差模型编写了平差程序及精度评定的计算机算法，同时把导线网数据处理的每个步骤都理解很到位，研究了当前需要开发者设计的导线平差软件，以此为开发基础，本程序具有结构简洁、易懂、易操作等特点，制定相应功能模块，设计出了友好的图形用户操作界面；通过对国内外开采沉陷可视化预计领域研宄现状的总结分析，以概率积分法为基础，设计了遗传算法和模矢法算法实现开采沉陷参数求取，整体结构划分为打开文件、曲线绘制、参数求取三大功能模块，每个模块对应于相应的界面与操作，为开采沉陷预计及可视化工作提供了清晰明了的思路，极大地方便了用户对数据的输入操作，有效地提高了开采沉陷预计工作的效率[64];通过对矿山贯通测量的分析与研宄，阐述了贯通测量的理论，以此为贯通测量误差预计软件的基础，软件结构分别针对一井内贯通、两矿井井筒之间贯通和高差上的预计三大模块，并加测陀螺边合理长度和位置分析和优化理论，共同实现了误差的预计。本文中的应用程序输入形式简单，程序运行稳定功能相对完善，通过对工程实例的计算成果可靠，能在工程实际中进行应用，便于推广，具有较高的使用价值

　　5.2展望（LimitationandProspect）

　　尽管本文对矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统开发方面做了部分实践与研究，但是由于作者能力及时间有限，设计的程序主界面还有一定的不合理性，还有不少地方需要修改，例如在算法的优化问题上，程序界面的友好化上面也还需要进一步优化。在矿山测量数据处理等方面的研宂还不是太多，如果时间充足，一定能取得很大的发展。这些成为我们努力的方向，驱使我们不断取得新的成果。在以后的研宂中，应致力于开发一整套能完美实现矿山各个方面的多种功能的可视化预计系统，主要的不足之处有下面这几条：

　　1）基于矿山工程数据的特点，本文所设计的矿山测量管理数据库只存储了X坐标和y坐标，并对其进行查询和管理，但是对三维数据的保存和操作还需要进一步的研究；

　　2）由于本文设计的矿山测量数据管理数据库是通过C#调用对数据库进行存储和管理的，所以要对数据库中的数据操作都需要通过C#语言编程实现，本文只实现了对数据库中的数据的一些基本的操作（原始数据入库、处理结果显示等）。所以，对于其它的数据库的操作功能，有待进一步添加和完善。

　　3）由于时间有限，从程序中调用CAD获取数据信息模块有待于设计和开发。总之，矿山测量信息管理与数据处理综合软件系统开发的研究是一个专业性较强的课题，需要各个研究者及其团队不断地努力，力争实现本软件的商业化。

致谢

　　人生有很多事情需要铭记。时间如白驹过隙，三年的研究生时光即将结束。在论文即将完成之际心情万分激动，首先我要感谢我的导师刘超副教授对我的精心指导与帮助，不只是在论文方面从选题、研究与指导，给我最大帮助的是在为人处事方面的引导。感谢刘老师对我的信任，在我研究生期间让我负责或参与了各种不同类型的测量实践项目，我想这将会是我人生中的宝贵财富，一定会给我将来的发展大有裨益，我心中充满了感激。刘老师不仅是学术上的导师，更是生活中的兄长。对学术极为认真。刘老师在我论文写作过程中给出了许多醍醐灌顶的意见与建议。

　　当我有问题请教时，总是在百忙之中抽出时间来给我解惑，对我的论文进行认真的批改，提出建设性的意见。感谢研究生院各位老师的帮助，感谢我的同门代阳、吴昊，他们总是在我需要帮助的时候提供热情的帮助，感谢师兄杨靖宇、邓永春，师姐贾雪在学术上的建议与帮助，感谢师弟师妹们赵明君、陶远、高翔、段朋、李慧慧、孙倩倩等对我毕业论文提出的意见和建议。感谢我的各位同学，这个校园和时代必将赋予我们独特的个性和人生。家人始终是我奋发向上的无限动力，感谢他们一路的陪伴和支持，新的人生即将启程，我会加油会努力，让父母让家人为我而骄傲。

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