基于GIS的煤礦多系統區域聯動設計

邢少妹

(國能信息技術有限公司，北京100011)

自2010年開始國家要求煤礦必須建設包括安全監控系統在內的井下安全避險“六大”系統后，各煤礦普遍都建設了程控調度、安全監控、人員定位、廣播系統、無線通信等各類通信和安全保障系統，這些系統在煤礦安全生產、調度指揮、搶險救援等方面發揮著重要的作用，但普遍存在的問題是各系統相互獨立、資源不能共享，無法聯動控制，導致在災害發生時，不能快速有效的發揮各系統間的應急聯動作用。為提高煤礦安全監控系統準確性、靈敏性、可靠性、穩定性和易維護性，增強煤礦安全保障能力，國家煤礦安監局于2016年12月發布煤安監函〔2016〕5號文《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》，明確要求要實現安全監控與人員定位系統、應急廣播的多系統融合及應急聯動，可見多系統的融合及應急聯動是煤礦安全監控發展的必然趨勢。針對上面的要求，本文結合煤礦井下實際復雜的生產環境，提出基于GIS實現安全監控系統與人員定位系統、應急廣播系統的區域聯動設計方案。

1.系統聯動場景分析

安全監控系統要實現與人員定位系統、應急廣播系統的聯動，就要改變過去各系統相互獨立運行，各看各的監控畫面、信息不能互通、應急無法聯動的狀況，要讓監控人員在統一的監控平臺中同時看到安全監控數據、人員分布情況、應急廣播設備情況。除了監控井下瓦斯超限、主通風機報警、局部通風機報警外，還應能同時監控定位分站超員、人員超時、人員呼救等報警信息。一旦發生瓦斯超限等危險報警事件時，能在系統中快速定位到報警點并高亮閃爍，提供醒目、直觀的畫面展示報警點波及區域的人員及應急廣播設備分布情況，并能自動通過人員定位儀及廣播設備通知報警波及區域的人員盡快撤離升井，從為保護礦工生命及財產安全爭取寶貴時間。

2.基于GIS的多系統聯動總體設計

要把安全監控系統、人員定位系統、應急廣播系統這三個相互獨立的系統融合成一個有機整體，需要借助GIS這個很好的載體?？臻g數據分析是GIS的核心功能，它能夠通過對基礎數據的分析并疊加其影響來量化解決與空間相關的實際問題，包括柵格、矢量數據分析和網絡分析。GIS的最大優勢是可以把原本孤立的物體通過空間位置關系關聯在一起，提供集中的動態監控，并可通過動態空間分析能力為我們提供預警預測能力?；贕IS空間關系，可以把井下復雜環境分成多各重點區域，如采煤工作面、掘進工作面等，各區域都標繪出所安裝的安全監控分站、安全檢測傳感器、人員定位分站及應急廣播設備。多系統區域聯動總體框架如圖1所示：

圖1 多系統區域聯動總體框架

基于GIS的多系統空間整合：考慮到目前一般的煤礦Web信息系統對圖形分析功能要求不高，而且大多采用Java平臺開發，為保證程序的兼容性和快速開發需求，選擇GeoServer作為地圖服務發布和管理平臺。它采用了瘦客戶端技術，不需要下載和安裝特殊的控件，通過在服務器端將請求內容生成圖片發送到客戶端來顯示地圖，所有的地圖生成與分析功能都放在服務器端實現，保證了圖形快速瀏覽要求，降低了對網絡帶寬的要求。地圖客戶端采用OpenLayers來進行地圖服務展示，并運行在Rest Web Service平臺上，采用Mush Up多源數據融合技術，能提供基本的地圖漫游、圖層疊加、屬性查詢等功能，利用地圖瓦片技術實現地圖客戶端動態加載，并在此基礎上封裝成標準GIS組件、高級GIS組件，同時提供應用開發API供其他應用系統調用。GIS具有圖層管理功能，支持對圖形信息進行分層存放、分層管理和分層操作。安全監控分站、安全監測傳感器、人員定位分站及應急廣播設備作為獨立的資源分別存放在GIS的不同圖層中，各圖層可單獨管理也可統一管理。

數據接口服務：數據接口服務程序實時采集安全監控系統、人員定位系統、應急廣播系統設備狀態及監測信息，其中安全監控系統包括分站基本信息、傳感器基本信息和實時監測值及報警故障信息，人員定位系統信息包括定位分站基礎信息、人員井下實時位置信息、人員呼救信息，應急廣播系統信息包括廣播設備信息、狀態信息，這些系統的設備信息是沒有空間位置屬性的，要想將這些設備信息在同一空間坐標體系中進行展示，通過基于Web的可在線標繪位置方式，將這些設備信息分層標繪在采掘工程平面圖上，這些設備在空間上就存在了關聯，實現整體的集中監控，解決了各系統孤立運行監控的問題。

