陳 寧，陸愈實

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

礦井通風系統(tǒng)是整個礦井系統(tǒng)中的重要組成部分，是保證安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。礦井通風系統(tǒng)具有繁雜的空間地理屬性，分布于井下生產(chǎn)的各個角落，是一個涉及數(shù)據(jù)多、信息量大、通風信息參數(shù)和地點分散復雜的動態(tài)系統(tǒng)。只有適時、準確的掌握通風網(wǎng)絡(luò)中每段路線的情況，對潛在的風險進行監(jiān)控預警，才能最大限度地避免事故的發(fā)生或降低事故造成的損失。雖然目前我國大中型礦山都裝備了安全監(jiān)測系統(tǒng)，但在信息處理、監(jiān)控方式、預測預警、動態(tài)圖像顯示方面還存在明顯不足，對存在的安全隱患和已經(jīng)發(fā)生的事故不能做出及時有效的處理,無法適應(yīng)現(xiàn)代礦山通風系統(tǒng)發(fā)展的需要。

地理信息系統(tǒng)(GIS，Geographical Information System)是計算機信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是基于地球科學基礎(chǔ)以獲取、存儲、編輯、處理、分析、顯示和輸出地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。將GIS原理及方法應(yīng)用于礦井通風預警信息系統(tǒng)中，能有效的監(jiān)控管理具有三維立體空間特性的通風信息，實現(xiàn)通風信息的可視化、可靠化、快捷化以及科學化，系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣對提高我國礦山安全生產(chǎn)信息化水平及安全管理工作質(zhì)量具有非常重要的意義。

1 概述

從GIS在礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已有的應(yīng)用看，發(fā)揮了較為顯著的作用，但在通風信息管理方面的研究還很少，需要進一步的探討，利用GIS將通風系統(tǒng)圖和礦井數(shù)據(jù)結(jié)合，建立通風安全數(shù)據(jù)庫并能適時調(diào)用，達到動態(tài)可視化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的傳輸和共享，可以有效的促進礦山安全管理的現(xiàn)代化建設(shè)，減少勞動力投資，提高管理效率，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

從技術(shù)上看，地理信息系統(tǒng)在礦業(yè)的某些方面已發(fā)揮出一定的作用。但在礦井通風管理方面涉及還很少，因而，需要我們?nèi)パ芯颗c探討；從生產(chǎn)效率上看，GIS一方面可以減少勞動力的投資，另一方面可以促進礦山生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化建設(shè)，更好地為礦井通風管理人員提供技術(shù)支持?？傊?，礦井通風可視化管理系統(tǒng)

預警，顧名思義就是提前預測。預警理論最早應(yīng)用與經(jīng)濟領(lǐng)域，形成了經(jīng)濟預警理論，在隨后的幾十年中其應(yīng)用和研究得到了較快發(fā)展，對預警的常用解釋為：在災害或災難以及其他需要提防的危險發(fā)生之前，根據(jù)以往的總結(jié)的規(guī)律或觀測得到的可能性前兆，向相關(guān)部門發(fā)出緊急信號，報告危險情況，以避免危害在不知情或準備不足的的情況下發(fā)生，從而最大程度的減低危害所造成的損失的行為。

預警理論常用的研究方法主要有三種：指數(shù)預警、統(tǒng)計預警、模型預警。20世紀70年代以來隨著計算機技術(shù)和信息化水平的發(fā)展，決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，DSS) 、GIS、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RS-ANN)、INTEMOR等開發(fā)平臺相繼被引入倒預警系統(tǒng)的研究中，形成了多功能化的智能預警系統(tǒng)。從已有的研究上看，將GIS應(yīng)用于礦井通風的預警信息系統(tǒng)還處于開發(fā)階段，結(jié)合GIS和預警理論，建立一套礦井通風預警預控的操作系統(tǒng)，有利于提高礦井安全的管理水平。該系統(tǒng)既包括管理層面也包括技術(shù)層面的內(nèi)容，融合了科學的、規(guī)范的制度及管理流程，根據(jù)統(tǒng)一的識別評價指標，對礦井通風系統(tǒng)中可能存在地安全風險實時監(jiān)控預警，對事故進行分類整理形成決策支持的對策庫，達到糾錯與控制的目的。

