劉治國

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

基于J2EE的煤層頂板突水預警WebGIS系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉治國

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

介紹了一種基于J2EE規(guī)范的煤層頂板突水預警WebGIS系統(tǒng)的設計思想和實現(xiàn)方案，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上的煤層頂板突水監(jiān)測預警作業(yè)。系統(tǒng)采用了基于J2EE三層架構的設計思想，利用Ajax技術和EJB組件技術實現(xiàn)系統(tǒng)的表現(xiàn)層和業(yè)務邏輯層，實現(xiàn)了煤礦井下實時水情數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，包括歷史數(shù)據(jù)曲線、實時數(shù)據(jù)曲線;水情監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與檢索;先進的地圖瀏覽功能，礦圖監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測;各類礦圖信息的地圖化管理，方便用戶瀏覽、查詢等;應急預警等功能。系統(tǒng)將前端表現(xiàn)和業(yè)務邏輯分離，拓寬了傳統(tǒng)模式中多用戶并發(fā)訪問和海量空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。本系統(tǒng)的開發(fā)對煤層頂板突水預警系統(tǒng)的研究具有理論意義和工程實用價值。

J2EE;煤層頂板突水;監(jiān)測;預警;WebGIS

煤礦開采引起上覆巖層垮落、破斷并產(chǎn)生裂縫，一旦這些裂縫溝通上覆含水層，將造成煤層頂板突水。煤層頂板突水將給礦井安全生產(chǎn)造成極大的危害，并且可能引發(fā)對水資源的破壞和污染。煤層頂板突水的工作重點在于預防，開展煤層頂板突水預警系統(tǒng)研究對進行頂板突水預測、對指導煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

預警系統(tǒng)的監(jiān)測過程是對突水前兆主要特征的監(jiān)測過程。隨著現(xiàn)代控制技術、計算機技術、地理信息技術、網(wǎng)絡技術及通信技術的發(fā)展，煤礦的信息化設施也在發(fā)展。這些都為引起突水災害的影響因素在線監(jiān)測提供了技術支撐，創(chuàng)造了有利條件。本文采用強大的J2EE企業(yè)級應用規(guī)范，結合Web-GIS技術為煤礦礦井水害預警提供集成的數(shù)據(jù)環(huán)境和可視化的分析平臺，融合和連接多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域預測與管理決策的一體化，解決預警系統(tǒng)的建立過程和預警系統(tǒng)中關鍵技術問題，使煤礦礦井水害預測向多因素、多目標、多維方向發(fā)展，提高區(qū)域預測的準確性和決策的科學性。

1 基本概念

1.1 J2EE

J2EE是SUN公司定義的一個開發(fā)分布式企業(yè)級應用的規(guī)范，是提供一個多層次的分布式應用模型和一系列開發(fā)的技術規(guī)范，是一種利用Java 2平臺來簡化企業(yè)在解決方案的開發(fā)、部署和管理相關的復雜問題的體系結構。J2EE體系結構提供中間層集成框架用來滿足無需太多費用而又需要高可用性、高可靠性以及可擴展性的應用的需求，已經(jīng)成為企業(yè)級開發(fā)的工業(yè)標準和首選平臺，目前大多數(shù)企業(yè)采用J2EE技術的結構設計與解決方案。

1.2 煤層頂板突水預警

煤層的開采引起應力重新分布并誘發(fā)采場圍巖破壞，當裂隙波及頂板含水層時就可能導致頂板突水。隨著煤礦開采強度的加大和礦井開采深度的增加，煤層頂板突水災害的發(fā)生越來越頻繁，因此，開展煤層頂板突水預警系統(tǒng)研究具有現(xiàn)實迫切性和工程實用性。預警系統(tǒng)的構建是一個復雜的系統(tǒng)工程，首先要建立水文地質(zhì)礦圖數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、預警模型庫等必要的業(yè)務數(shù)據(jù)庫;其次要根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及檢測指標確定的原則確定水壓、水溫、水量、水質(zhì)等水文監(jiān)測指標，同時根據(jù)水壓變化、水溫變化、水量變化、水質(zhì)變化等選擇的預警指標作為突水預警判據(jù);最后預警閾值的確定和突水預警級別的劃分是預警系統(tǒng)能否成功預警的關鍵，閾值的準確性直接確定了預警的準確性和安全性。

