基于GIS的礦井通風預警信息系統研究

陳 寧，陸愈實

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

礦井通風系統是整個礦井系統中的重要組成部分，是保證安全生產的重要環節。礦井通風系統具有繁雜的空間地理屬性，分布于井下生產的各個角落，是一個涉及數據多、信息量大、通風信息參數和地點分散復雜的動態系統。只有適時、準確的掌握通風網絡中每段路線的情況，對潛在的風險進行監控預警，才能最大限度地避免事故的發生或降低事故造成的損失。雖然目前我國大中型礦山都裝備了安全監測系統，但在信息處理、監控方式、預測預警、動態圖像顯示方面還存在明顯不足，對存在的安全隱患和已經發生的事故不能做出及時有效的處理,無法適應現代礦山通風系統發展的需要。

地理信息系統(GIS，Geographical Information System)是計算機信息技術發展的產物，是基于地球科學基礎以獲取、存儲、編輯、處理、分析、顯示和輸出地理數據的系統。將GIS原理及方法應用于礦井通風預警信息系統中，能有效的監控管理具有三維立體空間特性的通風信息，實現通風信息的可視化、可靠化、快捷化以及科學化，系統的應用與推廣對提高我國礦山安全生產信息化水平及安全管理工作質量具有非常重要的意義。

1 概述

從GIS在礦業領域內已有的應用看，發揮了較為顯著的作用，但在通風信息管理方面的研究還很少，需要進一步的探討，利用GIS將通風系統圖和礦井數據結合，建立通風安全數據庫并能適時調用，達到動態可視化的網絡監控，實現安全數據的傳輸和共享，可以有效的促進礦山安全管理的現代化建設，減少勞動力投資，提高管理效率，具有較好的社會效益和經濟效益。

從技術上看，地理信息系統在礦業的某些方面已發揮出一定的作用。但在礦井通風管理方面涉及還很少，因而，需要我們去研究與探討；從生產效率上看，GIS一方面可以減少勞動力的投資，另一方面可以促進礦山生產管理的現代化建設，更好地為礦井通風管理人員提供技術支持。總之，礦井通風可視化管理系統

預警，顧名思義就是提前預測。預警理論最早應用與經濟領域，形成了經濟預警理論，在隨后的幾十年中其應用和研究得到了較快發展，對預警的常用解釋為：在災害或災難以及其他需要提防的危險發生之前，根據以往的總結的規律或觀測得到的可能性前兆，向相關部門發出緊急信號，報告危險情況，以避免危害在不知情或準備不足的的情況下發生，從而最大程度的減低危害所造成的損失的行為。

預警理論常用的研究方法主要有三種：指數預警、統計預警、模型預警。20世紀70年代以來隨著計算機技術和信息化水平的發展，決策支持系統(Decision Support System，DSS) 、GIS、神經網絡(RS-ANN)、INTEMOR等開發平臺相繼被引入倒預警系統的研究中，形成了多功能化的智能預警系統。從已有的研究上看，將GIS應用于礦井通風的預警信息系統還處于開發階段，結合GIS和預警理論，建立一套礦井通風預警預控的操作系統，有利于提高礦井安全的管理水平。該系統既包括管理層面也包括技術層面的內容，融合了科學的、規范的制度及管理流程，根據統一的識別評價指標，對礦井通風系統中可能存在地安全風險實時監控預警，對事故進行分類整理形成決策支持的對策庫，達到糾錯與控制的目的。

2 礦井通風預警指標評判

礦井通風系統是一個動態的、隨機的、模糊的、復雜的大系統,對礦井通風系統進行預警，首先必須確定能夠真實反映礦井通風系統主要特征和基本狀況的參數指標，以反映系統存在的危險狀態為目標，在科學合理評價基礎上，建立指標體系。指標的構成要素是否客觀、全面會直接影響到預警系統的成效，選擇的指標要素過多會影響指標結構的難度并削弱或掩蓋關鍵要素的作用，指標要素太少又不能全面的反映真實狀況。

一個好的評價指標體系應滿足以下要求：評價指標能全面準確地反映出礦井通風系統的狀況與技術質量特征；評價模式簡單明了，可操作性強，易于掌握；所選用評價指標應易于獲取，數據處理工作量小；采用的評價指標具有明確的評價標準。

3 系統設計及功能

3.1 系統開發方式

對基于GIS的礦井通風預警信息系統開發主要有三種方式：獨立開發、單純的二次開發和集成二次開發。本文采用MapObjects組件式地理信息系統并采用標準化開發環境(VisualBasic、Delphi、Visual C++等)SQL2005數據庫，開發平臺為Windows2000、XP和Windows7。系統數據庫主要由三部分組成，即空間數據庫、屬性數據庫和知識庫。空間數據庫主要是對通風系統所在的空間信息進行存儲，即包括通用數據庫中的常用數字、字符表示的數字和非幾何屬性數據，也包含空間定位和拓撲關系的地理空間特征；屬性數據庫是收集具有空間實體特征的地理信息的數據，屬性數據庫與空間數據庫通過固定的字段有機結合；知識數據庫主要存儲國家相關的法律法規，標準及設計規范等，也包括相關的解題技巧、計算公式。MapObjects組件式地理信息系統軟件支持廣泛的數據支持格式(Shape文件、ArcSDE圖層、柵格圖像文件、DXF、DWG文件等)和數據訪問，能實現集成GIS控件與非GIS控件之間對接，系統采用客戶服務器結構,將數據存放在服務器上,客戶機與服務器通過網絡TCP/IP協議連接通信,實現資源的共享和數據的同步一致。

