基于GIS 煤礦在線巡檢管理系統

劉遵利 相 飛 黃正龍

（1.山東鼎安檢測技術有限公司，山東 濟南 250000；2.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272065）

煤礦安全生產必須要依靠強有力的安全監控系統，煤礦安全監控系統作為煤礦安全生產“六大系統”的最重要的一個系統，已經被納入到國家安全生產監督管理總局確定的安全生產“七大攻堅舉措”項目中，同時對煤礦井下甲烷、一氧化碳、溫度、風量等監測也是應對煤礦災害感知方面的重要技術保障。在煤礦生產事故中，大部分事故原因是由于監測不到位引起的，煤礦要安全生產必須提高安全監控強度。目前煤礦的隱患巡檢排查工作主要依靠人工完成，這種監測方法不僅勞動強度大、效率低而且監測不具有實時性，有可能造成煤礦大事故。因此，針對我國煤礦的實際情況，開發了基于GIS 煤礦在線巡檢管理系統。系統建立在GIS 平臺上，將煤礦不同安全監測監控系統數據集中在統一的GIS 平臺上進行展示。系統具備巷道編輯設計、巡檢設備三維展示、地圖綜合展示、聯動報警、井下人員定位等功能。系統改進了傳統的巡檢工作及管理模式，大幅度降低工人勞動強度，使礦山安全管理工作提高到一個新的水平。

1 系統設計

1.1 系統場景設計

煤礦安全巡檢是煤礦安全生產中的重要模塊，首先對井上、井下業務流程進行闡述，然后結合了現有的礦山信息化建設水平，根據整合的礦上安全監控、遠程巡查、聯動報警、人員定位、應急救援等各個系統的基礎上，將井下動態可變數據在井上展示，將巡檢數據及時反饋，及時處理，并且為礦山應急救援和決策支持提供依據。

（1）井上系統場景設計。井上系統實時顯示井下檢測數據，當檢測數據超出標準值時，井上系統進行等級報警，提醒相關部門及時處理，避免重大事故的發生。井上系統可基于GIS 圖層顯示井下人員的位置和設備狀態等數據，各類數據清晰簡潔、一目了然。另外，井上系統設有專用數據庫，用來存儲歷史數據，避免數據丟失。

（2）井下系統場景設計。當分站與中心站通訊中斷時，中心站可根據人員位置數據打開相應分站語音播報器，向本站人員定位模塊發出撤離指令。井下分站可以收集井下各類傳感器采集的數據并上傳到井上展示系統。

1.2 系統功能設計

根據系統的應用場景和礦方對系統的需求情況，按照工人使用的便利原則，將本系統劃分為如下三個主要部分：

（1）底圖初始化功能。隨著煤礦開采范圍的擴大，煤礦采掘工程平面圖也跟著變化，為了提高系統的實用性，將采掘工程平面圖（DWG 格式）作為巷道、設備布置的背景圖，在背景圖中對巷道和設備數據進行編輯處理，提高系統的可擴展能力。

（2）井下設備展示功能（二維和三維）。設備展示是以GIS 礦圖作為背景底圖，在背景底圖上標繪出安全監控傳感器、人員定位分站、應急廣播等設備的地理坐標，用鼠標的滑輪可以進行放大或縮小操作，鼠標點擊相應設備時會查看設備的相關屬性值。

（3）聯動報警功能。當設定的應急聯動觸發條件滿足后，聯動報警頁面就會彈出警告，將觸發報警的傳感器列表、人員列表和應急廣播列表發送給相關人員，并通過廣播通知人員撤離。

2 系統實現

該系統和煤礦原有的“一通三防”系統進行融合，實現了無縫對接，有效避免了多系統通信困難、數據難集成、難管理等問題的出現。GIS 在線安全巡檢系統是一個綜合性的系統，包括多種傳感器的數據采集系統、煤礦井下數據傳輸系統、綜合數據的存儲和動態展示系統等。本文主要對井上展示系統、井下控制系統和數據庫系統做主要介紹。

2.1 井上展示系統

井上展示系統為了與煤礦原有的“一通三防”系統無縫對接，本系統采用了HTML 和CSS 語言進行設計。系統采用Bootstrap 響應式框架布局，能夠實現圖層的分層繪制。這種布局支持所有主流瀏覽器，能夠適用PC 機、平板電腦和手機，解決了不同設備終端的適應性問題。

