邢少妹

(國能信息技術(shù)有限公司，北京100011)

自2010年開始國家要求煤礦必須建設(shè)包括安全監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的井下安全避險(xiǎn)“六大”系統(tǒng)后，各煤礦普遍都建設(shè)了程控調(diào)度、安全監(jiān)控、人員定位、廣播系統(tǒng)、無線通信等各類通信和安全保障系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮、搶險(xiǎn)救援等方面發(fā)揮著重要的作用，但普遍存在的問題是各系統(tǒng)相互獨(dú)立、資源不能共享，無法聯(lián)動(dòng)控制，導(dǎo)致在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，不能快速有效的發(fā)揮各系統(tǒng)間的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)作用。為提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性、靈敏性、可靠性、穩(wěn)定性和易維護(hù)性，增強(qiáng)煤礦安全保障能力，國家煤礦安監(jiān)局于2016年12月發(fā)布煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)文《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》，明確要求要實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控與人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播的多系統(tǒng)融合及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)，可見多系統(tǒng)的融合及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)是煤礦安全監(jiān)控發(fā)展的必然趨勢。針對(duì)上面的要求，本文結(jié)合煤礦井下實(shí)際復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，提出基于GIS實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)的區(qū)域聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

1.系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)場景分析

安全監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，就要改變過去各系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，各看各的監(jiān)控畫面、信息不能互通、應(yīng)急無法聯(lián)動(dòng)的狀況，要讓監(jiān)控人員在統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)中同時(shí)看到安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、人員分布情況、應(yīng)急廣播設(shè)備情況。除了監(jiān)控井下瓦斯超限、主通風(fēng)機(jī)報(bào)警、局部通風(fēng)機(jī)報(bào)警外，還應(yīng)能同時(shí)監(jiān)控定位分站超員、人員超時(shí)、人員呼救等報(bào)警信息。一旦發(fā)生瓦斯超限等危險(xiǎn)報(bào)警事件時(shí)，能在系統(tǒng)中快速定位到報(bào)警點(diǎn)并高亮閃爍，提供醒目、直觀的畫面展示報(bào)警點(diǎn)波及區(qū)域的人員及應(yīng)急廣播設(shè)備分布情況，并能自動(dòng)通過人員定位儀及廣播設(shè)備通知報(bào)警波及區(qū)域的人員盡快撤離升井，從為保護(hù)礦工生命及財(cái)產(chǎn)安全爭取寶貴時(shí)間。

2.基于GIS的多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)總體設(shè)計(jì)

要把安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)這三個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)融合成一個(gè)有機(jī)整體，需要借助GIS這個(gè)很好的載體。空間數(shù)據(jù)分析是GIS的核心功能，它能夠通過對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析并疊加其影響來量化解決與空間相關(guān)的實(shí)際問題，包括柵格、矢量數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)分析。GIS的最大優(yōu)勢是可以把原本孤立的物體通過空間位置關(guān)系關(guān)聯(lián)在一起，提供集中的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并可通過動(dòng)態(tài)空間分析能力為我們提供預(yù)警預(yù)測能力?；贕IS空間關(guān)系，可以把井下復(fù)雜環(huán)境分成多各重點(diǎn)區(qū)域，如采煤工作面、掘進(jìn)工作面等，各區(qū)域都標(biāo)繪出所安裝的安全監(jiān)控分站、安全檢測傳感器、人員定位分站及應(yīng)急廣播設(shè)備。多系統(tǒng)區(qū)域聯(lián)動(dòng)總體框架如圖1所示：

圖1 多系統(tǒng)區(qū)域聯(lián)動(dòng)總體框架

基于GIS的多系統(tǒng)空間整合：考慮到目前一般的煤礦Web信息系統(tǒng)對(duì)圖形分析功能要求不高，而且大多采用Java平臺(tái)開發(fā)，為保證程序的兼容性和快速開發(fā)需求，選擇GeoServer作為地圖服務(wù)發(fā)布和管理平臺(tái)。它采用了瘦客戶端技術(shù)，不需要下載和安裝特殊的控件，通過在服務(wù)器端將請(qǐng)求內(nèi)容生成圖片發(fā)送到客戶端來顯示地圖，所有的地圖生成與分析功能都放在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，保證了圖形快速瀏覽要求，降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。地圖客戶端采用OpenLayers來進(jìn)行地圖服務(wù)展示，并運(yùn)行在Rest Web Service平臺(tái)上，采用Mush Up多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能提供基本的地圖漫游、圖層疊加、屬性查詢等功能，利用地圖瓦片技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖客戶端動(dòng)態(tài)加載，并在此基礎(chǔ)上封裝成標(biāo)準(zhǔn)GIS組件、高級(jí)GIS組件，同時(shí)提供應(yīng)用開發(fā)API供其他應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用。GIS具有圖層管理功能，支持對(duì)圖形信息進(jìn)行分層存放、分層管理和分層操作。安全監(jiān)控分站、安全監(jiān)測傳感器、人員定位分站及應(yīng)急廣播設(shè)備作為獨(dú)立的資源分別存放在GIS的不同圖層中，各圖層可單獨(dú)管理也可統(tǒng)一管理。