3.2 系統監控流程

基于GIS的礦井通風預警信息系統是在事故理論、預警預控理論的指導下對礦山生產各職能部門、人員、設備等的實時監測并隨時掌握信息進行識別和處理，避免安全事故的產生。整個系統有地面各個子系統監控主機分別對井下個監控分站和PLC控制箱等設備層進行初始化參數設置預置，將監控分站或控制器的端口配置、各端口的傳感器超限值及控制通道等參數下傳至各分或控制器存儲，各分站或控制器采集的傳感器數據首先進行數據預處理，并根據地面對應監控主機定義設置的參數進行相應的控制。有監控主機對監測數據進行分析、處理、存儲、顯示、控制、查詢、打印等操作。并通過數據采集服務器、歸檔服務器以及先進的OPC、DDE等技術與煤礦綜合監控系統集成軟件實現數據實時交互和整合，并通過WEB服務器進行網上發布，實現網上監控數據的實時共享。

3.3 系統功能設計

在對礦井通風預警指標信息的評判基礎上，通過對基于GIS的信息系統的分析,建立礦井通風信息系統,此系統包括矢量圖管理編輯模塊、通風信息管理模塊、通風網絡管理模塊、安全檢測模塊和系統操作控制模塊。系統的功能模塊結構如圖1所示。

圖1 系統功能框圖

1)基礎地圖管理與編輯模塊。該模塊包括地圖繪制、編輯與管理。繪制主要是指將節點、巷道、通風設施(如風門、風窗)的添加以及其他圖元的繪制。編輯功能主要是指節點位置的變化、移動、刪除以及文本的修改、圖形的放大，使通風信息的數據(如巷道風速、工作面風量、采掘工作面瓦斯量涌出量)以各種圖形的方式直觀的在圖上顯示出來,以實現漫游和全景直觀的顯示，為管理人員決策提供決策依據。

2)通風信息管理模塊。該模塊主要用于采集、存儲、維護和管理礦井通風的詳細資料，是整個系統的基礎。主要包括通風日常管理、信息查詢、設備信息、礦井反風狀況和管理人員信息。

3)通風網絡管理模塊。該模塊主要由通風阻力計算、風機性能曲線繪制、風機選型和通風網絡解算構成。通過繪制的通風機性能曲線，計算巷道中的實際風量，實現網絡解算，將計算出的數據顯示在系統圖上，一旦井下發生突變情況，如火災、爆炸等預算各網絡的風量和方向變化，就可以計算通風阻力，為風機選型和通風狀態改造提供基礎的數據參數。

4)安全檢測模塊。該模塊主要包括聲光預警、信息發布通知及通風信息分析。通過對井下通風狀況的動態監測，采集例如粉塵濃度、瓦斯含量、巷道風速等檢測數據，對這些數據進行分析，如果超出預定值，系統就會自動報警，并在系統礦圖上渲染，并體現等級特征，則立即采取措施，防治事故發生。

5)系統操作模塊。系統操作模塊是整個預警系統的控制中心，主要由數據庫構成三維動態顯示，并提供人機交互的視圖界面。根據礦井通風系統的管理需要，本模塊主要有登陸和管理、屬性編輯、對象編輯、數據管理和維護構成。可實現對數據的編輯、修改等操作，對通風系統進行維護和管理。

4 系統實現

本文以某煤礦為研究對象,以該礦的通風系統圖和相關的通風系統數據為基礎,綜合運用預警理論及GIS技術、計算機網絡與信息技術等，構建基于GIS的礦井通風預警系統，實現對礦井通風的安全預警。在系統主界面通過點擊，可以顯示巷道內任意地點的通風參數，如風速、風量、溫濕度等，并能適時的調整修改，編輯。利用對通風預警指標參數的監控，利用通風測定、通風機性能測定、風網解算等功能,提高該礦山的通風安全管理效率，實現礦井通風狀態及時高效的動態管理，為礦山企業安全生產提供保障。

5 結論

在分析礦井通風預警指標體系的基礎上，結合GIS技術、預警理論和計算機信息技術提出了基于GIS的礦井通風預警系統，旨在提高礦井通風信息的高效管理，為礦井通風信息管理提供新的途徑。以實時監測為基礎，通過通風數據采集，分析和評價于一體，實現礦井圖形的可視化，直觀便利的顯示礦井相關圖形和數據；提供圖形輸入和輸出，提高結算結果的準確度；以表格形式顯示通風數據，并進行管理和維護；結合GIS實現系統信息的查詢分析，為礦山通風管理部門提供貨決策支持。從某煤礦的實際應用結果看，該系統具有較強的實用性和應用價值，對提高礦井通風信息的高效管理具有重要意義。

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