王韓波，王少娟，孫啟建

(自然資源部第三梯形測(cè)量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來(lái)，作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)資源行業(yè)——煤炭產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中災(zāi)害事故卻時(shí)有發(fā)生，對(duì)井下人員的生命安全構(gòu)成威脅。如何降低煤礦災(zāi)害事故的發(fā)生以及事故發(fā)生時(shí)指導(dǎo)人員安全撤離成為亟需解決的問(wèn)題[1]。為此，2011年國(guó)家成立中國(guó)礦山物聯(lián)網(wǎng)研究中心，構(gòu)建礦山物聯(lián)網(wǎng)，感知煤礦的日常生產(chǎn)，打造中國(guó)現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)[2]。2013年3月28日國(guó)家煤礦安監(jiān)局召開了煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)視頻會(huì)，構(gòu)建礦山災(zāi)害預(yù)警及逃生避險(xiǎn)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。本文是基于GIS的礦山物聯(lián)網(wǎng)下開發(fā)的礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)的感知設(shè)備、GIS的地圖和位置定位及最短路徑導(dǎo)航功能，保障礦井的安全生產(chǎn)。

1 研究現(xiàn)狀以及研究意義

1.1 研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，隨著GIS技術(shù)的快速發(fā)展以及礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的構(gòu)建，GIS在礦山生產(chǎn)管理中的應(yīng)用越來(lái)越頻繁。目前國(guó)內(nèi)主要的煤礦將GIS技術(shù)應(yīng)用于礦圖管理、礦井生產(chǎn)進(jìn)度管理、礦山數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、礦產(chǎn)資源分析與評(píng)估等方面。程永義采用ESRI公司組件集ArcObjects和其工具OMD構(gòu)建了基于GIS的礦井安全管理信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)管理中空間數(shù)據(jù)的顯示、查詢、編輯和監(jiān)控分析等功能。楊義輝、馮仁俊等人基于ArcGis Engine技術(shù)平臺(tái),構(gòu)建了礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)可三維展示礦區(qū)井下環(huán)境，為救援工作的展開提供了幫助。孫殿閣、蔣仲安針對(duì)我國(guó)礦山事故頻發(fā)的現(xiàn)狀,建立了礦山應(yīng)急求援系統(tǒng),并采用了改進(jìn)的Djkstra算法[4],實(shí)現(xiàn)了最佳救災(zāi)與避災(zāi)路線的應(yīng)用研究。綜上可得,我國(guó)對(duì)數(shù)字礦山的研究基本停留在煤礦管理、災(zāi)后救援等方面，而關(guān)于礦山井下突發(fā)災(zāi)害逃生等方面研究就比較少。鑒于當(dāng)前現(xiàn)狀,建立基于GIS 的礦山物聯(lián)網(wǎng)下的礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)是保障煤礦安全生產(chǎn)、井下工人人身安全的有效工具[5]。

1.2 研究意義

我國(guó)針對(duì)煤礦突發(fā)災(zāi)害事故的安全工作，大致分為三個(gè)階段：一是災(zāi)害發(fā)生前的監(jiān)督預(yù)警，二是災(zāi)害發(fā)生時(shí)的井底工作人員逃生避險(xiǎn)，三是災(zāi)害后的應(yīng)急救援及調(diào)查處理工作。而事故發(fā)生時(shí)的井底工作人員逃生避險(xiǎn)是安全生產(chǎn)工作的核心，直接決定著事故的危害程度。

建立礦山突發(fā)災(zāi)害逃生系統(tǒng)的主要意義概括如下：

(1)災(zāi)害預(yù)警。通過(guò)井下布設(shè)的傳感器傳送的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下工作環(huán)境的安全系數(shù)，保障井底工作人員的人身安全。

(2)指導(dǎo)井下被困人員逃生避險(xiǎn)。被困人員的逃生救險(xiǎn)，直接決定了災(zāi)害事故的性質(zhì)。建立完善的逃生救險(xiǎn)系統(tǒng)，能在事故發(fā)生的第一時(shí)間內(nèi)，通知井下工作人員在最短時(shí)間內(nèi)選擇最短路徑逃離災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，降低了災(zāi)害的危害性。