2 礦井通風預警指標評判

礦井通風系統(tǒng)是一個動態(tài)的、隨機的、模糊的、復雜的大系統(tǒng),對礦井通風系統(tǒng)進行預警，首先必須確定能夠真實反映礦井通風系統(tǒng)主要特征和基本狀況的參數(shù)指標，以反映系統(tǒng)存在的危險狀態(tài)為目標，在科學合理評價基礎(chǔ)上，建立指標體系。指標的構(gòu)成要素是否客觀、全面會直接影響到預警系統(tǒng)的成效，選擇的指標要素過多會影響指標結(jié)構(gòu)的難度并削弱或掩蓋關(guān)鍵要素的作用，指標要素太少又不能全面的反映真實狀況。

一個好的評價指標體系應(yīng)滿足以下要求：評價指標能全面準確地反映出礦井通風系統(tǒng)的狀況與技術(shù)質(zhì)量特征；評價模式簡單明了，可操作性強，易于掌握；所選用評價指標應(yīng)易于獲取，數(shù)據(jù)處理工作量?。徊捎玫脑u價指標具有明確的評價標準。

3 系統(tǒng)設(shè)計及功能

3.1 系統(tǒng)開發(fā)方式

對基于GIS的礦井通風預警信息系統(tǒng)開發(fā)主要有三種方式：獨立開發(fā)、單純的二次開發(fā)和集成二次開發(fā)。本文采用MapObjects組件式地理信息系統(tǒng)并采用標準化開發(fā)環(huán)境(VisualBasic、Delphi、Visual C++等)SQL2005數(shù)據(jù)庫，開發(fā)平臺為Windows2000、XP和Windows7。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由三部分組成，即空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和知識庫?？臻g數(shù)據(jù)庫主要是對通風系統(tǒng)所在的空間信息進行存儲，即包括通用數(shù)據(jù)庫中的常用數(shù)字、字符表示的數(shù)字和非幾何屬性數(shù)據(jù)，也包含空間定位和拓撲關(guān)系的地理空間特征；屬性數(shù)據(jù)庫是收集具有空間實體特征的地理信息的數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫通過固定的字段有機結(jié)合；知識數(shù)據(jù)庫主要存儲國家相關(guān)的法律法規(guī)，標準及設(shè)計規(guī)范等，也包括相關(guān)的解題技巧、計算公式。MapObjects組件式地理信息系統(tǒng)軟件支持廣泛的數(shù)據(jù)支持格式(Shape文件、ArcSDE圖層、柵格圖像文件、DXF、DWG文件等)和數(shù)據(jù)訪問，能實現(xiàn)集成GIS控件與非GIS控件之間對接，系統(tǒng)采用客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器上,客戶機與服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議連接通信,實現(xiàn)資源的共享和數(shù)據(jù)的同步一致。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控流程

基于GIS的礦井通風預警信息系統(tǒng)是在事故理論、預警預控理論的指導下對礦山生產(chǎn)各職能部門、人員、設(shè)備等的實時監(jiān)測并隨時掌握信息進行識別和處理，避免安全事故的產(chǎn)生。整個系統(tǒng)有地面各個子系統(tǒng)監(jiān)控主機分別對井下個監(jiān)控分站和PLC控制箱等設(shè)備層進行初始化參數(shù)設(shè)置預置，將監(jiān)控分站或控制器的端口配置、各端口的傳感器超限值及控制通道等參數(shù)下傳至各分或控制器存儲，各分站或控制器采集的傳感器數(shù)據(jù)首先進行數(shù)據(jù)預處理，并根據(jù)地面對應(yīng)監(jiān)控主機定義設(shè)置的參數(shù)進行相應(yīng)的控制。有監(jiān)控主機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲、顯示、控制、查詢、打印等操作。并通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歸檔服務(wù)器以及先進的OPC、DDE等技術(shù)與煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互和整合，并通過WEB服務(wù)器進行網(wǎng)上發(fā)布，實現(xiàn)網(wǎng)上監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時共享。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

