基于WebGIS 的煤礦多系統融合聯動設計

王 勇

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

為滿足安全生產的需要，近年來煤礦企業已建設了安全監控、人員定位、視頻監控、井下廣播等系統。為及時獲取各安全系統的狀況，監控人員需要隨時關注來自不同屏幕的數據，但煤礦的數據量往往很大，通常無法在一個屏幕里完整的展現，而圖形界面可以呈現出系統的全景，給人帶來直觀的感受；部分安全系統雖然提供圖形界面，但各廠商的標準不一致，顯示的效果差別很大，有時甚至連巷道圖的方向都不統一，更遑論將各系統的數據疊加在一張圖上展示了。分散的數據、迥異的圖形，使各系統成為“信息孤島”，無法實現聯動效應。

提出了基于WebGIS 的煤礦安全多系統融合技術，將安全監控、人員定位、視頻監控、井下廣播等系統的信息集中在WebGIS 界面中統一展示，并從各系統設備之間的邏輯關系層次進行了關聯，使得各種煤礦安全系統融合為一個整體，為進一步促進煤礦安全生產提供了技術支持。

1 在WebGIS 中展示多系統數據的方法

基于 GeoServer、Open Layers 等開源軟件構建WebGIS 平臺的研究[1-3]，為煤礦安全領域的圖形監控系統提供了開放的、低成本的解決方案。使用WebGIS 平臺來展示安全監控系統設備的實時狀態或者展示人員定位系統的人員運行軌跡[4-5]的研究，為在一張圖中展示多系統數據的方法奠定了基礎。

1.1 按系統分組的WebGIS 應用

在 GeoServer 中有工作區（Workspace）、數據源（Store）、圖層（Layer）、圖層組（Layer Group）和樣式（Style）的概念[6]，理論上，可以為煤礦創建1 個工作區，在這個工作區里將各系統使用的巷道、文字等Shape 數據源發布成圖層，并組合為圖層組。按系統分組的WebGIS 應用如圖1，前端各系統分別調用OpenLayers 來訪問GeoServer 提供的網絡地圖服務（Web Map Service，WMS），在瀏覽器中顯示巷道、文字等圖層；通過訪問網絡要素服務（Web Feature Service，WFS）來獲取設備的位置和基本信息；使用自定義樣式來控制各系統中不同設備在WebGIS 中顯示的圖標；設備的實時數據和狀態可根據設備信息通過后端的業務服務獲取。

圖1 按系統分組的WebGIS 應用Fig.1 WebGIS application grouped by system

該方案有3 大不足之處：①需要為每個系統單獨發布包括巷道和文字在內的底圖，如各系統底圖不一致，疊加在一起顯示會出現混亂；②伴隨著井下生產活動，底圖需要經常更新，系統數量越多，更新復雜度越高；③煤礦往往無法提供井下設備安裝位置的坐標數據，前端系統無法通過WFS 服務自動安排設備位置。

1.2 “一張圖”模式的WebGIS 應用

為了解決按系統分組帶來的不便，對以上方案進行了調整。“一張圖”模式的WebGIS 應用如圖2，在GeoServer 的工作區中發布1 套公用的底圖，前端通過地圖管理器調用OpenLayers 訪問WMS，將底圖在瀏覽器中顯示出來。

圖2 “一張圖”模式的WebGIS 應用Fig.2 Application of“one map”model in WebGIS

在WebGIS 上展示的各系統被抽象成系統服務，可根據煤礦實際情況配置是否啟用，由服務管理器來啟動或停止；每個服務至少包含1 個設備圖層，可根據使用者的需要顯示或隱藏；為減少系統的耦合性，各服務完全獨立，僅通過消息與其他服務通信。

前端分為編輯和監控2 種模式。在編輯模式下，管理員從設備樹中將各系統的設備拖拽到底圖相應的位置上，設備管理器會把該設備添加到系統對應的設備圖層中，并通過Ajax 請求將設備的編號、系統、坐標等信息發送給后端的位置服務，保存在數據庫中。在監控模式下，各系統已安排位置的設備會顯示在對應的設備圖層中，并定時更新數據和狀態，實現在一張圖上展示多系統數據。