(3)輔助救援人員決策，有助于展開救援工作，清理事故現(xiàn)場(chǎng)。

(4)有助于災(zāi)害事故后有關(guān)人員的調(diào)查工作。

2 平臺(tái)構(gòu)建的總體設(shè)計(jì)

礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)是基于礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，以煤礦井下巷道安全生產(chǎn)礦圖為研究背景，采用C#開發(fā)語(yǔ)言，在.NET平臺(tái)開發(fā)環(huán)境中[6]，利用ArcGIS控件和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山井下安全環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在井下發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)，指導(dǎo)井下工作人員選擇最有效的逃生路徑，安全撤離災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，降低事故造成的危害。通過(guò)煤礦的井下安全生產(chǎn)圖和巷道數(shù)據(jù)，采用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法生成井下逃生最短路徑，通過(guò)礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下布置的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)第一時(shí)間通知井下工作人員，提高災(zāi)害突發(fā)時(shí)井下工作人員的逃生速度，保障了井下作業(yè)人員的人生安全，保證煤炭企業(yè)日常安全生產(chǎn)，還可以進(jìn)行空間信息檢索與分析，便于有關(guān)部門及時(shí)救援，提供輔助決策服務(wù)。圖1為平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架圖。

圖1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架圖

3 平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)

礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)數(shù)據(jù)建庫(kù)是一個(gè)復(fù)雜龐大的工程。根據(jù)系統(tǒng)功能目的及研究?jī)?nèi)容，建立適合于礦山突發(fā)災(zāi)害逃生基礎(chǔ)項(xiàng)目信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于系統(tǒng)的管理與實(shí)施。建立適用于地理數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，將大量、零散的成果地理數(shù)據(jù)通過(guò)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織與存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，防止數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)滿足各用戶對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用與數(shù)據(jù)操作，營(yíng)造高效穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)需求分析以及系統(tǒng)所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)是建立在GIS地理信息庫(kù)上，應(yīng)考慮GIS存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)。因此，將數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分為兩類：(1)空間邏輯數(shù)據(jù)(2)煤礦生產(chǎn)實(shí)體數(shù)據(jù)?？臻g邏輯數(shù)據(jù)指的是與空間分布有直接關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)是指用基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示自然世界的數(shù)據(jù)，以坐標(biāo)和拓?fù)潢P(guān)系的形式存儲(chǔ)；屬性數(shù)據(jù)是描述地理實(shí)體質(zhì)量和數(shù)量特征的數(shù)據(jù)。由于空間邏輯數(shù)據(jù)分為兩類，故本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分為空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，兩者之間可通過(guò)唯一標(biāo)識(shí)碼聯(lián)系在一起。如區(qū)域的ID號(hào)。煤礦生產(chǎn)實(shí)體數(shù)據(jù)是指諸如礦井年產(chǎn)量、礦井生產(chǎn)總值等與煤礦日常生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的概念設(shè)計(jì)

實(shí)體-關(guān)系(E-R)方法是描述現(xiàn)實(shí)世界概念結(jié)構(gòu)模型的有效方法，是表示概念模型的一種方式，用各種框圖去表示出來(lái)[7]。構(gòu)成E-R圖的基本要素是實(shí)體、屬性和聯(lián)系。而現(xiàn)實(shí)世界就是由實(shí)體組成的基本對(duì)象以及它們之間的聯(lián)系構(gòu)成的，一般通過(guò)E-R圖的方式表達(dá)[8]。由系統(tǒng)的功能需求及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖，包括礦井基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖、礦井設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖、煤礦區(qū)域信息數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖、礦井排水系統(tǒng)E-R圖以及煤礦災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖等。圖2為礦井人員信息實(shí)體E-R圖。

4 平臺(tái)功能模塊的建設(shè)

礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)需要能夠做到：(1)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境，處理井下傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在災(zāi)害事故發(fā)生前做到預(yù)警；(2)按照煤礦井底巷道數(shù)據(jù)，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)第一時(shí)間生成逃生最短路徑，并傳輸?shù)骄鹿ぷ魅藛T終端，盡可能減少事故造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失；(3)系統(tǒng)終端可根據(jù)從手持無(wú)線WiFi客戶端傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成最短路徑，并返回到客戶端。

