龍 杰

（貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴陽 550025）

0 引言

煤礦瓦斯事故的發(fā)生除了與開采方式、自然條件、生成工藝等自然或工程因素有關外，還與煤礦瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理密切相關［1］。在煤礦信息化高速發(fā)展的當下，雖然許多煤礦都實現(xiàn)了對瓦斯、地質(zhì)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動化采集，但是卻在數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析層面表現(xiàn)出了相當?shù)臏笮?，在?shù)據(jù)的綜合管理上缺少統(tǒng)一的規(guī)范，使得整合不同煤礦的數(shù)據(jù)變得困難。在日常的生產(chǎn)、管理中，瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)對安全生產(chǎn)具有重要意義，通過分析瓦斯涌量，總結規(guī)律可以指導防突預測圖的繪制［2］，通過對瓦斯壓力、含量信息的跟蹤可以指導抽采鉆孔的作業(yè)，但數(shù)據(jù)的多源性和管理混亂等問題為煤礦的安全施工帶來隱患［3-4］。隨著信息化和多學科融合發(fā)展趨勢的推進，結合GIS技術的煤礦瓦斯系統(tǒng)得以發(fā)展，利用GIS提供的空間分析和屬性檢索功能，能為瓦斯地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、管理提供支撐，有效提高煤礦生產(chǎn)的安全性［4-5］，并在數(shù)據(jù)的可視化表達層面得到良好支撐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖形的良好結合［6-7］。WebGIS 技術的廣泛應用也讓煤礦瓦斯數(shù)據(jù)的共享交互更加便捷［8］。本文基于GIS 技術設計并實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺，以期通過信息化手段為煤礦的瓦斯、地質(zhì)、鉆孔等數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理提供助力，為瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的時空規(guī)律分析、狀態(tài)分析等提供數(shù)據(jù)支撐，達到提升相關數(shù)據(jù)的日常信息化管理水平的目的。

1 需求分析

軟件系統(tǒng)的開發(fā)流程一般包括需求分析、系統(tǒng)設計、編碼、測試和運維五個階段。需求分析是研發(fā)的基礎，它確定了系統(tǒng)的功能邊界和建設目標。圍繞瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺的建設任務，需要充分考慮如下幾點：

（1）確定建設目標，包括服務對象、建設內(nèi)容、展現(xiàn)形式、系統(tǒng)功能、用戶角色等，它是系統(tǒng)設計、實施、測試、交付的重要依據(jù)，指導了系統(tǒng)整個生命周期的運行。

（2）根據(jù)實際生產(chǎn)情況和數(shù)據(jù)使用情況，梳理數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結構等信息，以指導系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯構建和數(shù)據(jù)庫的建設。

（3）梳理業(yè)務流程，明確平臺數(shù)據(jù)涉及的管理功能，包括數(shù)據(jù)的錄入形式、數(shù)據(jù)的使用范圍、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式等。

（4）用戶角色的劃分，明確系統(tǒng)在錄入、查詢、使用、管理等方面可能涉及的角色及響應權限。包括：系統(tǒng)管理員、錄入員、普通用戶、技術人員等。

（5）運行環(huán)境和操作界面的確定，包括頁面設計、網(wǎng)絡環(huán)境、硬件環(huán)境、軟件環(huán)境等信息的確定，以指導軟件開發(fā)的適配性。

根據(jù)實際的需求調(diào)研和生產(chǎn)應用的需要，確定瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺是建立在數(shù)據(jù)管理的基礎上，包括：礦井信息、煤層信息、堅固性系數(shù)信息、放散初速度信息、瓦斯含量點信息、瓦斯壓力點信息等數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的錄入、導出、查詢、空間可視化、用戶管理、文檔管理、文檔檢索等功能，并基于B/S架構進行系統(tǒng)開發(fā)，為實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理提供支撐。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 數(shù)據(jù)表設計

