協同開發環境中采煤塌陷地動態監測監管系統設計與實現

曹永鋒

(濟寧市國土資源局,山東 濟寧 272017)

0 引言

濟寧市為全國重點開發的八大煤炭基地之一，礦產資源豐富，含煤面積4826km2，占全市總面積的45%，主要分布于兗州、曲阜、鄒城、微山等地。經勘探預測，全市煤儲總量約260億t，占全省煤炭儲量的50%[1-3]。多年來采煤塌陷造成了大面積耕地損毀，截至2015年底，濟寧市采煤塌陷地面積27343.15hm2，而且以每年0.27萬hm2(4萬畝)的塌陷速度遞增[4-5]。隨著經濟社會的發展，煤炭需求及開采量仍較大，采煤塌陷嚴重破壞了土地結構和地質環境，影響了礦區的群眾生產生活水平，同時也給濟寧市經濟發展、社會穩定、生態環境保護等帶來一系列問題，制約了區域城市規劃建設和現代轉型發展[6-7]。如何利用現代化科技手段輔助采煤塌陷地科學治理迫在眉睫。

在多年國土資源管理實踐中，濟寧市國土資源局積累了海量多元異構地質環境、礦產資源、采煤塌陷地治理等相關數據，由于分屬不同管理部門，這些數據存放散亂無序，再次利用時，還需要進行二次加工。如何合理有效的利用這些數據，輔助采煤塌陷地監管尤為重要。在信息化協同開發環境下，研究并開發集采煤塌陷地監測、預測、治理、管理于一體的綜合應用管理系統，準確掌握濟寧市采煤塌陷地的現狀和變化情況，實現對未來采煤塌陷區域進行動態監測、分析、預警、預測，為科學合理開展采煤塌陷地綜合治理提供強有力的數據和支撐。

1 協同開發環境

濟寧市國土資源局各部門內部存在大量孤立的信息系統，往往一套數據需要在幾套系統內重復錄入，封閉式軟件架構造成系統之間的信息難以共享，產生信息溝通不暢、部門業務無法協同、工作效率低下等問題，難以發揮信息化應有的作用。濟寧市國土資源局初步建立了以綜合管理服務平臺為運行支撐環境，以數據中心和檔案系統為資源共享更新載體，以業務系統為應用拓展體系的協同開發環境。該環境基于SOA架構，綜合利用OSB服務總線、BPM工作流引擎、Portal門戶集成、SSO單點登錄、FME數據交換平臺、ArcGIS地圖服務等一系列技術，統籌考慮組織機構、業務流程、應用服務、數據資源等各個層面的協同需求，支持信息資源的共享交換和互聯互通，提供業務系統的通用架構和共性功能，具有高度的復用性和松耦合性。主要包括組織機構協同、業務流程協同、應用服務協同、數據資源協同。

1.1 組織機構協同

組織機構協同主要包括綜合門戶、身份管理、認證授權、單點登錄等模塊，可為業務應用提供統一的用戶管理和登錄訪問入口，為不同角色的用戶提供個性化定制的工作臺，為業務系統待辦任務、重要信息等提供統一展示窗口。

1.2 業務流程協同

使用Oracle BPM建立統一的流程管理中心，將不同業務系統的流程任務合并、串接、重構，業務流程鏈接全部采用域名形式，相關審批待辦件推送至平臺門戶個人中統一顯示，實現了工作流程的全過程監控和管理，為部門業務處理特別是跨部門業務協同提供了強有力的支持。

1.3 應用服務協同

應用服務協同主要通過Oracle Service Bus(OSB)技術來實現，OSB是一個輕型、可伸縮、可靠的企業服務總線，它強調從業務需求出發，在統一的接口和契約約束下，將不同的業務功能定義為服務并注冊在服務總線上，通過服務的編排組合實現業務構建，通過服務的松耦合滿足業務流程變化，通過服務的重用節約軟件開發的成本，通過服務的分層降低系統之間的耦合度[8-11]，采用面向服務的方式將不同業務系統進行集成，并對服務資源的全生命周期進行監控管理，實現服務組合和業務流程自動化管理，降低系統集成的復雜度，提高了信息資源的復用度[12-15]。

