制造业之外的工业软件，一个关于理想与责任的故事

刘慈欣的小说《地火》中讲述了这样一个故事：

主人公刘欣的父亲是一名矿工，因长期从事矿工工作患矽肺病去世。父亲临终前对刘欣说的最后一句话是

“不要下井”

刘欣从小目睹了父亲以及其他煤矿工人艰辛危险的工作环境，深知传统煤矿工业的苦，希望能够改变煤炭工业的生产方式，拯救无数像父亲一样的煤矿工人的命运，让他们能在更安全的环境下工作。

长大后的刘欣博士毕业，就职于国家煤炭设计院。为了能改变矿工的工作环境，让矿工能在蓝天下采矿，他决定利用气化煤技术进行实验。他的想法是将地下的煤层直接在地下点燃，转化成煤气，通过管道输送出来。

在当时，气化煤技术仍处在探索阶段。尽管有局长以及工程师们的配合，但由于勘探技术水平的限制以及工程师的疏忽，有一条极小的连接大煤层的缝隙没有被发现。实验煤层的燃烧脱离了控制，通过窄煤层带，燃烧延伸至大煤层，引发了巨大的灾难。

刘欣因此成了罪人，在恍恍惚惚中，他穿上父亲遗留下的工作服，走进了地火，结束了自己的一生。

120年后，曾经引发巨大灾难的气化煤技术已成功应用，成为开采煤层的主要技术。固体煤炭只存在于博物馆中，那时的学生们在博物馆体验虚拟的旧日矿工生活，在他们看来，过去的人真笨，真难。

这是一个关于理想与责任的故事，同时也展现了技术进步过程中的艰难与牺牲。

中国是一个贫油、少气、富煤的国家，煤炭产业作为我国能源供应的支柱产业，其发展在很大程度上决定了国家工业整体实力的进步。

井下采煤一直以来都是全球最危险的工作之一，矿工们必须冒着地底坑道塌方、爆炸以及毒气的风险，才能挖出这一宝贵资源。

尽管暂时还无法让矿工在蓝天下采煤，但现实中有一群理想主义者正在努力将一缕“阳光”引入井下，驱散井下的黑暗，减少未知因素，使作业环境变得更安全。

这缕“阳光”就是地质数据。

地质不明，智能难行。通过智能化和数字化手段应用地质数据，实现矿山的透明化，这一概念被称为“透明地质”。而实现透明地质的关键，在于矿山的三维数字化建设。

在实现“透明地质”道路上奋进的理想主义者有很多，陕煤美联美智慧能源技术（西安）有限公司便是其中杰出的一员。

提起工业软件，可能大多人先想到的是CAD、CAE等制造业常用的工具软件。但是其实在制造业之外，也存在着许多工业软件从业者。他们同样以工业软件为矛，击穿阻碍行业生产效率的重重壁垒。

服务于采矿业的地质建模软件便是其中一类。

采矿业与制造业同属工业产业，但是由于业务逻辑和建模对象的差异性，地质体的三维建模必须要用专业的地质建模软件，制造业用的CAD、建筑业用的BIM等建模软件均难以满足需求。

地质建模软件在我国同样面临着核心技术卡脖子的问题，市面上常用的三维地质建模软件主要是国外产品，比如MicroMine、DataMine、Surpac 等，这些软件涉及矿体三维建模、 设计规划、开采评估、生产优化等多个方面。

而国内也出现了陕煤美联美的煤矿专用三维数字矿井，龙软GIS、中煤科工西安院、三地曼3DMine、 网格天地 DepthInsight 等应用软件。

行业看似繁荣，但是许多国产软件都是基于U3D及开源算法进行功能实现，而在三维地质建模算法等底层核心技术上缺少储备，不掌握核心技术，自主创新的后劲不足。

陕煤美联美选择了一条少有人走的道路，他们选择与煤矿、地质、数学、计算机图形学等基础科学的专业团队建立深入合作关系，从顶层做设计与规划，从底层开发核心代码，其产品全面适配国产芯片、操作系统和数据库，确保技术自主可控，数据安全可靠。

这是一条无比艰难的路，自主研发、自主创新需要巨大的资金投入，而受经济形势影响，煤矿行业这些年也存在下行情况，收紧的业务开支无疑对自主研发企业雪上加霜。

面对困局，陕煤美联美仍然选择坚持啃下这块硬骨头。

2023年底，陕煤美联美发布了第一代核心产品——煤矿专用三维数字矿井，该产品的问世填补了国内自主研发的煤矿专用地质建模软件的空白。经过不断地优化产品功能和架构，在2024年下半年陕煤美联美又发布了煤矿专用数字矿井的升级版。