數(shù)據(jù)庫表設計是支撐管理平臺正常運作和高效運作的重要部分，數(shù)據(jù)表的邏輯關聯(lián)直接影響系統(tǒng)的運行效率和功能模塊的操作方式，設計上緊圍繞需求分析中明確的業(yè)務流程和系統(tǒng)功能展開。對于煤礦管理而言，通常是采用煤礦、礦井、煤層再至具體參數(shù)信息，這樣的邏輯軸來實現(xiàn)對瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢，因此在設計上充分考慮用戶的使用習慣和客觀需要，以構建數(shù)據(jù)規(guī)范為目標進行數(shù)據(jù)表設計。

以煤層信息表為核心，用礦井對象的主鍵屬性來構建礦井到煤層的一對多關系；通過煤層的主鍵屬性來串聯(lián)煤層信息到各個具體參數(shù)表的一對多關系。系統(tǒng)共分設了瓦斯含量點信息表、瓦斯壓力點信息表、放散初速度信息表、工業(yè)分析信息表等六張參數(shù)表，涵蓋了從礦井到煤層、煤層到鉆孔、地質(zhì)等生產(chǎn)上主要涉及的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)?？茖W地梳理和設計相關的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)表是決定系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理規(guī)范性的關鍵，通過整合業(yè)務需要和日常管理的需求，整理出的數(shù)據(jù)表邏輯設計如圖1所示。

圖1 瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)表邏輯設計圖

除上述介紹的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)表外，本文還圍繞信息系統(tǒng)本身的管理需要設計了相關的系統(tǒng)表，包括用戶信息表、部門表、角色表、崗位表等，用以支撐系統(tǒng)在權限管理上的多方位綜合管理需要；操作日志表、登陸日志表用以加強系統(tǒng)的操作監(jiān)控能力，滿足系統(tǒng)對加強數(shù)據(jù)安全性管理的需要；錄入信息表、文檔存儲表等用來追溯數(shù)據(jù)的錄入、上傳行為。

2.2 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)采用B/S 架構，自上而下分為：展示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層。①展示層，采用Java-Script 語言進行開發(fā)，利用開源的WebGIS 框架，為用戶提供良好的數(shù)據(jù)可視化服務，通過提供空間查詢、屬性查詢、文件瀏覽、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)檢出等功能來滿足用戶的信息化管理需要；②邏輯層，處理用戶與后臺數(shù)據(jù)之間的操作邏輯，在此層包裝常用的數(shù)據(jù)分析模型、業(yè)務處理邏輯和數(shù)據(jù)審核邏輯等，簡化日常的業(yè)務處理操作；③數(shù)據(jù)層，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，通過整合關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫，提供對多源數(shù)據(jù)的綜合管理能力。

圖2 系統(tǒng)架構圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

礦井邊界數(shù)據(jù)、瓦斯含量點、瓦斯壓力點具有空間坐標信息，因此，可以基于WebGIS 框架構建出一個具有空間可視化能力的地理信息系統(tǒng)，結合網(wǎng)絡地圖服務，可以讓管理者直觀地了解到數(shù)據(jù)的空間分布情況。瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)通常會附有與作業(yè)過程和檢查驗收相關的PDF、DWG、XLS 等格式的文檔數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)存儲上為了支撐多源數(shù)據(jù)的導入導出、數(shù)據(jù)檢索等功能，系統(tǒng)引入MinIO 對象存儲系統(tǒng)，結合MySQL 數(shù)據(jù)庫可以到達對結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)的快速查詢、瀏覽和下載。

在前文設計的系統(tǒng)架構基礎上，開發(fā)出了具體的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)管理平臺，其核心功能如下：