數(shù)據(jù)接口服務(wù)：數(shù)據(jù)接口服務(wù)程序?qū)崟r(shí)采集安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及監(jiān)測信息，其中安全監(jiān)控系統(tǒng)包括分站基本信息、傳感器基本信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測值及報(bào)警故障信息，人員定位系統(tǒng)信息包括定位分站基礎(chǔ)信息、人員井下實(shí)時(shí)位置信息、人員呼救信息，應(yīng)急廣播系統(tǒng)信息包括廣播設(shè)備信息、狀態(tài)信息，這些系統(tǒng)的設(shè)備信息是沒有空間位置屬性的，要想將這些設(shè)備信息在同一空間坐標(biāo)體系中進(jìn)行展示，通過基于Web的可在線標(biāo)繪位置方式，將這些設(shè)備信息分層標(biāo)繪在采掘工程平面圖上，這些設(shè)備在空間上就存在了關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整體的集中監(jiān)控，解決了各系統(tǒng)孤立運(yùn)行監(jiān)控的問題。

區(qū)域聯(lián)動(dòng)機(jī)制：應(yīng)急聯(lián)動(dòng)區(qū)域配置提供一種可靈活觸發(fā)并快速有效聯(lián)動(dòng)的機(jī)制，配置內(nèi)容包括兩方面，一方面是要配置屬于區(qū)域的相關(guān)設(shè)備，包括傳感器、定位分站及廣播設(shè)備；另一方面是配置該區(qū)域的聯(lián)動(dòng)策略，也就是發(fā)生什么樣的報(bào)警或故障情況需要讓區(qū)域高亮閃爍通知監(jiān)控人員，或者在具備什么樣的斷電閉鎖條件時(shí)要迅速通知相關(guān)人員撤離。區(qū)域設(shè)備配置方面，當(dāng)井下發(fā)生異常情況時(shí)，需要根據(jù)災(zāi)害可能波及的區(qū)域通知相關(guān)人員撤離。通過GIS空間分析技術(shù)可以快速查找出報(bào)警點(diǎn)指定半徑范圍內(nèi)的人員及廣播設(shè)備，但這種查找結(jié)果比較粗放且會(huì)存在遺漏的情況，因?yàn)榫颅h(huán)境非常復(fù)雜，不同區(qū)域間相互也會(huì)有影響，而且受井下風(fēng)流影響，氣體容易發(fā)生擴(kuò)散，因而我們對(duì)區(qū)域設(shè)備的配置采取GIS自動(dòng)檢索加人工選取的方式，也就是在地圖中繪制出一個(gè)需要聯(lián)動(dòng)的封閉區(qū)域后，GIS 會(huì)根據(jù)空間位置關(guān)系自動(dòng)檢索出該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備，同時(shí)再結(jié)合井下實(shí)際環(huán)境把封閉區(qū)域外的設(shè)備選取進(jìn)來也所為該區(qū)域的設(shè)備。區(qū)域設(shè)備包括安全監(jiān)控傳感器、人員定位分站、應(yīng)急廣播，其中安全監(jiān)控傳感器作為區(qū)域聯(lián)動(dòng)的觸發(fā)報(bào)警源，也就是屬于這個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器一旦發(fā)生報(bào)警或故障，系統(tǒng)不管在任何監(jiān)控畫面，都會(huì)自動(dòng)定位到地圖中并高亮顯示該區(qū)域；區(qū)域內(nèi)的人員定位分站及應(yīng)急廣播是區(qū)域應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的通知目標(biāo)，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的安全監(jiān)控傳感器發(fā)生斷電閉鎖、風(fēng)電瓦斯閉鎖或者煤與瓦斯突出閉鎖條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)給區(qū)域內(nèi)的人員定位儀發(fā)送聲光報(bào)警，同時(shí)給區(qū)域內(nèi)的廣播設(shè)備播報(bào)撤離通知。區(qū)域聯(lián)動(dòng)策略配置方面，聯(lián)動(dòng)策略配置包括區(qū)域通知條件及區(qū)域撤離條件，區(qū)域通知包括報(bào)警或設(shè)備故障情況，如果選擇了報(bào)警或故障的通知條件，則該區(qū)域內(nèi)的傳感器只要發(fā)生包括瓦斯超限報(bào)警、四級(jí)風(fēng)機(jī)同時(shí)停止報(bào)警、主備風(fēng)機(jī)同時(shí)停止報(bào)警、風(fēng)門關(guān)聯(lián)同時(shí)打開報(bào)警情況，或者區(qū)域內(nèi)的傳感器發(fā)生故障情況，就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)區(qū)域報(bào)警通知。本文參照 AQ 6201-2017《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》，對(duì)斷電閉鎖、甲烷風(fēng)電閉鎖、煤與瓦斯突出閉鎖（包括掘進(jìn)工作面、采煤工作面）的控制條件要求進(jìn)行了梳理，歸納出不同閉鎖條件所要求的關(guān)聯(lián)傳感器，并在斷電閉鎖控制條件中設(shè)置對(duì)應(yīng)的傳感器配置項(xiàng)。比如有一項(xiàng)斷電閉鎖是這樣要求：“掘進(jìn)工作面甲烷傳感器故障或監(jiān)測到的甲烷濃度迅速升高（△CH4/△t達(dá)到或超過設(shè)定值）或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4），掘進(jìn)巷道回風(fēng)流甲烷傳感器監(jiān)測到的甲烷濃度迅速升高（△CH4/△t達(dá)到或超過設(shè)定值）或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4），掘進(jìn)巷道回風(fēng)流風(fēng)速傳感器監(jiān)測到的風(fēng)速不低于正常值，發(fā)出煤與瓦斯突出報(bào)警和斷電閉鎖信號(hào)，切斷煤礦井下相關(guān)區(qū)域全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備電源”，通過分析可看出，此項(xiàng)斷電閉鎖條件是非常嚴(yán)格的，涉及到掘進(jìn)面的甲烷傳感器、掘進(jìn)巷道回風(fēng)流的甲烷傳感器以及掘進(jìn)巷道回風(fēng)流風(fēng)速傳感器這三類不同位置的傳感器的監(jiān)測變化情況要求，在煤與瓦斯突出閉鎖（掘進(jìn)工作面）撤離通知中，就可配置與區(qū)域相關(guān)的掘進(jìn)面甲烷傳感器、回風(fēng)流甲烷傳感器、回風(fēng)流風(fēng)速傳感器，區(qū)域聯(lián)動(dòng)后臺(tái)服務(wù)根據(jù)配置情況實(shí)時(shí)監(jiān)控是否滿足區(qū)域的撤離通知并執(zhí)行相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。