图 煤矿专用三维数字矿井

今天，笔者将以陕煤美联美的煤矿专用三维数字矿井软件为例，分析采矿业与制造业所用的工业软件的异同，希望通过跨行业的分析和比较，对大家有所启发。

业务逻辑差异

脑海到现实 VS. 现实到脑海

制造业和采矿业的本质差异是，制造业是从脑海到现实，采矿业是从现实到脑海。

两个行业本质逻辑的不同，决定了服务它们的建模软件的差异。

制造业是将真实世界本不存在的事物，从无到有的制造出来，因此使用的CAD等设计软件重点在于实现设计人员的创意和构思。制造业设计软件需要有各种复杂的建模操作，如拉伸、混合、弯曲等来把脑海中的方案实体化。

而井下采煤，则需要在工作人员脑海中还原出肉眼无法看到的真实地下世界，以此来指导开采工作。还原的方法是基于地质勘探数据和专家经验对真实地质情况进行拟合，因此地质模型永远不可能和真实情况完全一致，只能无限逼近。

常有地质专家在评价三维地质模型时会说：我也不知道地下是什么样，但是肯定不是你做的这样。

因此对于井下开采的煤矿地质建模软件来说，需要支持多种来源的勘探数据的融合，并使用这些数据驱动地质模型的建立。

煤矿专用三维数字矿井软件建立了统一的综合地质信息数据库，能够充分收集并全面数字化各类地质资料，比如钻探、物化探、生产数据、监测数据等多源数据，这些数据经过整理和清洗后入库管理，用户可随时查阅分析，并且该软件还打通了不同智能化系统之间的数据管道，使得地质数据可以在多种智能化系统间共享协同。

这些数据在煤矿专用三维数字矿井软件中不是单调的数字，而是以多种可视化形式展现给用户。

图 透明地质保障系统

围绕煤矿业务，这些数据被渲染成为矿区、井田、采区、煤层到工作面等多个尺度的模型，比如地表模型、地质体模型、构造模型、属性模型、巷道模型、煤层模型和工作面模型等，这些模型既有二维形式，也有三维形式。

地质数据像一根线，串联起所有的模型，而具体的展现形式，还需要拿着针的人类来进行实现。

地质数据是离散的采样点，而采样点之外的空白区域的结构、灾害等信息，除了软件算法自动拟合外，也需要专业用户基于经验进行编辑。同时除矿体本身外，各类设备、巷道、工作面等人造物也需要人来规划布置。

因此，煤矿专用三维数字矿井软件提供了多种交互式编辑模式和功能，比如二三维联动，通过二维数据的交互能够驱动三维模型的更新；一张图的交互式编辑，可以在一张图上设置矿区边界、巷道布置、设备安排、剖面等信息，实现高精度的三维建模。

图 煤矿专用三维数字矿井

尽管新型材料在制造业已有应用，但是制造业的产品仍然以材料均匀分布的均质体为主，且由于人脑想象力以及生产水平的限制，产品零部件的形状多由规则的几何体组成。

因此制造业建模软件中通过基础几何图形和拉伸、旋转等基础建模操作，可以实现大多数产品零件的三维建模。

而对于采矿业来说，面向的加工对象是在亿万年地壳运动中形成的矿体，其地质结构就像几十年没叠的被褥，你也不知道那些复杂的弯曲和褶皱下藏的是“枕头”还是“针头”。

图 复杂的地质构造

即使同属于采矿业，煤矿的采掘难度也显著高于非煤地质，因为煤矿内部存在许多隐蔽的“针头”，也就是致灾因素，如瓦斯，积水、断层、陷落柱等，这些致灾因素一旦触发，会导致瓦斯爆炸、矿井坍塌、矿井透水等危险情况，井下工人的人身安全将受到极大威胁。

图 2004年，温家宝总理与“11·28”矿难职工陈家山矿副总工程师牛铁奇的儿子在一起

所以在进行三维地质建模时，一方面要建立不可见的、非规则的复杂地质体几何形状，另一方面也要在地质模型中展现多种致灾因素和地质属性。

如何基于勘探数据生成复杂的三维地质模型，同时将复杂繁多的地质属性数据整合到模型之中，是三维地质建模的关键问题。面向这一问题，复杂三维地质建模算法的重要意义不言而喻。

