基于數(shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)研究

李 健

（西山煤電集團公司，山西 太原 030053）

·專題綜述·

基于數(shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)研究

李 健

（西山煤電集團公司，山西 太原 030053）

在分析煤礦突發(fā)事件應急需求的基礎(chǔ)上，依托數(shù)字化礦山管理平臺，結(jié)合礦山三維場景和真實數(shù)據(jù)，建立了基于數(shù)字礦山的全息化應急管理系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的架構(gòu)，闡述了可視化預案管理，隱患、危險源動態(tài)監(jiān)管，模擬應急演練和輔助決策等功能，并對可視化預案自動腳本牽引技術(shù)、人機交互和導調(diào)技術(shù)以及事故趨勢推演模擬技術(shù)進行重點研究。該系統(tǒng)可提升礦山企業(yè)安全應急管理水平，最大程度地減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。

數(shù)字化礦山；全息化場景；應急預案；輔助決策

以山西西山煤電集團官地礦為應用試點，建立了服務(wù)于礦山日常安全管理的數(shù)字化礦山綜合管理平臺系統(tǒng)。該平臺依托自主研發(fā)、世界領(lǐng)先的3D-GIS技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，將礦山地形地貌、地表設(shè)施、井巷工程、礦體圍巖等客觀空間構(gòu)造在平臺系統(tǒng)中真實再現(xiàn)，同時將各類實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、人員信息、管理信息等植入系統(tǒng)，從而構(gòu)建出能真實反映企業(yè)復雜生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)的數(shù)字礦山。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)不同層級、不同部門的業(yè)務(wù)需求，定制相應的業(yè)務(wù)功能，為企業(yè)運營管理提供可視化的信息支持，同時實現(xiàn)了礦山三維全息化構(gòu)建、生產(chǎn)工藝流程三維可視化管理、地測數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)調(diào)度信息管理、安全監(jiān)管監(jiān)控等多項功能，能夠用于企業(yè)可視化管理、八大專業(yè)系統(tǒng)管理、預測預警、人員培訓，極大地提高了現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料的利用效率，實現(xiàn)多類數(shù)據(jù)信息的可視化集成整合，體現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)代化和信息化管理的高品質(zhì)形象。

在數(shù)字化礦山管理平臺基礎(chǔ)上，筆者對煤礦事故救援管理技術(shù)開展研究。利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)和地理信息技術(shù)，依據(jù)煤礦事故救援的流程，進行了基于數(shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)研究，以期提高煤礦事故應急救援的能力，減少損失。

1 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

煤炭行業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，我國能源消耗的2／3都來自煤炭。自從1990年以來我國每年的煤炭產(chǎn)量居世界首位。伴隨著煤炭開采量的不斷增加，安全問題變得越來越突出，隨之而來的重大事故也不斷產(chǎn)生，特別是危及社會安全造成多人死亡的重特大事故時有發(fā)生，這些事故對人民的生命、財產(chǎn)安全及其周圍環(huán)境構(gòu)成了重大威脅［1］。

在煤礦企業(yè)的安全管理工作中，應急管理逐漸成為企業(yè)抵抗突發(fā)事故或災害的重要保障，其中包括組織體系、預案、保障隊伍及相應技術(shù)支撐。從預案來講，國內(nèi)對于數(shù)字化應急預案的研究主要集中在針對某些行業(yè)進行數(shù)字化預案的設(shè)計與開發(fā)［2］。武漢大學測繪學院的學者們將GIS技術(shù)與火災模型相結(jié)合，開發(fā)防滅火數(shù)字預案，通過模型獲得火災發(fā)展的預測結(jié)果，利用GIS進行可視化模擬與火災影響評估［3］。南京安元科技有限公司開發(fā)的數(shù)字化預案，能夠?qū)崿F(xiàn)基于空間GIS技術(shù)的數(shù)字化預案編制、評估分析和演練培訓，提高預案的實用性和時效性。

現(xiàn)在國內(nèi)外各廠家的應急系統(tǒng)開發(fā)大都是在二維平面下作業(yè)、分析，管理者不易直覺感官和準確地判斷危險源、事故發(fā)生點的態(tài)勢及情形，而且在平時的培訓和演練中也不能進行真實場景的互動，在培訓和演習類同的事故時，對于培訓者的大局觀和事故發(fā)展態(tài)勢難以把握，達到的預期效果不佳［4］。