圖2 礦井人員信息實(shí)體E-R圖

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的需要和設(shè)計(jì)的思路，將礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)分為以下模塊：信息管理模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、災(zāi)害事故預(yù)測(cè)模塊、實(shí)時(shí)預(yù)警模塊、應(yīng)急逃生模塊、地圖管理模塊。各功能模塊相互獨(dú)立而又彼此聯(lián)系，為保障系統(tǒng)正常運(yùn)行協(xié)調(diào)工作。如圖3所示為平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖。

圖3 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

4.1 信息管理模塊

信息管理模塊包括人員信息管理、設(shè)備信息管理、區(qū)域信息管理、分站信息管理、權(quán)限管理和礦井信息管理。信息管理模塊主要是以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為支撐，通過(guò)錄入井下人員信息、設(shè)備信息、區(qū)域信息、分站信息、礦井基本信息，構(gòu)建平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境。

4.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊包括井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、突水透水監(jiān)測(cè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊以礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)里的傳感網(wǎng)絡(luò)為框架，通過(guò)井下AP基站設(shè)置的傳感器采集來(lái)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，處理分析后反饋給系統(tǒng)的預(yù)警模塊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境變化。

4.3 事故預(yù)測(cè)模塊

事故預(yù)測(cè)模塊包括災(zāi)害事故信息、災(zāi)害相關(guān)知識(shí)、災(zāi)害事故預(yù)測(cè)、災(zāi)害結(jié)果輸出。該模塊主要是對(duì)煤礦地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件及事故信息進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)和控制煤礦安全事故的發(fā)生，以便于在災(zāi)害發(fā)生時(shí)及時(shí)通知井下人員，減輕事故災(zāi)害程度。

4.4 實(shí)時(shí)預(yù)警模塊

實(shí)時(shí)預(yù)警模塊是通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊提供的井下環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合災(zāi)害事故相關(guān)知識(shí)，設(shè)定臨界值，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)臨界值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，告知井下工作人員逃生。

4.5 應(yīng)急逃生模塊

應(yīng)急逃生模塊包括應(yīng)急定位中心、應(yīng)急預(yù)案、災(zāi)害應(yīng)急資料和最短路徑逃生。其中，最短路徑逃生功能是礦山突發(fā)災(zāi)害逃生系統(tǒng)的核心。

4.6 地圖管理模塊

地圖管理模塊包括礦圖管理、地圖操作和輸出。礦圖管理實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井地圖信息的實(shí)時(shí)更新；地圖操作兼容了ArcGIS對(duì)電子地圖的操作功能；地圖輸出提供了地圖的打印功能。

5 平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)

礦山中如何部署感知設(shè)備，是礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和關(guān)鍵。感知層網(wǎng)絡(luò)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)關(guān)分段接入骨干網(wǎng)[9]。調(diào)度指揮控制中心以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)為I/O服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器集群，并建立相應(yīng)的操作員站，完成礦山各系統(tǒng)的監(jiān)控、人員安全感知、設(shè)備健康狀態(tài)感知。將礦山布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)感知礦山安全，利用無(wú)線節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的優(yōu)勢(shì)，將礦山的設(shè)備環(huán)境信息與井下工作人員定位信息及時(shí)地傳輸給地面監(jiān)控中心。井下無(wú)線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是靠本安型分支交換機(jī)去管理無(wú)線基站，然后再由光纖連接到井下骨干網(wǎng)絡(luò)中。在井上部分，需加入語(yǔ)音管理服務(wù)器用于構(gòu)建無(wú)線語(yǔ)音監(jiān)控平臺(tái)、加入定位服務(wù)器提供定位信息，以及加入web服務(wù)器等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理與信息處理[10]。