1.3 WebGIS

WebGIS是指基于Internet平臺進行GIS信息發(fā)布、數(shù)據(jù)共享、交流協(xié)作。用戶從互聯(lián)網(wǎng)的任意一個節(jié)點，可以瀏覽WebGIS站點中的各種專題圖和空間數(shù)據(jù)，并進行相關檢索和分析，從而使GIS具有良好的跨平臺性、可擴展性、動態(tài)分布性、互操作性等諸多特點。目前WebGIS主要有圖片式柵格地圖和基于控件的矢量地圖2種架構。鑒于本系統(tǒng)的專業(yè)性需求，采用動態(tài)緩存方式的圖片式柵格地圖架構。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)基于J2EE多層體系架構設計，結合水情監(jiān)測、礦圖管理、應急預警和WebGIS應用，進行了煤層頂板突水的水情實時監(jiān)控，并根據(jù)突水影響因素分析實現(xiàn)了應急預警功能。根據(jù)煤礦防治水工作的實際需求，本系統(tǒng)主要有如下功能:

(1)水文數(shù)據(jù)管理 通過建立相關水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對水位、水壓、降雨量、礦井涌水量、水質(zhì)、水溫等數(shù)據(jù)的管理，用戶可以錄入、查詢、排序、刪除、分析、保存、修改、打印所需水文數(shù)據(jù)。

(2)水情監(jiān)測 對水情進行實時監(jiān)控數(shù)據(jù)采集上傳，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)展示與查詢，歷史數(shù)據(jù)的展示與查詢，水位、水量等數(shù)據(jù)的預計，水文曲線和等值線圖的繪制，并在電子地圖上隨時顯示任意監(jiān)測點的相關信息，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

(3)礦圖管理 采用目錄樹組織和管理礦井圖件，實現(xiàn)礦井采掘工程平面圖、鉆孔柱狀圖等圖件的初始化、編輯、查詢、分析、繪制、打印等的基本操作功能。

(4)應急預警 主要實現(xiàn)應急預案管理、應急資源管理、應急救援支持、預警指標體系閾值參數(shù)設定、突水預警級別設定、按照給定的閾值單個參數(shù)的預警、根據(jù)ANN模型綜合計算的預警判別、應急報警等。

(5)WebGIS應用 WebGIS是應用核心系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)實現(xiàn)水質(zhì)、水情監(jiān)測與地理環(huán)境有關的各類空間數(shù)據(jù)的輸入、編輯、存儲、管理、分析處理與顯示;采用GIS系統(tǒng)對監(jiān)測點實施高效識別、檢測、評價、預警的監(jiān)控，并將地理環(huán)境的各種要素及其所具有的屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)字、文字、圖形等方式顯示，為水害預警和處理提供迅速、準確的信息。

另外，系統(tǒng)還包括建立在以上功能基礎之上的應用支撐功能，這些應用支撐功能包括用戶認證與權限管理、數(shù)據(jù)交換與共享等。

2.2 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)主要由計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、遠程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、后臺支撐系統(tǒng)及前臺應用系統(tǒng)4部分組成。其主要結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構設計

(1)計算機網(wǎng)絡系統(tǒng) 主要包括服務器、存儲設備、網(wǎng)絡傳輸設施等基礎網(wǎng)絡硬件設備。

(2)基礎軟件平臺及實施監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng) 由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、GIS基礎平臺、開發(fā)工具及基礎服務和遠程聯(lián)網(wǎng)檢測監(jiān)控系統(tǒng)組成。

(3)后臺支撐系統(tǒng) 主要分數(shù)據(jù)共享與交換平臺、用戶認證與授權、系統(tǒng)功能及內(nèi)容維護以及各種業(yè)務應用接口及服務。

(4)前臺應用系統(tǒng) 包括水文數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、水情監(jiān)測管理系統(tǒng)、應急預警信息管理系統(tǒng)、生產(chǎn)礦井礦圖管理系統(tǒng)、權限管理系統(tǒng)。

煤層頂板突水預警系統(tǒng)從結構上可分為“2個部分、2個層次”。2個部分是指前臺應用系統(tǒng)和后臺支撐系統(tǒng);2個層次是指煤礦開采總部、煤礦生產(chǎn)礦井應用。該系統(tǒng)面向煤礦開采總部及生產(chǎn)礦井的領導和相關業(yè)務部門。其中，前臺應用系統(tǒng)包括水害預警信息監(jiān)測和統(tǒng)計分析、應急預案及相關救援信息管理，主要滿足煤礦開采總部及生產(chǎn)礦井安全管理部門水害預警與應急預案管理的需要，滿足煤礦開采總部及生產(chǎn)礦井安全管理部門統(tǒng)計分析的需要。后臺支撐系統(tǒng)包括可視化信息門戶、數(shù)據(jù)共享與交換集成平臺、地理信息支撐平臺。