所以，為了強化煤礦企業(yè)強化安全應急管理，必須建立有效的應急管理體系，采取一切有效措施，迅速控制或避免事故災變，將事故對人員和財產(chǎn)的損失降到最低程度。基于上述原因，筆者提出了建立以數(shù)字化礦山為基礎(chǔ)的全息化應急管理系統(tǒng)。

2 目 標

通過數(shù)字化礦山管理平臺提供的企業(yè)真實生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)，建立全息化應急管理系統(tǒng)，能夠提高管理人員的應急決策能力，主要表現(xiàn)為以下幾點：

1）能夠?qū)⑽谋镜念A案制作成虛擬仿真場景下的行動方案，按照事件的發(fā)展過程將應急措施可視化地展示出來，進而實現(xiàn)真實場景全息再現(xiàn)和預案執(zhí)行效果三維可視化，用于進行預案桌面推演和應急救援培訓。

2）針對井上下各隱患、危險源，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井隱患定位跟蹤管理以及危險源的有效監(jiān)管監(jiān)控。

3）在數(shù)字化礦山管理平臺中研究多席位的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同演練技術(shù)，實現(xiàn)人在回路的交互式演練并具有導調(diào)干預能力，模擬應急演習演練。

4）以數(shù)字化礦山管理平臺三維礦區(qū)場景為基礎(chǔ)，全息化應急管理系統(tǒng)通過對井下救援路線、救援力量分布、救援物資分布、救援預案等進行三維可視化的查詢，實現(xiàn)救援路線尋優(yōu)、預案匹配、快速生成行動方案等功能，為領(lǐng)導和決策者在應急情況下提供輔助決策支持。通過以上技術(shù)的研究，建立全息化預案技術(shù)標準，全面提高企業(yè)應急管理能力和應急培訓演練水平。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3．1 數(shù)字化礦山全息化場景構(gòu)建技術(shù)

通過多種類型的GIS數(shù)據(jù)（DLG＼DEM＼DOM數(shù)據(jù)）的加載與顯示，DEM與DOM數(shù)據(jù)疊加，可生成真實的地形地貌，融合鉆孔數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)，勘探數(shù)據(jù)，井巷工程數(shù)據(jù)可生成礦區(qū)真實的三維場景，真實展現(xiàn)工業(yè)廣場、井下巷道、工作面、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施等。平臺支持通用GIS產(chǎn)品的交換格式，如MapInfo的MIF／MID文件，ArcInfo的EOO文件等標準數(shù)據(jù)交換格式?？砂讯喾N形式的數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新。

3．2 可視化預案自動腳本牽引技術(shù)

一個完整的應急救援事件包括事故發(fā)生、現(xiàn)場處置、事故救援、恢復生產(chǎn)等過程，結(jié)合數(shù)字礦山管理平臺的三維場景，如何全面、流暢地表現(xiàn)整個事件從發(fā)生到處理的全過程是課題的難點。因此，本課題采用自動腳本牽引技術(shù)，讓模擬驅(qū)動程序代替雙手，自動執(zhí)行一系列鼠標鍵盤動作。

1）通過提供分類規(guī)則、覆蓋面廣的資源面板，面板中包含災害（火災、氣體泄漏、爆炸等）、救援力量（警車、消防車、救護人員、工作人員等）、報警、標繪（箭頭、波紋、擴散等）。

2）根據(jù)數(shù)字化礦山管理平臺提供的場景編輯工具，可以指定設(shè)備的相關(guān)動作、包括閥門的開關(guān)、消防炮的啟停、設(shè)備噴淋的開關(guān)、煙囪冒煙、中控報警、全廠報警聲音的開關(guān)、在指定位置顯示文字，并對文字的大小、字體、顏色進行設(shè)定以及插入圖片，在制定位置顯示圖片，可對圖片顯示大小進行設(shè)置。

另外，結(jié)合多媒體控制，支持聲音、視頻等附加文件的播放，并支持建立聲音、視頻庫供用戶選擇；以及現(xiàn)場真實場景，進行警戒區(qū)、交通管制、疏散路徑、區(qū)域等的標繪、救援車輛、環(huán)境監(jiān)測人員、現(xiàn)場搶修人員、工作人員的定位布放等。

