基于GIS的礦井通風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)研究

陳 寧，陸愈實(shí)

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是整個(gè)礦井系統(tǒng)中的重要組成部分，是保證安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有繁雜的空間地理屬性，分布于井下生產(chǎn)的各個(gè)角落，是一個(gè)涉及數(shù)據(jù)多、信息量大、通風(fēng)信息參數(shù)和地點(diǎn)分散復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。只有適時(shí)、準(zhǔn)確的掌握通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中每段路線的情況，對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，才能最大限度地避免事故的發(fā)生或降低事故造成的損失。雖然目前我國(guó)大中型礦山都裝備了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但在信息處理、監(jiān)控方式、預(yù)測(cè)預(yù)警、動(dòng)態(tài)圖像顯示方面還存在明顯不足，對(duì)存在的安全隱患和已經(jīng)發(fā)生的事故不能做出及時(shí)有效的處理,無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代礦山通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展的需要。

地理信息系統(tǒng)(GIS，Geographical Information System)是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是基于地球科學(xué)基礎(chǔ)以獲取、存儲(chǔ)、編輯、處理、分析、顯示和輸出地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。將GIS原理及方法應(yīng)用于礦井通風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)中，能有效的監(jiān)控管理具有三維立體空間特性的通風(fēng)信息，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)信息的可視化、可靠化、快捷化以及科學(xué)化，系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣對(duì)提高我國(guó)礦山安全生產(chǎn)信息化水平及安全管理工作質(zhì)量具有非常重要的意義。

1 概述

從GIS在礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已有的應(yīng)用看，發(fā)揮了較為顯著的作用，但在通風(fēng)信息管理方面的研究還很少，需要進(jìn)一步的探討，利用GIS將通風(fēng)系統(tǒng)圖和礦井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合，建立通風(fēng)安全數(shù)據(jù)庫(kù)并能適時(shí)調(diào)用，達(dá)到動(dòng)態(tài)可視化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)的傳輸和共享，可以有效的促進(jìn)礦山安全管理的現(xiàn)代化建設(shè)，減少勞動(dòng)力投資，提高管理效率，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

從技術(shù)上看，地理信息系統(tǒng)在礦業(yè)的某些方面已發(fā)揮出一定的作用。但在礦井通風(fēng)管理方面涉及還很少，因而，需要我們?nèi)パ芯颗c探討；從生產(chǎn)效率上看，GIS一方面可以減少勞動(dòng)力的投資，另一方面可以促進(jìn)礦山生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化建設(shè)，更好地為礦井通風(fēng)管理人員提供技術(shù)支持?？傊?，礦井通風(fēng)可視化管理系統(tǒng)

預(yù)警，顧名思義就是提前預(yù)測(cè)。預(yù)警理論最早應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，形成了經(jīng)濟(jì)預(yù)警理論，在隨后的幾十年中其應(yīng)用和研究得到了較快發(fā)展，對(duì)預(yù)警的常用解釋為：在災(zāi)害或?yàn)?zāi)難以及其他需要提防的危險(xiǎn)發(fā)生之前，根據(jù)以往的總結(jié)的規(guī)律或觀測(cè)得到的可能性前兆，向相關(guān)部門發(fā)出緊急信號(hào)，報(bào)告危險(xiǎn)情況，以避免危害在不知情或準(zhǔn)備不足的的情況下發(fā)生，從而最大程度的減低危害所造成的損失的行為。

預(yù)警理論常用的研究方法主要有三種：指數(shù)預(yù)警、統(tǒng)計(jì)預(yù)警、模型預(yù)警。20世紀(jì)70年代以來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化水平的發(fā)展，決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，DSS) 、GIS、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RS-ANN)、INTEMOR等開發(fā)平臺(tái)相繼被引入倒預(yù)警系統(tǒng)的研究中，形成了多功能化的智能預(yù)警系統(tǒng)。從已有的研究上看，將GIS應(yīng)用于礦井通風(fēng)的預(yù)警信息系統(tǒng)還處于開發(fā)階段，結(jié)合GIS和預(yù)警理論，建立一套礦井通風(fēng)預(yù)警預(yù)控的操作系統(tǒng)，有利于提高礦井安全的管理水平。該系統(tǒng)既包括管理層面也包括技術(shù)層面的內(nèi)容，融合了科學(xué)的、規(guī)范的制度及管理流程，根據(jù)統(tǒng)一的識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中可能存在地安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，對(duì)事故進(jìn)行分類整理形成決策支持的對(duì)策庫(kù)，達(dá)到糾錯(cuò)與控制的目的。