3.多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能設(shè)計(jì)

一是系統(tǒng)設(shè)備標(biāo)繪。在煤礦采掘工程平面圖上，按不同的圖層分別標(biāo)繪安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)的設(shè)備位置，不同系統(tǒng)的設(shè)備用不同的圖標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。標(biāo)繪操作簡單易行，只需在地圖中選擇需要標(biāo)繪的位置點(diǎn)，并關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的設(shè)備編碼信息就可操作完成。尚未在地圖上標(biāo)繪的設(shè)備信息在圖中右邊列表以紅色現(xiàn)實(shí)，已標(biāo)繪的以黑色顯示，對(duì)于已經(jīng)標(biāo)繪的設(shè)備通過雙擊列表能直接定位到地圖中。二是區(qū)域聯(lián)動(dòng)配置。只要在地圖中快速繪制出一個(gè)封閉區(qū)域，系統(tǒng)就能利用GIS空間分析能力自動(dòng)搜索出區(qū)域內(nèi)的安全監(jiān)測傳感器、人員定位分站以及應(yīng)急廣播設(shè)備，比如可以配置掘進(jìn)工作面或上隅角區(qū)域。然后再通過勾選就能快速配置處區(qū)域報(bào)警或故障的通知條件，以及斷電閉鎖、風(fēng)電瓦斯閉鎖、煤與瓦斯突出閉鎖的撤離條件。三是區(qū)域聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。在正常情況下，可通過圖形實(shí)時(shí)監(jiān)控井下氣體濃度、主備風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況、人員分布情況、設(shè)備運(yùn)行狀況，一旦發(fā)生瓦斯超限報(bào)警或斷電閉鎖等緊急情況，系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到聯(lián)動(dòng)區(qū)域畫面，高亮顯示報(bào)警點(diǎn)及聯(lián)動(dòng)區(qū)域，并快速給區(qū)域內(nèi)人員的定位卡發(fā)出聲光報(bào)警，通知人員迅速撤離，同時(shí)給區(qū)域內(nèi)的應(yīng)急廣播設(shè)備播報(bào)撤離通知及撤離路線，通知到的人員及廣播設(shè)備在地圖上也閃爍高亮顯示，快速實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)間的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。

4.系統(tǒng)應(yīng)用效果

本文設(shè)計(jì)的多系統(tǒng)區(qū)域聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，在神東某礦試點(diǎn)應(yīng)用后，取得較好的聯(lián)動(dòng)效果。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測井下甲烷、一氧化碳等氣體濃度及主備風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即借助區(qū)域空間位置關(guān)系快速分析出報(bào)警區(qū)域的人員分布及應(yīng)急廣播分布情況，下達(dá)緊急指令提醒區(qū)域內(nèi)人員，控制報(bào)警區(qū)域的廣播播報(bào)緊急撤離通知，有效保護(hù)井下人員的生命安全。

5.結(jié)語

本文通過對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)場景進(jìn)行分析，提出了基于GIS的多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，包括多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)總體框架設(shè)計(jì)及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。經(jīng)過在神東某礦井的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方案在區(qū)域聯(lián)動(dòng)配置方面具有較便捷的可操作性，在應(yīng)對(duì)異常狀況具有較可靠的響應(yīng)能力。