隨著顯示窗口（viewport）尺寸的不斷增加，系統會根據需要自動分為最多12 列，通過用戶或系統定義的網格類快速創建網格布局，詳情見表1。

表 1 顯示窗口設計

2.2 井下控制系統

控制系統是由硬件組網子系統將防爆攝像頭、自動風門風窗驅動器、風速、一氧化碳、瓦斯等各類傳感器組合起來的一個混合系統。控制模塊采用嵌入式單片機STM32，通過RJ45 網口、RS485 串口與驅動模塊和傳感器模塊進行信號傳輸與控制，通信模塊采用KC-R4-I 協議，安全可靠地實現核心控制功能。硬件組網子系統實時獲取井下各類傳感器以及設備狀態、實時圖像數據并進行數據匯總轉發，由具有工業以太網網絡通信功能的井下監控分站與上位機進行數據傳輸和指令控制，井下數據由上位機軟件子系統進行圖形化展示。上位機下達指令控制風門風窗的狀態進行風量調節，也可根據參數的異常情況對井下工人提醒、報警。

2.3 數據庫系統

為了提高數據庫操作的存儲和查詢效率，將數據庫劃分為業務存儲區、GIS 數據存儲區和實時數據存儲區。根據行業標準規范，將地理空間位置數據和參數存儲到GIS 空間數據存儲區；與業務管理相關的數據添加到業務存儲區；井上輸入數據和井下收集的實時數據先存儲到實時數據存儲區，根據數據性質，與GIS 或相關業務關聯后，再進行永久性存儲。數據存儲層建立了空間索引機制和屬性索引機制，并對數據的存儲和數據訪問進行了進一步優化，最后通過數據發布接口發送數據，保證了系統能夠高效、全面、準確地提供礦井數據訪問服務。目前，市場上主流數據庫（DB）根據存儲結構和是否采用分布式技術特征可分為關系型數據庫(Relational Database)和非關系型數據庫(NOSQL)。關系型數據庫是建立在關系模型上的數據庫，關系型數據庫適合對數據頻繁進行增、刪、改操作的用戶。非關系型數據庫是指結構上采用非經典的行、列結構組織方式，適合大數據的查詢操作。為了適應智慧礦山建設需要，傳統的關系型數據庫已經不能很好地適應需求。因此，本文選取了市面上流行的NOSQL 中的MongoDB 數據庫。與關系型數據庫和非關系型數據庫不同的是，MongoDB 是一個介于兩者之間的數據庫產品，準確來說是非關系數據庫中功能相對強大，而存儲結構更像關系型數據庫的一種數據庫。這類數據庫讀寫速度快，能夠對PB 級別的數據進行快速存儲、讀寫訪問。該數據庫的應用為以后智慧化礦山大量數據存儲奠定基礎。數據庫信息表如表2。

表2 數據庫數據結構類型

3 GIS 平臺設計

系統采用SVG 和HTML5 中的CANVAS 繪圖技術構建人員定位繪圖。SVG 數據類型是二維矢量類型，對煤礦實體模型繪圖描述，存儲速度快并且數據在傳輸過程中不易丟失。由于SVG 是矢量圖，具有不易失真的特性，所以對煤礦地理信息系統進行繪圖工作時，用SVG 來描繪不變圖形的元素，用CANVAS 繪制一些動態的元素及其屬性，依靠AGAX 來處理數據的異步實時顯示問題。為了降低系統的開發難度后期維護能工作量，劃分了多個圖層，包括底圖、設備圖層、人員圖層等，如圖1。底圖幾乎不需要進行維護，所以后期維護過程中大大減少了維護工作量，并且底圖互相沖突的情況幾乎不可能發生；設備圖在底圖的基礎上單獨構造，解決了因缺少設備坐標而無法自動布置的問題，且由于底圖坐標明確，也減少了后期設備維護工作量；每個圖層數據采用高內聚、低耦合的設計方法，方便部署、維護和擴展。

圖1 圖層結構示意圖

4 結語

結合煤礦實際情況和GIS 現有應用技術，針對煤礦設計出了基于GIS 的煤礦在線巡檢系統。本文分析了該系統的應用場景、系統的實現方法和針對煤礦的GIS 平臺設計。該系統可在采空區或高危區布置各類傳感器和視頻攝像頭，意外情況發生時，系統自動報警，并通知附近工人撤退，減小礦山自然災害的危害性。本系統與煤礦原有的“一通三防”無縫對接，為“礦山一張網建設”提供了一種方法。井上系統的構建可有效保存礦山龐大數據，為以后智慧化礦山的建設打下良好的基礎。該系統能夠減少巡檢人員數量和巡檢頻率，特別是一些高危區域，為礦工安全提供一定保障。該系統不僅能夠滿足煤礦安全監控系統升級改造技術的要求，而且能夠提高煤礦的安全監測監控水平和監管效率。