2.3 系統(tǒng)技術路線設計

在系統(tǒng)技術路線上，采用第三代互聯(lián)網(wǎng)技術的核心技術網(wǎng)絡服務 (Web Service)。其解決了當前分布式計算環(huán)境所面臨的問題。應用支撐平臺支持網(wǎng)絡服務，各種業(yè)務應用邏輯使用網(wǎng)絡服務。因此，本系統(tǒng)的技術路線是:

(1)系統(tǒng)建設采用J2EE三層體系架構。

(2)全面采用網(wǎng)絡服務技術，降低系統(tǒng)框架結構的復雜性，實現(xiàn)功能和應用之間松散耦合。

(3)采用基于XML的配置技術，各子系統(tǒng)都要求可定制，可配置。支持模板技術。

(4)采用先進的軟件設計理念，以業(yè)務驅(qū)動服務，以服務驅(qū)動技術，使各項功能更好地服務于業(yè)務。

(5)系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)應運用先進的訪問控制、身份認證等技術防止非法用戶的入侵，保證系統(tǒng)可靠運行。數(shù)據(jù)在網(wǎng)上采集、存儲、傳輸和處理的過程中，始終保持完整性和一致性。為保證系統(tǒng)的可靠正常運行，可采取系統(tǒng)定期自測和數(shù)據(jù)定期備份的措施來保證系統(tǒng)的可靠性。

(6)系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)最大限度地滿足煤礦水害預警與應急預案系統(tǒng)各項功能要求，同時確保用戶界面友好，信息提示通俗易懂，操作方法簡易，便于推廣應用。

(7)系統(tǒng)建設以數(shù)據(jù)為中心，以安全與控制授權為保證，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集指標化，工作流程規(guī)范化，數(shù)據(jù)分析與決策支持的智能化。

(8)基于知識管理理念，采用自然語言處理、全文檢索等技術，實現(xiàn)非結構化文檔型數(shù)據(jù)、圖形圖像的結構化規(guī)范和應用的深化。

2.4 基于J2EE的煤層頂板突水預警WebGIS系統(tǒng)

在系統(tǒng)架構上，采用基于J2EE架構的三層結構體系，分別是表示層、中間層和數(shù)據(jù)庫服務層，其在三層體系結構下，使系統(tǒng)中復雜的業(yè)務邏輯與數(shù)據(jù)邏輯分離，便于業(yè)務應用的擴展。同時，在應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器上，利用軟、硬件的集群技術，使系統(tǒng)整體性能得到提高。另外，采用J2EE架構的三層體系結構具有能有效降低建設和維護成本，簡化管理;適應大規(guī)模和復雜的應用需求;可適應不斷的變化和新的業(yè)務需求;訪問異構數(shù)據(jù)庫;能有效提高系統(tǒng)并發(fā)處理能力、系統(tǒng)安全性等諸多優(yōu)點。結構體系如圖2所示，下面詳細介紹各層的主要功能。

圖2 系統(tǒng)三層體系結構

2.4.1 表示層

表示層使用Web瀏覽器或應用客戶端程序?qū)崿F(xiàn)，主要處理用戶和軟件的交互。其主要職責是為用戶提供信息，以及把用戶的指令翻譯傳送給業(yè)務邏輯層并將處理結果呈現(xiàn)給用戶，即實現(xiàn)系統(tǒng)的客戶端表現(xiàn)。

2.4.2 中間層

中間層包括2層，第1層為Web服務層，第2層為業(yè)務邏輯層。第1層接收來自客戶端的請求，并且通過數(shù)據(jù)存取部件通過JDBC取得業(yè)務數(shù)據(jù)，查詢的結果經(jīng)數(shù)據(jù)存取部件處理，并送給運行在業(yè)務層上的EJB(Enterprise Java Bean)進行處理;第2層組件主要是指EJB，用其來處理企業(yè)級業(yè)務方面的需要，將結果返回Servlet/JSP，再由 HT-ML/XML協(xié)議將應答返回客戶端。其主要職責是使用WEB服務器或J2EE服務器，用來模擬企業(yè)中的實際活動，也可以認為是企業(yè)活動的模型。