2 礦井通風(fēng)預(yù)警指標(biāo)評(píng)判

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、隨機(jī)的、模糊的、復(fù)雜的大系統(tǒng),對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，首先必須確定能夠真實(shí)反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要特征和基本狀況的參數(shù)指標(biāo)，以反映系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)狀態(tài)為目標(biāo)，在科學(xué)合理評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，建立指標(biāo)體系。指標(biāo)的構(gòu)成要素是否客觀、全面會(huì)直接影響到預(yù)警系統(tǒng)的成效，選擇的指標(biāo)要素過(guò)多會(huì)影響指標(biāo)結(jié)構(gòu)的難度并削弱或掩蓋關(guān)鍵要素的作用，指標(biāo)要素太少又不能全面的反映真實(shí)狀況。

一個(gè)好的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)滿足以下要求：評(píng)價(jià)指標(biāo)能全面準(zhǔn)確地反映出礦井通風(fēng)系統(tǒng)的狀況與技術(shù)質(zhì)量特征；評(píng)價(jià)模式簡(jiǎn)單明了，可操作性強(qiáng)，易于掌握；所選用評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)易于獲取，數(shù)據(jù)處理工作量小；采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能

3.1 系統(tǒng)開發(fā)方式

對(duì)基于GIS的礦井通風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)開發(fā)主要有三種方式：獨(dú)立開發(fā)、單純的二次開發(fā)和集成二次開發(fā)。本文采用MapObjects組件式地理信息系統(tǒng)并采用標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)環(huán)境(VisualBasic、Delphi、Visual C++等)SQL2005數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)平臺(tái)為Windows2000、XP和Windows7。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要由三部分組成，即空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)主要是對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)所在的空間信息進(jìn)行存儲(chǔ)，即包括通用數(shù)據(jù)庫(kù)中的常用數(shù)字、字符表示的數(shù)字和非幾何屬性數(shù)據(jù)，也包含空間定位和拓?fù)潢P(guān)系的地理空間特征；屬性數(shù)據(jù)庫(kù)是收集具有空間實(shí)體特征的地理信息的數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)固定的字段有機(jī)結(jié)合；知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)國(guó)家相關(guān)的法律法規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范等，也包括相關(guān)的解題技巧、計(jì)算公式。MapObjects組件式地理信息系統(tǒng)軟件支持廣泛的數(shù)據(jù)支持格式(Shape文件、ArcSDE圖層、柵格圖像文件、DXF、DWG文件等)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)，能實(shí)現(xiàn)集成GIS控件與非GIS控件之間對(duì)接，系統(tǒng)采用客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器上,客戶機(jī)與服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議連接通信,實(shí)現(xiàn)資源的共享和數(shù)據(jù)的同步一致。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控流程

基于GIS的礦井通風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)是在事故理論、預(yù)警預(yù)控理論的指導(dǎo)下對(duì)礦山生產(chǎn)各職能部門、人員、設(shè)備等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并隨時(shí)掌握信息進(jìn)行識(shí)別和處理，避免安全事故的產(chǎn)生。整個(gè)系統(tǒng)有地面各個(gè)子系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)分別對(duì)井下個(gè)監(jiān)控分站和PLC控制箱等設(shè)備層進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置預(yù)置，將監(jiān)控分站或控制器的端口配置、各端口的傳感器超限值及控制通道等參數(shù)下傳至各分或控制器存儲(chǔ)，各分站或控制器采集的傳感器數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并根據(jù)地面對(duì)應(yīng)監(jiān)控主機(jī)定義設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。有監(jiān)控主機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示、控制、查詢、打印等操作。并通過(guò)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歸檔服務(wù)器以及先進(jìn)的OPC、DDE等技術(shù)與煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互和整合，并通過(guò)WEB服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在對(duì)礦井通風(fēng)預(yù)警指標(biāo)信息的評(píng)判基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)基于GIS的信息系統(tǒng)的分析,建立礦井通風(fēng)信息系統(tǒng),此系統(tǒng)包括矢量圖管理編輯模塊、通風(fēng)信息管理模塊、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管理模塊、安全檢測(cè)模塊和系統(tǒng)操作控制模塊。系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1)基礎(chǔ)地圖管理與編輯模塊。該模塊包括地圖繪制、編輯與管理。繪制主要是指將節(jié)點(diǎn)、巷道、通風(fēng)設(shè)施(如風(fēng)門、風(fēng)窗)的添加以及其他圖元的繪制。編輯功能主要是指節(jié)點(diǎn)位置的變化、移動(dòng)、刪除以及文本的修改、圖形的放大，使通風(fēng)信息的數(shù)據(jù)(如巷道風(fēng)速、工作面風(fēng)量、采掘工作面瓦斯量涌出量)以各種圖形的方式直觀的在圖上顯示出來(lái),以實(shí)現(xiàn)漫游和全景直觀的顯示，為管理人員決策提供決策依據(jù)。