（1）數(shù)據(jù)的錄入、審核：平臺提供日常的數(shù)據(jù)管理功能，在數(shù)據(jù)的錄入、導出上，考慮到作業(yè)人員的批量操作需要，提供了數(shù)據(jù)模板，可支撐作業(yè)人員的批量導入操作，并提供對多源數(shù)據(jù)的管理能力，支持多種文檔格式的上傳、查詢,包括：CAD、PDF、WORD、EXCEL 等文檔，并在用戶權限的允許下支持數(shù)據(jù)的下載和常用文檔格式的在線預覽功能；數(shù)據(jù)的審核功能主要交由管理員角色來完成，對于管理員而言，有權決定錄入數(shù)據(jù)的合規(guī)性，即判斷錄入的數(shù)據(jù)是否資料齊全、錄入完整、符合系統(tǒng)的采集需要，對于通過審核的數(shù)據(jù)條目將能夠在角色權限范圍內(nèi)提供查詢，對于審核不過的數(shù)據(jù)，管理員可以施行刪除、退回或者修改等操作指令。

（2）空間查詢：系統(tǒng)提供多種空間查詢方式。空間范圍查詢：用戶通過交互式操作在地圖上繪制多邊形以觸發(fā)檢索條件，該方法能幫助用戶快速勾畫出興趣區(qū)，并查詢出范圍內(nèi)的礦井、瓦斯含量點和瓦斯壓力點數(shù)據(jù)；空間關聯(lián)性查詢：用戶通過下拉框的形式選擇感興趣的礦井，系統(tǒng)會自動跳轉視野到對應礦井的空間范圍處并標識出礦井邊界范圍，得益于數(shù)據(jù)表的邏輯設計，用戶可以在地圖上通過點擊、選擇等交互式操作行為查詢到礦井范圍內(nèi)涉及的煤層、瓦斯點信息；條件查詢：同樣得益于數(shù)據(jù)表在邏輯設計上的有效關聯(lián)，系統(tǒng)在支持傳統(tǒng)的屬性查詢能力外，還可以實現(xiàn)對查詢到的瓦斯含量點數(shù)據(jù)、瓦斯壓力點數(shù)據(jù)的空間可視化操作，可以算作是對系統(tǒng)空間關聯(lián)性查詢的逆向操作。

（3）細粒度的權限管理能力：系統(tǒng)考慮到了基于角色、基于部門、基于用戶、基于崗位等多方面權限控制行為，可以在管理員角色下實現(xiàn)權限的動態(tài)配置，包括對數(shù)據(jù)錄入、文檔上傳、數(shù)據(jù)查詢、文檔下載等操作行為的有效管理，同時，考慮到數(shù)據(jù)管理的規(guī)范性和防止惡意的數(shù)據(jù)查詢、錄入行為，在傳統(tǒng)的角色權限管理的基礎上額外增設了基于行政區(qū)化的權限控制能力，管理員能通過鄉(xiāng)鎮(zhèn)、區(qū)縣或者省份的空間范圍來限制用戶的數(shù)據(jù)查詢結果。

圖3 屬性查詢

圖4 批量管理

4 結語

本文在著眼于瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)規(guī)范化管理的基礎上，進一步探索了GIS技術在煤礦行業(yè)的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化方面的有效融合，并取得了如下成果：

（1）將GIS 技術與瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和分析需要進行結合，有效補足了瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化和查詢能力，同時提升了數(shù)據(jù)的分析維度，為用戶的宏觀分析和決策提供了良好支撐。

（2）對復雜的瓦斯、地質(zhì)數(shù)據(jù)進行了梳理，將日常生產(chǎn)和業(yè)務相關的礦井、煤層、鉆孔及多種地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進行規(guī)范化的建庫建表，實現(xiàn)了對多礦井、多煤層的空間查詢、關聯(lián)查詢、復合查詢、瀏覽等功能，極大豐富和方便了用戶對瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的日常管理能力，提高了管理效率。

（3）通過對業(yè)務數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的認真分類整理，在數(shù)據(jù)管理上實現(xiàn)了對多源數(shù)據(jù)的關聯(lián)查詢和多源數(shù)據(jù)的錄入、導出等操作。

本系統(tǒng)已投入實際的生產(chǎn)工作中，為煤礦瓦斯的安全生產(chǎn)和有效治理提供了有力支撐。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和應用技術的不斷延伸，探索基于4D 地理信息系統(tǒng)技術和大數(shù)據(jù)分析技術的深度融合在瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)管理方面的應用，勢在必行。