該方案的優點如下：①管理員只需維護1 份底圖，工作量大幅減小，也不會出現底圖互相沖突的情況；②管理員能夠以所見即所得的方式安排設備位置，解決了因缺少設備坐標而無法自動布置的問題，后期維護的工作量很??；③各業務系統可獨立運行，減少了系統的耦合性，方便部署、維護和擴展。

2 在WebGIS 中實現多系統融合的方法

各系統的設備之間存在一定的邏輯關聯，比如某個區域的瓦斯超限，應該觸發該區域的井下廣播設備播報警告，并通過該區域的人員定位基站向周圍的人員發送撤離通知。

2.1 通過WebGIS 設置多系統的關聯關系

要實現多系統之間的關聯，首先要從區域中篩選出相關的設備，步驟如下：①在WebGIS 中繪制1個區域，由于區域可能是不規則圖形，這里調用OpenLayers 的繪圖交互功能（ol.interaction.Draw）繪制1 個多邊形（ol.geom.Polygon）；②獲取這個多邊形的幾何形狀（ol.geom.Geometry）；③通過該幾何形狀的intersectsCoordinate 方法，與某一設備圖層中所有設備的坐標進行對比，將坐標在區域中的設備加入集合中；④重復步驟③），直到所有的設備圖層都檢查完畢；⑤返回坐標在區域中的設備集合。

該方法的優點是，計算完全在前端實現，無需使用網絡要素服務（Web Feature Service，WFS），簡單靈活。不過，因為二維GIS 的局限，有時看起來在平面上距離接近的設備，可能會處于不同的水平位置，實際上并不在同一區域，此時需要輔以人工判斷。接下來設置設備之間的邏輯關系，發送給后端的業務服務，保存在數據庫中。這里，安全監控系統的傳感器是關聯的發起者，其他系統的設備是關聯的響應者。

2.2 在WebGIS 中展現多系統融合的效果

當后端的業務服務監測到煤礦安全監控系統的關鍵傳感器發生報警時，將關聯報警消息通過WebSockets[7]推送給前端的安全監控服務，該消息包含觸發報警的傳感器編號、報警內容、關聯系統的設備編號。使用WebSockets 實現事件驅動的響應，前端無需通過輪詢后端服務獲取數據，可以大幅減少前端的等待時間，提升服務器的響應能力[8-9]。在WebGIS 中展示的關聯報警流程如圖3。

安全監控服務通過CustomEvent[10]廣播“聯動報警”消息，所有監聽“聯動報警”消息的服務都會收到該消息，根據消息中包含的編號查找本系統設備圖層中的設備，并執行相應的報警動作。當后端監測到安全監控系統的關鍵傳感器報警停止時，通過WebSockets 把報警停止消息推送給前端，安全監控服務通過CustomEvent 廣播“停止報警”消息，各服務接收到消息后停止報警。

當安全監控系統的高濃激光甲烷傳感器超限報警時（圖4），高濃激光甲烷傳感器、人員定位系統的關聯讀卡器、井下廣播系統的關聯擴播器、視頻監控系統的關聯攝像頭均產生報警動畫，提醒監控人員注意；同時，視頻監控系統的關聯攝像頭還自動彈出實時監控視頻。

圖3 在WebGIS 中展示的關聯報警流程Fig.3 Displaying associated alarm in WebGIS

圖4 前端監控模式融合報警Fig.4 Fusion alarm of front-end monitoring mode

3 結 語

基于WebGIS 技術，在“一張圖”平臺上展現煤礦安全監控、人員定位、視頻監控、井下廣播等安全系統的信息，從邏輯層次實現各系統的聯動，解決了煤礦不同監控系統在同一GIS 平臺上的整體應用，以較低的代價提升了煤礦安全生產管理的層次。