2)通風(fēng)信息管理模塊。該模塊主要用于采集、存儲(chǔ)、維護(hù)和管理礦井通風(fēng)的詳細(xì)資料，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主要包括通風(fēng)日常管理、信息查詢、設(shè)備信息、礦井反風(fēng)狀況和管理人員信息。

3)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管理模塊。該模塊主要由通風(fēng)阻力計(jì)算、風(fēng)機(jī)性能曲線繪制、風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算構(gòu)成。通過(guò)繪制的通風(fēng)機(jī)性能曲線，計(jì)算巷道中的實(shí)際風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解算，將計(jì)算出的數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)圖上，一旦井下發(fā)生突變情況，如火災(zāi)、爆炸等預(yù)算各網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)量和方向變化，就可以計(jì)算通風(fēng)阻力，為風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)狀態(tài)改造提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)參數(shù)。

4)安全檢測(cè)模塊。該模塊主要包括聲光預(yù)警、信息發(fā)布通知及通風(fēng)信息分析。通過(guò)對(duì)井下通風(fēng)狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，采集例如粉塵濃度、瓦斯含量、巷道風(fēng)速等檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果超出預(yù)定值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在系統(tǒng)礦圖上渲染，并體現(xiàn)等級(jí)特征，則立即采取措施，防治事故發(fā)生。

5)系統(tǒng)操作模塊。系統(tǒng)操作模塊是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的控制中心，主要由數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成三維動(dòng)態(tài)顯示，并提供人機(jī)交互的視圖界面。根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的管理需要，本模塊主要有登陸和管理、屬性編輯、對(duì)象編輯、數(shù)據(jù)管理和維護(hù)構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編輯、修改等操作，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以某煤礦為研究對(duì)象,以該礦的通風(fēng)系統(tǒng)圖和相關(guān)的通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),綜合運(yùn)用預(yù)警理論及GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)等，構(gòu)建基于GIS的礦井通風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)的安全預(yù)警。在系統(tǒng)主界面通過(guò)點(diǎn)擊，可以顯示巷道內(nèi)任意地點(diǎn)的通風(fēng)參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)量、溫濕度等，并能適時(shí)的調(diào)整修改，編輯。利用對(duì)通風(fēng)預(yù)警指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)控，利用通風(fēng)測(cè)定、通風(fēng)機(jī)性能測(cè)定、風(fēng)網(wǎng)解算等功能,提高該礦山的通風(fēng)安全管理效率，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)狀態(tài)及時(shí)高效的動(dòng)態(tài)管理，為礦山企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。

5 結(jié)論

在分析礦井通風(fēng)預(yù)警指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)、預(yù)警理論和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)提出了基于GIS的礦井通風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，旨在提高礦井通風(fēng)信息的高效管理，為礦井通風(fēng)信息管理提供新的途徑。以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，通過(guò)通風(fēng)數(shù)據(jù)采集，分析和評(píng)價(jià)于一體，實(shí)現(xiàn)礦井圖形的可視化，直觀便利的顯示礦井相關(guān)圖形和數(shù)據(jù)；提供圖形輸入和輸出，提高結(jié)算結(jié)果的準(zhǔn)確度；以表格形式顯示通風(fēng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行管理和維護(hù)；結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的查詢分析，為礦山通風(fēng)管理部門提供貨決策支持。從某煤礦的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果看，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提高礦井通風(fēng)信息的高效管理具有重要意義。

[1] 張超，陸愈實(shí).基于三維GIS的火電廠應(yīng)急救援決策支持系統(tǒng)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009,19(1)：161-165.

[2] 譚家磊.礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)判及安全預(yù)警系統(tǒng)研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2005.

[3] 劉渭潔.建立實(shí)用型三維地理信息系統(tǒng)[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào),1999, 14(1): 21-24.

[4] Richard C, Evelyn A. Evaluating dispatching consequences of automatic vehicle location in emergency services[J].Computers& Operations Research, 1978, 5(1): 11-30.

[5] 鹿浩,羅周全,楊彪，等.基于MapInfo的礦山通風(fēng)安全信息系統(tǒng)開發(fā)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008, 18(2):125-129.