2.4.3 數(shù)據(jù)庫服務層

數(shù)據(jù)庫服務層或數(shù)據(jù)邏輯層，存儲在高性能數(shù)據(jù)庫中的關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)，主要處理數(shù)據(jù)庫、消息系統(tǒng)、事務系統(tǒng)等，是信息管理系統(tǒng)的核心。數(shù)據(jù)邏輯層為業(yè)務邏輯層提供所需的數(shù)據(jù)服務，包括礦井礦圖空間數(shù)據(jù)、水壓、水位、水質(zhì)、水量等水文數(shù)據(jù)、水文預警監(jiān)測模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等的存儲、查詢、檢索、統(tǒng)計、分析和維護。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在系統(tǒng)實現(xiàn)中，采用J2EE三層體系結構規(guī)范實現(xiàn)。在非空間業(yè)務應用系統(tǒng)中，客戶端采用Ajax技術，Ajax具有無刷新更新頁面、減輕服務器和網(wǎng)絡的負擔，技術標準公開，跨瀏覽器和跨平臺，無需插件和下載小程序、實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚合，減少用戶實際和心理等待時間等諸多優(yōu)點。業(yè)務模型及算法均采用EJB和標準Java語言編碼實現(xiàn)，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的跨平臺移植性能。WebGIS系統(tǒng)的實現(xiàn)基于GeoTools和GeoServer項目，GeoServer可作為一個獨立運行的地圖服務器，也可作為Web服務部署在JavaEE應用服務器中，GeoServer在版本1.4之后，集成了Spring框架，以方便對GeoServer各組件的管理及與其他第三方組件的集成。Spring框架在GeoServer中起到了容器的作用，粘合GeoServer的各個組件，通過IOC(Inversion of Control，控制反轉(zhuǎn))機制得到所需資源，通過Plug－In機制管理擴展點 (Extension Points，一個接口或一個抽象類)和擴展 (Extension，擴展點的實現(xiàn))之間的關聯(lián)。為了更好地實現(xiàn)地理信息服務的集成性，文中對GeoTools和GeoServer都做了相應的修改，以適應標準的JavaEE規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)級的應用集成和專業(yè)的礦圖數(shù)據(jù)展示及查詢分析。

4 結束語

本文設計并實現(xiàn)的基于J2EE三層體系結構的煤層頂板突水預警WebGIS系統(tǒng)能滿足客戶煤層頂板突水監(jiān)測及預警的需求，整個系統(tǒng)采用Java語言實現(xiàn)，具有良好的可移植性、可擴展性和平臺無關性，同時運用了組件封裝技術，使服務功能獨立封裝，方便其他相關應用系統(tǒng)的調(diào)用，真正做到了一次開發(fā)多次使用。此外，系統(tǒng)設計界面友好，并且全面支持XML/HTML語言進行數(shù)據(jù)請求。該系統(tǒng)不僅具有一定的實用價值，而且將對煤礦開采中水害預警的業(yè)務開發(fā)和科學管理起到積極作用。

［1］吳信才.地理信息系統(tǒng)原理與方法 (第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［2］周文生，毛 峰，胡 鵬.開發(fā)式WebGIS的理論與實踐［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］余浩東.J2EE應用框架設計與項目開發(fā)［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［4］田玉敏，沈金河，等譯.J2EE 1.4標準教材 (第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］黃國軍.基于GIS的礦井水害預測系統(tǒng)研究［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009，21(10).

［責任編輯:陳佩佩］

Design and Practice of WebGIS System Based on J2EE to Alarm Water Inflow into Mine Roof

LIU Zhi-guo

(Mining and Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.Ltd.，Beijing 100013)

This paper discussed the design method of WebGIS system based on the J2EE model to alarm water inflow into the mine roof，and the scheme of practices，which can alarm the risk of water inflow into the mine roof on the internet.The WebGIS system utilized the J2EE model and built the presentation and business logic by applying the Ajax and EJB techniques，and can monitor and analyze the real time water data in the underground coal mine，including following functions:the curves of history and real time data，save and search of data，advanced mapping techniques for mining operations and water monitoring，convenient mapping functions for transforming the text information，emergent alarming.The system separates the presentation and business logic，and provides a wider band for concurrent visits of users and the transmission of data.The study of this system has theoretical significance and practical value for alarming the risk of water inflow into the coal mine roof.

J2EE;water inflow into the mine roof;monitoring;alarming;WebGIS

TP311.52

A

1006-6225(2012)04-0098-04

2012－05－30

劉治國 (1978－)，男，河北淶源人，碩士，工程師，主要從事近水體壓煤開采理論研究與工程實踐。