劉遵利 相 飛 黃正龍

（1.山東鼎安檢測技術(shù)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(chǎn)必須要依靠強有力的安全監(jiān)控系統(tǒng)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)“六大系統(tǒng)”的最重要的一個系統(tǒng)，已經(jīng)被納入到國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局確定的安全生產(chǎn)“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(fēng)量等監(jiān)測也是應(yīng)對煤礦災(zāi)害感知方面的重要技術(shù)保障。在煤礦生產(chǎn)事故中，大部分事故原因是由于監(jiān)測不到位引起的，煤礦要安全生產(chǎn)必須提高安全監(jiān)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(jiān)測方法不僅勞動強度大、效率低而且監(jiān)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(fā)了基于GIS 煤礦在線巡檢管理系統(tǒng)。系統(tǒng)建立在GIS 平臺上，將煤礦不同安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中在統(tǒng)一的GIS 平臺上進行展示。系統(tǒng)具備巷道編輯設(shè)計、巡檢設(shè)備三維展示、地圖綜合展示、聯(lián)動報警、井下人員定位等功能。系統(tǒng)改進了傳統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)場景設(shè)計

煤礦安全巡檢是煤礦安全生產(chǎn)中的重要模塊，首先對井上、井下業(yè)務(wù)流程進行闡述，然后結(jié)合了現(xiàn)有的礦山信息化建設(shè)水平，根據(jù)整合的礦上安全監(jiān)控、遠程巡查、聯(lián)動報警、人員定位、應(yīng)急救援等各個系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將井下動態(tài)可變數(shù)據(jù)在井上展示，將巡檢數(shù)據(jù)及時反饋，及時處理，并且為礦山應(yīng)急救援和決策支持提供依據(jù)。

（1）井上系統(tǒng)場景設(shè)計。井上系統(tǒng)實時顯示井下檢測數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)值時，井上系統(tǒng)進行等級報警，提醒相關(guān)部門及時處理，避免重大事故的發(fā)生。井上系統(tǒng)可基于GIS 圖層顯示井下人員的位置和設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)清晰簡潔、一目了然。另外，井上系統(tǒng)設(shè)有專用數(shù)據(jù)庫，用來存儲歷史數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失。

（2）井下系統(tǒng)場景設(shè)計。當(dāng)分站與中心站通訊中斷時，中心站可根據(jù)人員位置數(shù)據(jù)打開相應(yīng)分站語音播報器，向本站人員定位模塊發(fā)出撤離指令。井下分站可以收集井下各類傳感器采集的數(shù)據(jù)并上傳到井上展示系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場景和礦方對系統(tǒng)的需求情況，按照工人使用的便利原則，將本系統(tǒng)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(tǒng)的實用性，將采掘工程平面圖（DWG 格式）作為巷道、設(shè)備布置的背景圖，在背景圖中對巷道和設(shè)備數(shù)據(jù)進行編輯處理，提高系統(tǒng)的可擴展能力。

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

（3）聯(lián)動報警功能。當(dāng)設(shè)定的應(yīng)急聯(lián)動觸發(fā)條件滿足后，聯(lián)動報警頁面就會彈出警告，將觸發(fā)報警的傳感器列表、人員列表和應(yīng)急廣播列表發(fā)送給相關(guān)人員，并通過廣播通知人員撤離。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)和煤礦原有的“一通三防”系統(tǒng)進行融合，實現(xiàn)了無縫對接，有效避免了多系統(tǒng)通信困難、數(shù)據(jù)難集成、難管理等問題的出現(xiàn)。GIS 在線安全巡檢系統(tǒng)是一個綜合性的系統(tǒng)，包括多種傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)的存儲和動態(tài)展示系統(tǒng)等。本文主要對井上展示系統(tǒng)、井下控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)做主要介紹。

2.1 井上展示系統(tǒng)

井上展示系統(tǒng)為了與煤礦原有的“一通三防”系統(tǒng)無縫對接，本系統(tǒng)采用了HTML 和CSS 語言進行設(shè)計。系統(tǒng)采用Bootstrap 響應(yīng)式框架布局，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)備終端的適應(yīng)性問題。