复杂三维地质建模算法

与CAD的几何引擎，CAE的求解器一样。复杂三维地质建模算法是实现三维地质建模软件自主可控的核心技术，是被卡脖子的关键领域。

复杂三维地质建模算法的关键技术主要包括：多源数据融合技术、三维地质结构建模技术、三维网格剖分技术、属性建模技术、无缝拼接和动态更新技术、大规模可视化

在以上技术体系中，最核心的当属三维地质数据的融合建模技术，这也是陕煤美联美花费大量时间和资金攻克的技术难关，经过不断钻研和实践验证，三维建模技术中最新的显式与隐式结合的建模算法已经在煤矿专用三维数字矿井中取得应用，实现了包括逆断层等复杂地质构造模型和网格化属性模型的生成与动态更新。

这意味着陕煤美联美取得了自主三维地质建模软件 “根技术” 上的重要突破。

图 煤矿专用三维数字矿井

制造业产品中，若非发生屈曲断裂等大变形事故，零部件通常不会发生物理结构上的显著变化。因此在理想状态下，设计人员建立的产品三维模型，通过仿真试验验证后，无需再频繁变更。

而对于煤矿开采来说，地质模型永远赶不上实际情况。

随着采掘进度不断推进，矿体形态会发生明显变化，这个过程中总会遇到新的情况，产生新的数据。

因此，如何缩短模型与现实之间的时间差距，是地质保障工作者持续研究的课题。

过去，由于技能水平和知识结构等原因，煤矿企业通常无法自主建立三维地质模型，地质建模工作都是交由第三方建模机构来完成，地测部门将勘探的井下数据发给第三方机构，第三方机构根据数据对现场建模后再发回煤矿企业，这一来一回的时间最少3-5天，井下掘进工作又已经推进许多，地质结构发生了新的变化，反馈回来的模型难以真正指导开采作业。

实时动态更新的三维建模算法

为了让三维地质模型真正发挥指导现场的作用，煤矿专用三维数字矿井软件自主研发了能够实时动态更新的三维建模算法。

通过打通与地质数据库的接口，煤矿专用三维数字矿井软件可实现多尺度地质模型的自动建模与动态更新，无需人工操作即可完成模型自动更新，显著降低了模型更新所带来的时间消耗。

通过构建和动态更新三维地质模型，煤矿三维数字矿井软件还可以将开采地质信息和隐蔽致灾地质属性进行动态透明化表达。这不仅涉及到三维高精度智能地质预测预报，还包括掘进地质导航和智能开采规划截割等多个场景的集成应用。

图 多尺度地质模型的自动建模与动态更新

除此之外，煤矿专用三维数字矿井软件作为一款工具型软件，提供了完善的培训体系和相关课件资料，煤矿生产企业地质部门相关专业人员掌握操作后即可独立完成数据、模型及系统维护，确保数据分析与建模结果更加贴合实际业务需求，无需再依赖外部系统建设厂商。

陕煤美联美

煤矿安全生产的幕后英雄

陕煤美联美在煤矿行业深耕20余年，从煤矿行业信息化培训业务起步，到如今的三维地质保障系统，陕煤美联美对于煤矿有着深厚的感情，也积累了宝贵的业务知识。其工作人员经常下到矿井中，与一线工作人员交流，确保产品功能与实际业务的紧密联系。

图 美联美交流团下井前合影

对业务的钻研和技术的追求使陕煤美联美具备卓越的快速交付能力，从矿区数据收集、数据处理建模到视图发布和产品部署，全流程仅需7-10天，可以帮助客户快速达到国家及地方地质保障建设标准，助力煤矿企业安全、高效生产。

图 透明地质保障系统

从《平凡的世界》中投身煤矿的孙少平，到贾樟柯电影中灰蒙蒙的山西县城，煤矿工人的形象活跃在许多文学作品中，他们像一个时代的符号，灰头土脸却又坚韧不拔，承载着许多人的青春记忆。

70年多来，这黑色的“金子” 不仅为我国工业发展提供了源源动力，煤炭开采技术也从人工挖掘、半机械化、机械化，逐步发展到电气化、自动化、数字化开采。煤炭产业的每一次进步，既映射着产业工人不屈奋进的身影，也浸透着煤炭科技工作者们创新开拓的精神和辛勤劳作的汗水。

图 陕煤美联美员工合影

无论是“刘欣”还是“孙少平”，都怀有一颗改变煤矿行业粗放式生产的赤子之心，陕煤美联美更是如此。

作为第一批啃硬骨头的高科技企业，陕煤美联美是煤矿领域第一批在基础科学与交叉科学上大量投入与深入研发的企业，是为煤矿真正实现智能化提供基础性工业软件的企业，是煤矿安全生产的幕后英雄。

期待通过他们的努力，在未来的某一天，我们的子孙后代也会在博物馆看着过去辛苦又危险的生产方式。