1.4 數據資源協同

協同開發環境的數據資源包括國土資源基礎數據、專業數據、管理數據和檔案數據[16]，利用數據倉庫技術將這些分散在各部門的多源異構數據按照統一的標準規范進行整合，分析和梳理出完整的數據資源目錄和檔案資源目錄，并提供基于Web Service服務的數據資源共享更新服務，形成統一的集中管理和共享交換資源庫，為國土資源管理工作提供了豐富的數據資源支撐。

目前協同開發環境管理了67個組織機構，646條人員數據，19個業務系統，43條業務審批流程，108個標準服務，基本做到了國土資源管理工作業務流程全覆蓋，為國土資源業務系統建設提供了規范化、標準化的運行環境。

2 建設思路

采煤塌陷地動態監測監管系統要在協同開發環境全程管控下進行建設，確保開發語言、開發環境、開發工具等的統一，實現統一用戶認證管理、統一工作流引擎、統一應用服務、統一數據支撐(圖1)。

學習僅僅是計算機科學中的一個專門術語，用更為嚴格的數學語言來說，學習即是統計的意思。機器學習，簡單地說，僅僅是利用計算機這個平臺，利用統計學的方法，去對數據集進行分析與歸納。現代個性化的推薦系統便是機器學習中的一個重要的主題，也是我們日常生活中較為熟悉的一個機器學習的貼切的例子。推薦算法是推薦系統的核心所在，一個特定的算法本質上就是一個計算的過程。推薦算法的計算主要來自于數學中的線性代數與概率統計，其中一個核心的概念，便是矩陣。

圖1 協同開發環境總體關系圖

在總體架構層面，系統使用平臺提供的組織模型管理服務、身份認證服務、單點登錄服務實現統一身份認證授權登錄，使用Oracle BPM工作流引擎實現統一業務流程整合管理，使用Portal門戶實現統一界面展現；使用Service GIS技術實現數據中心地圖數據的發布并采用OSB技術注冊在統一服務總線上供系統調用，使用FME數據交換服務實現專題數據更新共享交換[17]，使用Web Service技術實現電子檔案查詢與歸檔。例如，系統所需的地圖數據和檔案數據通過調用注冊在統一服務總線上的地圖服務和檔案查詢服務來實現；系統在調用數據中心和檔案數據的同時，將成果數據實時更新至數據中心和檔案系統，實現業務管理數據和圖層數據自動更新，檔案數據自動歸檔。系統業務功能開發成果(如塌陷地項目查詢服務)通過發布為應用服務，注冊在統一服務總線進行管理。其他業務系統需要使用塌陷地業務數據時，只需調用發布在統一服務總線上的服務就可獲取相關數據信息。

在數據共享交換層面，系統所需數據統一存儲于國土資源數據中心，按照數據中心標準規范進行數據整合入庫和數據服務發布；系統通過調用數據中心發布的數據服務目錄獲取所需的地圖服務，并實現地圖查看與輔助審查；系統開展業務處理后產生的塌陷地管理成果數據，首先推送至中間庫存儲，使用FME更新服務抽取中間庫各數據表，根據配置好的數據更新規則完成數據的清洗、轉換、加載，形成塌陷地專題圖層，沉淀至數據中心核心數據庫，實現采煤塌陷業務數據的實時更新；其他業務系統需要訪問塌陷地數據時，通過調用數據中心發布的FME數據抽取服務，將數據抽取至數據服務器進行訪問，數據訪問完畢后，清除數據服務器中的數據，實現采煤塌陷業務數據的在線調用。

在電子檔案支撐方面，系統將需要歸檔的條目信息推送至中間庫，將檔案原文上傳至FTP服務器。通過調用在線歸檔服務解析中間庫中的條目數據，根據鏈接去查找電子文件，然后將電子文件上傳，最后返回歸檔結果，完成電子檔案自動歸檔。其他業務系統需要查詢塌陷地業務檔案時候，調用發布在綜合管理服務平臺統一服務總線上的檔案數據查詢服務獲取所需信息。

利用協同開發環境進行系統建設，能夠提升現有服務和資源利用率，減少開發工作量，提高工作效率；能夠打破相對封閉的信息孤島，實現采煤塌陷地信息資源的集中管理、統一展現、實時更新和自動歸檔，保障塌陷地信息資源在線共享和互聯互通。