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

表 1 顯示窗口設(shè)計

2.2 井下控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是由硬件組網(wǎng)子系統(tǒng)將防爆攝像頭、自動風(fēng)門風(fēng)窗驅(qū)動器、風(fēng)速、一氧化碳、瓦斯等各類傳感器組合起來的一個混合系統(tǒng)。控制模塊采用嵌入式單片機STM32，通過RJ45 網(wǎng)口、RS485 串口與驅(qū)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(xié)議，安全可靠地實現(xiàn)核心控制功能。硬件組網(wǎng)子系統(tǒng)實時獲取井下各類傳感器以及設(shè)備狀態(tài)、實時圖像數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)匯總轉(zhuǎn)發(fā)，由具有工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信功能的井下監(jiān)控分站與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸和指令控制，井下數(shù)據(jù)由上位機軟件子系統(tǒng)進行圖形化展示。上位機下達指令控制風(fēng)門風(fēng)窗的狀態(tài)進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，也可根據(jù)參數(shù)的異常情況對井下工人提醒、報警。

2.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

為了提高數(shù)據(jù)庫操作的存儲和查詢效率，將數(shù)據(jù)庫劃分為業(yè)務(wù)存儲區(qū)、GIS 數(shù)據(jù)存儲區(qū)和實時數(shù)據(jù)存儲區(qū)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將地理空間位置數(shù)據(jù)和參數(shù)存儲到GIS 空間數(shù)據(jù)存儲區(qū)；與業(yè)務(wù)管理相關(guān)的數(shù)據(jù)添加到業(yè)務(wù)存儲區(qū)；井上輸入數(shù)據(jù)和井下收集的實時數(shù)據(jù)先存儲到實時數(shù)據(jù)存儲區(qū)，根據(jù)數(shù)據(jù)性質(zhì)，與GIS 或相關(guān)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)后，再進行永久性存儲。數(shù)據(jù)存儲層建立了空間索引機制和屬性索引機制，并對數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)訪問進行了進一步優(yōu)化，最后通過數(shù)據(jù)發(fā)布接口發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)能夠高效、全面、準(zhǔn)確地提供礦井?dāng)?shù)據(jù)訪問服務(wù)。目前，市場上主流數(shù)據(jù)庫（DB）根據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和是否采用分布式技術(shù)特征可分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(Relational Database)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(NOSQL)。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是建立在關(guān)系模型上的數(shù)據(jù)庫，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫適合對數(shù)據(jù)頻繁進行增、刪、改操作的用戶。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是指結(jié)構(gòu)上采用非經(jīng)典的行、列結(jié)構(gòu)組織方式，適合大數(shù)據(jù)的查詢操作。為了適應(yīng)智慧礦山建設(shè)需要，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)不能很好地適應(yīng)需求。因此，本文選取了市面上流行的NOSQL 中的MongoDB 數(shù)據(jù)庫。與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不同的是，MongoDB 是一個介于兩者之間的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，準(zhǔn)確來說是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫中功能相對強大，而存儲結(jié)構(gòu)更像關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的一種數(shù)據(jù)庫。這類數(shù)據(jù)庫讀寫速度快，能夠?qū)B 級別的數(shù)據(jù)進行快速存儲、讀寫訪問。該數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用為以后智慧化礦山大量數(shù)據(jù)存儲奠定基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫信息表如表2。

表2 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型

3 GIS 平臺設(shè)計

系統(tǒng)采用SVG 和HTML5 中的CANVAS 繪圖技術(shù)構(gòu)建人員定位繪圖。SVG 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tài)的元素及其屬性，依靠AGAX 來處理數(shù)據(jù)的異步實時顯示問題。為了降低系統(tǒng)的開發(fā)難度后期維護能工作量，劃分了多個圖層，包括底圖、設(shè)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(fā)生；設(shè)備圖在底圖的基礎(chǔ)上單獨構(gòu)造，解決了因缺少設(shè)備坐標(biāo)而無法自動布置的問題，且由于底圖坐標(biāo)明確，也減少了后期設(shè)備維護工作量；每個圖層數(shù)據(jù)采用高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計方法，方便部署、維護和擴展。

圖1 圖層結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

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