區域聯動機制：應急聯動區域配置提供一種可靈活觸發并快速有效聯動的機制，配置內容包括兩方面，一方面是要配置屬于區域的相關設備，包括傳感器、定位分站及廣播設備；另一方面是配置該區域的聯動策略，也就是發生什么樣的報警或故障情況需要讓區域高亮閃爍通知監控人員，或者在具備什么樣的斷電閉鎖條件時要迅速通知相關人員撤離。區域設備配置方面，當井下發生異常情況時，需要根據災害可能波及的區域通知相關人員撤離。通過GIS空間分析技術可以快速查找出報警點指定半徑范圍內的人員及廣播設備，但這種查找結果比較粗放且會存在遺漏的情況，因為井下環境非常復雜，不同區域間相互也會有影響，而且受井下風流影響，氣體容易發生擴散，因而我們對區域設備的配置采取GIS自動檢索加人工選取的方式，也就是在地圖中繪制出一個需要聯動的封閉區域后，GIS 會根據空間位置關系自動檢索出該區域內的設備，同時再結合井下實際環境把封閉區域外的設備選取進來也所為該區域的設備。區域設備包括安全監控傳感器、人員定位分站、應急廣播，其中安全監控傳感器作為區域聯動的觸發報警源，也就是屬于這個區域內的傳感器一旦發生報警或故障，系統不管在任何監控畫面，都會自動定位到地圖中并高亮顯示該區域；區域內的人員定位分站及應急廣播是區域應急聯動的通知目標，當區域內的安全監控傳感器發生斷電閉鎖、風電瓦斯閉鎖或者煤與瓦斯突出閉鎖條件時，系統自動給區域內的人員定位儀發送聲光報警，同時給區域內的廣播設備播報撤離通知。區域聯動策略配置方面，聯動策略配置包括區域通知條件及區域撤離條件，區域通知包括報警或設備故障情況，如果選擇了報警或故障的通知條件，則該區域內的傳感器只要發生包括瓦斯超限報警、四級風機同時停止報警、主備風機同時停止報警、風門關聯同時打開報警情況，或者區域內的傳感器發生故障情況，就會自動觸發區域報警通知。本文參照 AQ 6201-2017《煤礦安全監控系統通用技術要求》，對斷電閉鎖、甲烷風電閉鎖、煤與瓦斯突出閉鎖（包括掘進工作面、采煤工作面）的控制條件要求進行了梳理，歸納出不同閉鎖條件所要求的關聯傳感器，并在斷電閉鎖控制條件中設置對應的傳感器配置項。比如有一項斷電閉鎖是這樣要求：“掘進工作面甲烷傳感器故障或監測到的甲烷濃度迅速升高（△CH4/△t達到或超過設定值）或達到報警值（1.0%CH4），掘進巷道回風流甲烷傳感器監測到的甲烷濃度迅速升高（△CH4/△t達到或超過設定值）或達到報警值（1.0%CH4），掘進巷道回風流風速傳感器監測到的風速不低于正常值，發出煤與瓦斯突出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井下相關區域全部非本質安全型電氣設備電源”，通過分析可看出，此項斷電閉鎖條件是非常嚴格的，涉及到掘進面的甲烷傳感器、掘進巷道回風流的甲烷傳感器以及掘進巷道回風流風速傳感器這三類不同位置的傳感器的監測變化情況要求，在煤與瓦斯突出閉鎖（掘進工作面）撤離通知中，就可配置與區域相關的掘進面甲烷傳感器、回風流甲烷傳感器、回風流風速傳感器，區域聯動后臺服務根據配置情況實時監控是否滿足區域的撤離通知并執行相應的聯動響應。

3.多系統聯動功能設計

一是系統設備標繪。在煤礦采掘工程平面圖上，按不同的圖層分別標繪安全監控系統、人員定位系統、應急廣播系統的設備位置，不同系統的設備用不同的圖標進行區分。標繪操作簡單易行，只需在地圖中選擇需要標繪的位置點，并關聯對應的設備編碼信息就可操作完成。尚未在地圖上標繪的設備信息在圖中右邊列表以紅色現實，已標繪的以黑色顯示，對于已經標繪的設備通過雙擊列表能直接定位到地圖中。二是區域聯動配置。只要在地圖中快速繪制出一個封閉區域，系統就能利用GIS空間分析能力自動搜索出區域內的安全監測傳感器、人員定位分站以及應急廣播設備，比如可以配置掘進工作面或上隅角區域。然后再通過勾選就能快速配置處區域報警或故障的通知條件，以及斷電閉鎖、風電瓦斯閉鎖、煤與瓦斯突出閉鎖的撤離條件。三是區域聯動響應。在正常情況下，可通過圖形實時監控井下氣體濃度、主備風機運行情況、人員分布情況、設備運行狀況，一旦發生瓦斯超限報警或斷電閉鎖等緊急情況，系統自動跳轉到聯動區域畫面，高亮顯示報警點及聯動區域，并快速給區域內人員的定位卡發出聲光報警，通知人員迅速撤離，同時給區域內的應急廣播設備播報撤離通知及撤離路線，通知到的人員及廣播設備在地圖上也閃爍高亮顯示，快速實現了多系統間的自動聯動響應。

4.系統應用效果

本文設計的多系統區域聯動設計方案，在神東某礦試點應用后，取得較好的聯動效果。系統實時監測井下甲烷、一氧化碳等氣體濃度及主備風機運行狀態，一旦發現異常，立即借助區域空間位置關系快速分析出報警區域的人員分布及應急廣播分布情況，下達緊急指令提醒區域內人員，控制報警區域的廣播播報緊急撤離通知，有效保護井下人員的生命安全。

5.結語

本文通過對安全監控系統與人員定位系統、應急廣播系統的聯動場景進行分析，提出了基于GIS的多系統聯動設計方案，包括多系統聯動總體框架設計及系統功能設計。經過在神東某礦井的實際應用，驗證多系統聯動方案在區域聯動配置方面具有較便捷的可操作性，在應對異常狀況具有較可靠的響應能力。