基于GIS系統預警模型的應用

李 漢

（晉能控股煤業集團有限公司 山西 大同 037003）

1 引言

晉能控股煤業集團宏泰公司承擔著晉能控股煤業集團十二座生產礦井的井巷掘進工程。在實際掘進中，面臨著業務數據與GIS圖形數據脫節，因而無法直觀地了解掘進進程以及掘進過程中遇到的各類影響掘進進度的地質問題。

為此研究基于GIS 系統的空間數據管理、圖屬信息關聯、空間輔助設計等功能，結合礦井掘進生產工作的流程，歸納出10 大類井下掘進工程災害預警模型，建立了“基于GIS 系統預警模型”，達到了把控掘進施工過程、提前預警掘進施工過程中可能遇到的災害，減少事故發生的目的[1]。

2 GIS系統

該GIS系統為具有完全自主知識產權的LRGIS平臺，LRGIS 平臺及其協同編輯服務為該項目的理論基礎和技術支撐。

協同編輯服務是一種群體協作的任務，是一種數據協同，以異步協同為主，存在部分同步協同需求。協作的主體是各業務部門的制圖技術人員，協作的對象是采礦、地質、測量數據。通過網絡共同完成各種圖件的繪制與屬性數據管理的任務。LRGIS平臺具有如下特點：

（1）可實現煤礦GIS數據集中管理

基于統一GIS 服務平臺、統一空間數據庫存儲的礦圖GIS 數據管理模式，實現了多源數據集成的煤礦GIS 空間數據引擎，建立包括地、測、采、排、機、運、通等專業的統一GIS數據庫。

（2）支持GIS數據在線協同編輯

基于大數據集中存儲及網絡服務模式創新，完成多終端、多人在線的礦圖數據錄入及編輯，安全、穩定的數據提交，可滿足煤礦地質、測量、機電、生產管理等專業同時在線協同編輯、多部門協同辦公等應用。

（3）標準化的礦圖空間數據共享技術

基于統一的礦圖標準規范體系及集中存儲管理的一張圖空間數據庫，采用面向服務架構（SOA），實現了符合OGC國際標準的地理空間數據共享接口，可以為生產技術數據的深度挖掘和與現有業務系統的集成提供堅實基礎[2]。

3 預警模型

基于礦井地、測、采、排、機、運、通專業GIS圖形數據，運用GIS 服務平臺預先詳繪并標注隱伏地質隱患區位和掘進進尺生產計劃，結合礦井每日實際進尺，模型內預配置每日掘進與進尺計劃數據、預算累計掘進和進尺數據，進而與GIS 平臺中標注的隱伏地質隱患區位、掘進進尺生產計劃相對位置進行對比，形成預測預警預判模型，為及時、有效、準確地掘進生產活動提供了決策依據，為礦井生產活動提供信息化、智能化手段[3]。

結合GIS 數據與各礦井掘進與進尺業務，整理出10大類預警預判類型及其模型預警判規則，其中預警距離可依據礦山實際情況進行動態配置，分類情況見表1。

表1 預警預測分類表

（1）地質構造預警模型：掘進工程與施工巷道地質構造（斷裂構造、褶皺構造、陷落柱、火成巖侵入帶等）相對值距離小于預警配置距離，則進行構造預警。

（2）巷道貫通預警模型：模型內預錄貫通巷道設計長度，與當前巷道累計掘進進尺數據進行對比，若兩者相對距離小于預警配置距離，則進行巷道貫通預警。

（3）小煤柱臨空硐室預警模型：通過GIS服務平臺獲取掘進巷道開口位置至小煤柱臨空硐室最小直線距離，與當前巷道累計掘進進尺數據進行對比，若兩者相對距離小于預警配置距離，則進行小煤柱臨空硐室預警。

（4）過空巷預警模型：通過GIS服務平臺獲取最近過空巷道位置至當前掘進施工巷開口最小直線距離，與施工巷道累計掘進進尺數據進行對比，若兩者相對距離小于預警配置距離，則進行過空巷預警。

（5）采空區預警模型：通過GIS 服務平臺繪制、標注、獲取周邊采空區區位信息，依次對比當前掘進進尺施工巷開口位置至以上采空區最小直線距離，若相對距離小于預警配置距離，則進行采空區預警。

（6）積水區預警模型：通過GIS 服務平臺繪制、標注、獲取周邊積水區區位信息，依次對比當前掘進進尺施工巷開口位置至以上周邊采空區最小直線距離，若相對距離小于預警配置距離，則進行積水區預警，若在積水區內部預警邏輯要考慮積水區的長度。

（7）有掘必探預警模型：通過根據業務系統探距、進尺、安全距離進行預警，進尺和最近一次探距進行計算，如果小于安全距離進行預警。根據每日上報實際報表中的最近一次探距和近期累計進尺（自探距時間開始累計）差值如果小于安全距離，進行預警顯示預警信息。

（8）超長距離供風預警：超長距離供風局部通風機所在位置供風距離超過1 000 m，則進行持續進行預警。如果局部通風機在巷道外部，風機距離巷道開口里程與巷道掘進米數之和大于1 000 m，則預警。如局部通風機在巷道內部，截止目前巷道掘進里程與通風機距離巷道開口里程差值大于1 000 m，提示預警。