5.2 礦山突發(fā)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警模塊

該模塊是整個(gè)平臺(tái)的核心，包括人員實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)越界預(yù)警、超員預(yù)警、井下瓦斯預(yù)警、井下突水預(yù)警和井下火災(zāi)預(yù)警等功能。人員實(shí)時(shí)定位功能可以在平臺(tái)上顯示井下作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置。當(dāng)?shù)V山災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過(guò)井下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位人員、出口和事故點(diǎn)，確定災(zāi)害類型和發(fā)生地點(diǎn)，后在系統(tǒng)顯示出逃生路線，同時(shí)配合顯示應(yīng)急預(yù)案、作業(yè)規(guī)程及各單位部門聯(lián)系表等信息。實(shí)時(shí)越界預(yù)警功能是按煤礦種類設(shè)置，各礦種分為各自的活動(dòng)范圍和絕對(duì)禁入?yún)^(qū)域，通過(guò)設(shè)置有效距離臨界值來(lái)進(jìn)行預(yù)警。超員預(yù)警功能是通過(guò)起止時(shí)刻、人員總數(shù)、工作異常人員總數(shù)，來(lái)計(jì)算超出人員總數(shù)，若大于臨界值，則報(bào)警。井下瓦斯預(yù)警是通過(guò)國(guó)家安全規(guī)范，求得該礦井安全生產(chǎn)時(shí)瓦斯預(yù)警值，設(shè)為上線，若超過(guò)則報(bào)警。

5.3 Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)最短路徑

該算法具體思路是在給定的有向圖中,從指定的地點(diǎn)起，找到至圖中任意一點(diǎn)的最短路徑；實(shí)現(xiàn)目的是為求出賦權(quán)圖中任意兩結(jié)點(diǎn)之間的最短路徑；實(shí)現(xiàn)步驟是每次以一個(gè)結(jié)點(diǎn)為源點(diǎn),重復(fù)執(zhí)行Dijkstra算法n次。算法的總體描述如下:

5.3.1 問(wèn)題描述：在無(wú)向圖G=(V,B)中，假設(shè)每條邊B[i]的長(zhǎng)度為W[i]，找到由頂點(diǎn)V0到其余各點(diǎn)的最短路徑。

5.3.2 按路徑長(zhǎng)度遞增次序產(chǎn)生最短路徑算法，把V分成兩組：

(1)M：已求出最短路徑的頂點(diǎn)的集合；

(2)V-M=N：尚未確定最短路徑的頂點(diǎn)集合。

將T中頂點(diǎn)按最短路徑遞增的次序加入到S中，保證①?gòu)脑袋c(diǎn)V0到S中各頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度都不大于從到中任何頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度。②每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)距離權(quán)值。M中頂點(diǎn)：從V0到此頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度。N中頂點(diǎn)：從V0到此頂點(diǎn)的只包括N中頂點(diǎn)作中間頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度。

5.3.3 算法具體步驟如下：

(1)算法初始令M={V0}，N={其余頂點(diǎn)}，T中頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離值：

若存在，d(V0,Vi)為弧上的權(quán)值。

若不存在，d(V0,Vi)為∞

(2)從N中選取一個(gè)其距離值為最小的頂點(diǎn)W且不在M中，加入M；

(3)對(duì)其余N中頂點(diǎn)的距離值進(jìn)行修改：若加進(jìn)W作中間頂點(diǎn)，從V0到Vi的距離值縮短，則修改此距離值。

重復(fù)上述步驟(2)、(3)，直到M中包含所有頂點(diǎn)，即W=Vi為止。

6 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

平臺(tái)歷經(jīng)1年開發(fā)，目前已經(jīng)運(yùn)行良好。由于系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)，平臺(tái)具有良好的兼容性和擴(kuò)張性，具有良好的市場(chǎng)前景，目前我們正在進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，以滿足更多用戶的需求。平臺(tái)運(yùn)行成果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 平臺(tái)登錄界面示意圖

圖5 平臺(tái)主界面示意圖

圖6 平臺(tái)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控示意圖

7 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外礦山災(zāi)害事故頻發(fā)的現(xiàn)狀及礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，將礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)，與煤礦生產(chǎn)相結(jié)合，建立礦山突發(fā)災(zāi)害逃生平臺(tái)。就目前平臺(tái)總結(jié)，還有不少不足：(1)由于礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)還不夠完善，系統(tǒng)中人員位置實(shí)時(shí)定位以及信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)难芯窟€不夠，位置有些誤差。(2)對(duì)最短路徑功能的應(yīng)用還需進(jìn)步研究，爭(zhēng)取以后實(shí)現(xiàn)三維可視化。

圖7 井下實(shí)時(shí)預(yù)警示意圖