3 系統設計與功能實現

3.1 總體架構

系統在技術選型上遵循SOA架構，依托協同開發環境，基于虛擬化、數據倉庫等技術進行建設，整體架構共包括5個層次、兩大體系(圖2)。

圖2 采煤塌陷地動態監測監管系統總體架構圖

(1)基礎層：基礎軟硬件環境，用以支持系統的部署和運行。主要使用濟寧市國土資源局部署的虛擬化環境來實現。

(2)資源層：存儲系統運行必須的數據資源。由協同開發環境中數據中心和檔案系統提供數據服務和檔案支撐。

(3)服務層：提供數據服務、用戶管理、權限配置等基礎運維支撐。由協同開發環境提供統一的運行環境和服務倉庫。

(4)業務層：包括系統實現的各類功能服務。在協同開發環境下基于J2EE框架進行開發，核心功能成果封裝為標準服務注冊在統一服務總線上供其他業務系統調用。

(6)標準規范體系。由協同開發環境提供的軟件開發約束規范、單點集成規范、服務集成規范、門戶集成規范、統一流程規范、統一身份管理規范、頁面風格及交互規范等一系列規范指導整個工程的開發建設和運行管理。

(7)安全保障體系。按照國家相關安全等級保護的要求進行安全體系建設，確保系統運行過程中的物理安全、網絡安全、數據安全、應用安全、訪問安全。

應用以上體系架構，硬件資源、數據資源、運行框架、展示風格等公用資源由協同開發環境提供，業務功能由開發人員按照協同開發環境提供的規范進行開發部署，將系統中公共組件與業務功能區分開來，抽象了具體實現過程中訪問的無關細節[18]。若業務功能發生變化，只需將新功能注冊為服務便可輕松添加到系統中去，縮短了開發時間，提高了系統的可擴展性，開發人員可更加專注于具體功能實現，以便更加快速響應用戶需求變化調整。

3.2 功能實現

根據采煤塌陷地業務監管實際需求，綜合利用空間地理信息技術、OSB技術、ETL技術、地質三維仿真、開采沉陷學、概率積分法等多種技術手段，實現了地圖管理子系統、業務管理子系統、動態監測子系統、預測分析子系統、決策支持子系統等五大功能子系統建設。

(1)地圖管理子系統。采用地理信息、管理信息、辦公自動化相結合的一張圖管理，通過調用協同開發環境提供的地圖服務目錄，完成圖層管理、空間查詢、統計分析等功能模塊，實現了對采煤塌陷地的基本信息、監測信息、業務處理信息的統一展示及數據處理。

(2)業務管理子系統。基于協同開發環境提供的統一工作流引擎，按照采煤塌陷地治理項目管理審批流程，實現采煤塌陷地項目縣級登錄上報、市級接收審批功能；實現項目立項管理、項目施工管理、項目竣工驗收管理、項目移交管理等業務管理功能；實現塌陷地待復墾區信息提取、項目區復墾適宜性評價成果信息、土地復墾專家系統等輔助功能。

(3)動態監測子系統。將InSar數據、遙感數據、人工測繪數據、礦山企業歷史測繪數據導入采煤塌陷地本底數據庫，并按照時間先后順序將這些數據形成地表形變數據鏈，通過計算前后兩期DEM數據模型的表面高程差得到表面模型，并將其投影到平面形成高差分析面，按照要求將高差大于一定值的高差面提取出來形成測區的沉陷區域面。分析結果以等值線的形式展示沉陷區域面，或者展示整個沉陷區域的平均沉陷趨勢圖(圖3)。

圖3 采煤塌陷地動態監測監管系統總體架構圖

(4)預測分析子系統。采用概率積分法建立采煤塌陷地沉陷模型[19-21]，計算及展示在不同的開采方式、地質條件下區域塌陷的變形邊界，分析預測區域塌陷變形的發展演化規律，建立并逐步優化濟寧市采煤塌陷預測模型(圖4)。

圖4 采煤塌陷地動態監測監管系統總體架構圖

(5)決策支持子系統。綜合應用已有遙感測繪數據、預測數據、礦山上報的動態監測數據，通過數據分析技術，為采煤塌陷地土地恢復治理、工程建設、防災減災等提供應用決策數據支撐。