（9）超長距離供電預警模型：移動變電站所供電距離超過1 000 m，則進行預警。重新部署移動變電站之后如超過1 000 m 還要繼續預警。如果移動變電站在巷道外部，距離巷道開口里程與巷道掘進里程之和大于1 000 m，提示預警消息。如果移動變電站在巷道內部，巷道掘進里程與距離巷道開口里程差值大于1 000 m，提示預警消息。（移動變電站位置會發生變化調整是多條記錄，所以計算距離以移動變電站最新布置時間進行獲取數據）

（10）采掘交鋒預警模型：巷道掘進施工中，當掘進位置與當前相鄰回采位置相對交鋒距離小于特定預警值時進行預警。

4 基于GIS系統預警模型的架構及功能

4.1 系統架構

應用系統基于B/S、C/S 混合模式，前端界面采用JQuery、EasyUI、ECharts、帆軟報表等進行展示，后端的數據訪問技術使用EntityFramework，前后端通過AJAX進行數據交互，一張圖采用LRGIS 地圖服務進行開發。系統的總體架構包含支撐層、數據層、GIS 平臺層、服務層、接口層、業務層（見圖1）。

圖1 基于GIS系統的預警模型架構

（1）支撐層

支撐層是系統建設和運行分析的基礎，包括軟硬件系統、網絡、通訊、掃描設備等，是系統運行的硬件環境支撐。

（2）數據層

數據層是整個系統的數據管理與輸入輸出交換中心，它包括GIS空間數據與掘進業務數據。

（3）GIS平臺層

GIS平臺層是通過空間數據引擎將數據層各類數據統一處理和管理，基于LRGIS 提供分布式協同圖屬處理功能，將各類數據依據各自天然的共同空間特征進行聚合管理，為上層應用提供GIS 數據管理和分析等支持。

（4）服務層

服務層是將GIS平臺的各類功能和模塊按照服務的模式進行封裝，從而將GIS 系統的各種能力開放給外部使用。

（5）接口層

接口層是通過功能模塊、不同服務標準，將系統提供的服務分別以SOAP、REST 等常見的服務協議進行封裝，從而提供標準的各類GIS、業務功能服務接口。

（6）業務層

業務層是通過整個服務平臺提供的各類數據服務、專業功能及分析模塊，結合礦山掘進工程的具體業務，面向用戶提供調度、安全等相關的業務系統。

4.2 GIS地圖瀏覽

（1）地圖服務

系統基于統一的GIS 平臺、統一空間數據庫以網絡地圖服務的方式，提供遙感影像地圖和地、采、掘、機、運、通、設計等各類專業生產礦圖的復合管理。

（2）礦區導航

將遙感影像與生產礦圖融合，宏觀展示涉及礦井的分布情況。另可通過點擊方式，查詢項目部基本概況、現施工工程、預測預警等詳細信息（見圖2）。

圖2 基于GIS掘進巷道推進度展示

4.3 巷道數據瀏覽

基于GIS數據，實現生產業務空間數據的查詢、統計和分析，進而實現礦井安全生產信息與采掘狀態的動態關聯、直接服務于礦山安全生產指揮與決策。

（1）巷道基本信息查詢

展示巷道基本信息包含名稱、設計長度、現掘長度、斷面（掘高、掘寬）、巷道巖性、掘進類型、狀態、掘進開始、掘進結束等數據。

（2）巷道生產數據查詢

展示巷道月進尺、日進尺數據，同時根據用戶填報數據在圖形上通過不同顏色展示日、月的進尺數據。

（3）巷道使用風機展示

展示巷道使用風機的型號、風筒直徑、瓦斯檢查分析數據、工作面風量、巷道貫通數據。

（4）巷道水文地質信息展示

展示巷道水文地質信息，包含水文地質基本情況、水文地質分析等數據。

（5）巷道頂底板巖性特征等信息展示

展示巷道頂底板巖性特征、巖性評價、巷道兩幫巖性及評價，巷道可能遇到的構造信息數據[4]。

4.4 業務數據瀏覽

（1）調度及項目部值班跟班帶班情況

展示領導、調度員、項目部干部值班、帶班、跟班人員數量及詳細信息。

（2）項目部進尺情況

以柱狀圖顯示各個項目部及隊組的進尺信息、形成計劃進尺與實際進尺對比情況分析。

（3）預測預警

通過示意圖方式展示預警模型包含的各類預警信息，為安全生產提供決策依據（見圖3）。

圖3 預測預警可視化展示

5 應用效果

基于GIS系統的預警模型在晉能控股煤業集團宏泰工程礦建有限責任公司應用后，優化了公司現有的管控模式，降低了管理成本，提高了管理效能，增加了公司整體經濟效益；2021 年節省人力成本64.2 萬元，節約GIS軟件成本56萬元。

6 結束語

基于GIS 系統預警模型的應用，形成了具有我國完全自主知識產權的國內先進化、智能化的礦井建設管理系統，實現了空間信息技術、專用數據處理技術的集成開發和應用。成果將逐步在集團公司甚至整個煤炭行業進行推廣，實現跨地區、跨部門、跨專業的共享信息、共享知識、共享應用的集成決策支持平臺[5]。