在對礦井通風預警指標信息的評判基礎(chǔ)上，通過對基于GIS的信息系統(tǒng)的分析,建立礦井通風信息系統(tǒng),此系統(tǒng)包括矢量圖管理編輯模塊、通風信息管理模塊、通風網(wǎng)絡(luò)管理模塊、安全檢測模塊和系統(tǒng)操作控制模塊。系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1)基礎(chǔ)地圖管理與編輯模塊。該模塊包括地圖繪制、編輯與管理。繪制主要是指將節(jié)點、巷道、通風設(shè)施(如風門、風窗)的添加以及其他圖元的繪制。編輯功能主要是指節(jié)點位置的變化、移動、刪除以及文本的修改、圖形的放大，使通風信息的數(shù)據(jù)(如巷道風速、工作面風量、采掘工作面瓦斯量涌出量)以各種圖形的方式直觀的在圖上顯示出來,以實現(xiàn)漫游和全景直觀的顯示，為管理人員決策提供決策依據(jù)。

2)通風信息管理模塊。該模塊主要用于采集、存儲、維護和管理礦井通風的詳細資料，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主要包括通風日常管理、信息查詢、設(shè)備信息、礦井反風狀況和管理人員信息。

3)通風網(wǎng)絡(luò)管理模塊。該模塊主要由通風阻力計算、風機性能曲線繪制、風機選型和通風網(wǎng)絡(luò)解算構(gòu)成。通過繪制的通風機性能曲線，計算巷道中的實際風量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解算，將計算出的數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)圖上，一旦井下發(fā)生突變情況，如火災、爆炸等預算各網(wǎng)絡(luò)的風量和方向變化，就可以計算通風阻力，為風機選型和通風狀態(tài)改造提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)參數(shù)。

4)安全檢測模塊。該模塊主要包括聲光預警、信息發(fā)布通知及通風信息分析。通過對井下通風狀況的動態(tài)監(jiān)測，采集例如粉塵濃度、瓦斯含量、巷道風速等檢測數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行分析，如果超出預定值，系統(tǒng)就會自動報警，并在系統(tǒng)礦圖上渲染，并體現(xiàn)等級特征，則立即采取措施，防治事故發(fā)生。

5)系統(tǒng)操作模塊。系統(tǒng)操作模塊是整個預警系統(tǒng)的控制中心，主要由數(shù)據(jù)庫構(gòu)成三維動態(tài)顯示，并提供人機交互的視圖界面。根據(jù)礦井通風系統(tǒng)的管理需要，本模塊主要有登陸和管理、屬性編輯、對象編輯、數(shù)據(jù)管理和維護構(gòu)成。可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編輯、修改等操作，對通風系統(tǒng)進行維護和管理。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文以某煤礦為研究對象,以該礦的通風系統(tǒng)圖和相關(guān)的通風系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),綜合運用預警理論及GIS技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)等，構(gòu)建基于GIS的礦井通風預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦井通風的安全預警。在系統(tǒng)主界面通過點擊，可以顯示巷道內(nèi)任意地點的通風參數(shù)，如風速、風量、溫濕度等，并能適時的調(diào)整修改，編輯。利用對通風預警指標參數(shù)的監(jiān)控，利用通風測定、通風機性能測定、風網(wǎng)解算等功能,提高該礦山的通風安全管理效率，實現(xiàn)礦井通風狀態(tài)及時高效的動態(tài)管理，為礦山企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。

5 結(jié)論

在分析礦井通風預警指標體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)、預警理論和計算機信息技術(shù)提出了基于GIS的礦井通風預警系統(tǒng)，旨在提高礦井通風信息的高效管理，為礦井通風信息管理提供新的途徑。以實時監(jiān)測為基礎(chǔ)，通過通風數(shù)據(jù)采集，分析和評價于一體，實現(xiàn)礦井圖形的可視化，直觀便利的顯示礦井相關(guān)圖形和數(shù)據(jù)；提供圖形輸入和輸出，提高結(jié)算結(jié)果的準確度；以表格形式顯示通風數(shù)據(jù)，并進行管理和維護；結(jié)合GIS實現(xiàn)系統(tǒng)信息的查詢分析，為礦山通風管理部門提供貨決策支持。從某煤礦的實際應(yīng)用結(jié)果看，該系統(tǒng)具有較強的實用性和應(yīng)用價值，對提高礦井通風信息的高效管理具有重要意義。

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