通過系統建設，實現了采煤塌陷地的開發利用、項目管理、業務審批、資金監管、動態監測、預測分析等功能，解決了采煤塌陷地信息統一管理和數據共享問題，不僅可以滿足國土資源內部對采煤塌陷地信息的需求，也可為政府其他部門提供準確可靠的采煤塌陷地信息資源服務，提升了采煤塌陷地管理的決策水平，促進了采煤塌陷地綜合整治和科技化管理。

4 結語

協同開發環境的思想為分布式企業級軟件系統的設計和實現提供了新的思路，可以為軟件系統提供統一的應用支撐體系和基礎運行框架，提高了業務系統功能模塊的利用率和復用度，有利于數據的共享交換和互聯互通，能夠打破因軟件廠商、數據庫選擇和應用系統體系結構等因素造成的一系列“應用系統級信息孤島”，有效解決開發與運行環境各異、整體應用發展不平衡、系統適應性差與集成度低等問題，保障不同的業務系統間信息資源的橫向共享和縱向貫通。

[1] 趙躍倫,趙建,高文凱.濟寧市采煤塌陷地土地復墾工程水資源配置研究[J].山東國土資源,2016,32(10):35-38.

[2] 張欣,付尚偉,蔡德水,等.濟寧市采煤塌陷地引湖充填復墾模式初探[J].山東國土資源,2012,28(8):42-44.

[3] 陳源源,呂昌河,閆弘文.濟寧:恢復采煤塌陷地生產生態功能[J].中國土地,2016(6):54-55.

[4] 許燕.深度塌陷區復墾對策——以濟寧市為例[J].世界有色金屬,2016(16):179-181.

[5] 胡振琪,李晶,趙艷玲.中國煤炭開采對糧食生產的影響及其協調[J].中國煤炭，2008(2):19-21.

[6] 李慶強,苗偉.鄒城市采煤塌陷地治理存在的問題及建議[J].山東國土資源,2011,27(4):36-38.

[7] 李俊穎,李新舉,趙躍倫,等.不同復墾方式對煤礦復墾區土壤養分狀況的影響[J].山東農業大學學報(自然科學版),2017,48(2):186-191.

[8] 肖越,肖成龍,孫威.基于SOA的云計算模型框架研究[J].電腦知識與技術,2017,13(20):46-47.

[9] 李艷,莊海燕,張哲寧.面向SOA架構分布式系統的會話交互建模及其安全驗證[J].山東理工大學學報(自然科學版),2017,31(3):20-24.

[10] 黃嘉東,徐兵元,葉向陽.企業級應用系統SOA架構建設研究與實踐[J].中國高新技術企業,2016(2):159-161.

[11] 中國南方電網責任有限公司企業標準.Q/CSG11817-2010.面向服務的信息技術架構(SOA)框架規范[S].

[12] 范江波.基于OracleESB建設校園服務體系的實踐與探索[J].中國教育信息化,2016(19):57-60.

[13] 劉煥華.基于OracleESB的服務抽取與發布研究[D].長沙：南華大學,2013.

[14] 曾文英,趙躍龍,齊德昱.ESB原理、構架、實現及應用[J].計算機工程與應用,2008(25):225-228.

[15] 黃強,王薇,倪少權.基于SOA和DDD的鐵水聯運信息平臺構架設計[J].計算機應用與軟件,2013,30(6):124-126.

[16] 史輝.國土資源數據中心建設探討[J].山東國土資源,2009,25(11):51-54.

[17] 李逵.FME在基礎地理信息數據庫建設中的應用研究[J].測繪通報,2016(3):115-117.

[18] 趙楊,關寧,王俊霖.SOA架構在遼河流域報表管理系統的研究與實踐[J].計算機系統應用,2017,26(3):114-118.

[19] 王寧,吳侃,劉錦,等.基于Boltzmann函數的開采沉陷預測模型[J].煤炭學報,2013,38(8):1352-1356.

[20] 何強,吳侃,許冬.平原地區采煤沉陷積水計算模型構建與影響分析——以洸府河為例[J].金屬礦山,2015(3):173-177.

[21] 吳侃,黃珍珍,王欣.礦山開采沉陷的完備預計模型[J].煤礦開采，2006(4):4-6.