劉遵利 相 飛 黃正龍

（1.山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272065）

煤礦安全生產(chǎn)必須要依靠強(qiáng)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(gè)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(jiān)舉措”項(xiàng)目中，同時(shí)對(duì)煤礦井下甲烷、一氧化碳、溫度、風(fēng)量等監(jiān)測(cè)也是應(yīng)對(duì)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(cè)不到位引起的，煤礦要安全生產(chǎn)必須提高安全監(jiān)控強(qiáng)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(cè)方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低而且監(jiān)測(cè)不具有實(shí)時(shí)性，有可能造成煤礦大事故。因此，針對(duì)我國煤礦的實(shí)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(tái)上，將煤礦不同安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中在統(tǒng)一的GIS 平臺(tái)上進(jìn)行展示。系統(tǒng)具備巷道編輯設(shè)計(jì)、巡檢設(shè)備三維展示、地圖綜合展示、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、井下人員定位等功能。系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的巡檢工作及管理模式，大幅度降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，使礦山安全管理工作提高到一個(gè)新的水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

煤礦安全巡檢是煤礦安全生產(chǎn)中的重要模塊，首先對(duì)井上、井下業(yè)務(wù)流程進(jìn)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(yuǎn)程巡查、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、人員定位、應(yīng)急救援等各個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將井下動(dòng)態(tài)可變數(shù)據(jù)在井上展示，將巡檢數(shù)據(jù)及時(shí)反饋，及時(shí)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(chǎng)景設(shè)計(jì)。井上系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示井下檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，井上系統(tǒng)進(jìn)行等級(jí)報(bào)警，提醒相關(guān)部門及時(shí)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(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失。

（2）井下系統(tǒng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)。當(dāng)分站與中心站通訊中斷時(shí)，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(bào)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(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和礦方對(duì)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(gè)主要部分：

（1）底圖初始化功能。隨著煤礦開采范圍的擴(kuò)大，煤礦采掘工程平面圖也跟著變化，為了提高系統(tǒng)的實(shí)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(duì)巷道和設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)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(jìn)行放大或縮小操作，鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備時(shí)會(huì)查看設(shè)備的相關(guān)屬性值。

（3）聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)設(shè)定的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)觸發(fā)條件滿足后，聯(lián)動(dòng)報(bào)警頁面就會(huì)彈出警告，將觸發(fā)報(bào)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(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)和煤礦原有的“一通三防”系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了無縫對(duì)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(gè)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(chǔ)和動(dòng)態(tài)展示系統(tǒng)等。本文主要對(duì)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(duì)接，本系統(tǒng)采用了HTML 和CSS 語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jī)、平板電腦和手機(jī)，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(huì)根據(jù)需要自動(dòng)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(jì)

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(dòng)風(fēng)門風(fēng)窗驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)速、一氧化碳、瓦斯等各類傳感器組合起來的一個(gè)混合系統(tǒng)?？刂颇K采用嵌入式單片機(jī)STM32，通過RJ45 網(wǎng)口、RS485 串口與驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊進(jìn)行信號(hào)傳輸與控制，通信模塊采用KC-R4-I 協(xié)議，安全可靠地實(shí)現(xiàn)核心控制功能。硬件組網(wǎng)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取井下各類傳感器以及設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令控制，井下數(shù)據(jù)由上位機(jī)軟件子系統(tǒng)進(jìn)行圖形化展示。上位機(jī)下達(dá)指令控制風(fēng)門風(fēng)窗的狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，也可根據(jù)參數(shù)的異常情況對(duì)井下工人提醒、報(bào)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(chǔ)和查詢效率，將數(shù)據(jù)庫劃分為業(yè)務(wù)存儲(chǔ)區(qū)、GIS 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)到GIS 空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)區(qū)；井上輸入數(shù)據(jù)和井下收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)行永久性存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層建立了空間索引機(jī)制和屬性索引機(jī)制，并對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行了進(jìn)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(chǎng)上主流數(shù)據(jù)庫（DB）根據(jù)存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)頻繁進(jìn)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(gè)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(duì)強(qiáng)大，而存儲(chǔ)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(jí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)、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(chǔ)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(tái)設(shè)計(jì)

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(duì)煤礦實(shí)體模型繪圖描述，存儲(chǔ)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(duì)煤礦地理信息系統(tǒng)進(jìn)行繪圖工作時(shí)，用SVG 來描繪不變圖形的元素，用CANVAS 繪制一些動(dòng)態(tài)的元素及其屬性，依靠AGAX 來處理數(shù)據(jù)的異步實(shí)時(shí)顯示問題。為了降低系統(tǒng)的開發(fā)難度后期維護(hù)能工作量，劃分了多個(gè)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(jìn)行維護(hù)，所以后期維護(hù)過程中大大減少了維護(hù)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(dú)構(gòu)造，解決了因缺少設(shè)備坐標(biāo)而無法自動(dòng)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(hù)工作量；每個(gè)圖層數(shù)據(jù)采用高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計(jì)方法，方便部署、維護(hù)和擴(kuò)展。

圖1 圖層結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

結(jié)合煤礦實(shí)際情況和GIS 現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)，針對(duì)煤礦設(shè)計(jì)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(chǎng)景、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和針對(duì)煤礦的GIS 平臺(tái)設(shè)計(jì)。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(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)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(duì)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(jí)改造技術(shù)的要求，而且能夠提高煤礦的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控水平和監(jiān)管效率。