3）通過鼠標推進、拉伸、移動等鏡頭切換方式，從360°旋轉(zhuǎn)查看整個腳本流程。

因此，根據(jù)用戶提供的文字信息，通過時間、事件牽引驅(qū)動，將傳統(tǒng)的紙質(zhì)資料變成“看得見”的腳本，實現(xiàn)可視化腳本自動播放，當播放到關(guān)鍵節(jié)點時，可自動顯示出預先設(shè)定的要求和提示。

3．3 人機交互和導調(diào)技術(shù)

應急救援過程是一個內(nèi)容復雜形式多變的過程，存在較多不規(guī)則的演化過程，現(xiàn)有的推演技術(shù)和仿真能力不能完全對該過程進行計算和顯示，在這種情況下需要通過導調(diào)干預技術(shù)，借助人的經(jīng)驗積累和人腦決策的靈活性，合理地控制預案推演的過程和應急處置的難度，更好地實現(xiàn)應急培訓和演練。通過虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)的運用可以實現(xiàn)計算機與操作者之間的互動，通過導調(diào)干預能有效地對仿真結(jié)果以及過程進行人工設(shè)定，提高仿真能力。導調(diào)技術(shù)是通過系統(tǒng)賦予給演習策劃者權(quán)利，可以任意策劃事故類型和發(fā)展趨勢，所有的參演人員預先在不知情的情況下開始協(xié)調(diào)開展救援過程，是一種模擬突發(fā)狀態(tài)的考核形式，關(guān)鍵在于在這個過程中導調(diào)者可以評估事故處理過程是否妥當，或者是否增加衍生事故，以提高演習者難度。提供多個席位從不同的視角來關(guān)注災情發(fā)生的情況并輸入、查看災情數(shù)據(jù)，根據(jù)各職能進行相應的操作。

實現(xiàn)人機交互過程需要對應急救援過程中的所有可能的操作進行歸類和整理，然后對這些操作進行判定，從而進行仿真計算，這需要大量的總結(jié)和歸納才能達到這一目標，同時還要在仿真的過程中預留導調(diào)干預的接口，實現(xiàn)過程干預。

3．4 事故趨勢推演模擬技術(shù)

趨勢推演模擬是采用真實的三維企業(yè)場景作為業(yè)務(wù)實現(xiàn)平臺，利用基于情景分析模型的推演模擬與態(tài)勢演播技術(shù)，包括基于透水、洪澇災害、地質(zhì)災害、瓦斯爆炸等多種情景分析模型，應用圖形標繪以及三維可視化場景動畫等方式推演模擬不同情景中隨著時間的逐漸變化，在承災體、蘊災環(huán)境、致災因子的共同干預下，預案的執(zhí)行過程、實施效果、影響范圍以及變化趨勢。通過輸入災情相關(guān)參數(shù)進行數(shù)學模型計算最終實現(xiàn)三維全息演示，可以通過查詢企業(yè)人員分布、消防設(shè)施、危險源分布、救援力量分布等情況，為應急救援指揮提供決策依據(jù)。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

在設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時采用先進的N層結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可移植性，見圖1。

圖1 全息化應急管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件部分采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法以及基于組件設(shè)計的理念和技術(shù)，從縱向的結(jié)構(gòu)層面上，該系統(tǒng)提供三大層面、若干小層面的抽象、映射、實現(xiàn)和封裝；應用層對各子系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)處理邏輯進行實現(xiàn)和封裝，數(shù)據(jù)庫層采用多種形式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的總體封裝，提供本地及遠程多種數(shù)據(jù)連接方式，為應用層提供透明的數(shù)據(jù)存儲和訪問功能。

系統(tǒng)采用基于Internet／Intranet通信方式的C／S +B／S相結(jié)合的架構(gòu)模式開發(fā)。基于Internet／Intranet的C／S模式解決了部署和維護成本高的問題：部署可采用網(wǎng)站超鏈接下載方式，維護更新采用服務(wù)器集中更新、網(wǎng)絡(luò)自動同步方式實現(xiàn)，同時C／S模式可快速、高效、及時地滿足應急緊迫性的需求，并且能夠充分利用PC硬件資源實現(xiàn)三維模擬仿真和數(shù)學模型計算。而遵循J2EE標準的B／S模式可使系統(tǒng)中涉及管理信息系統(tǒng)（MIS）的部分真正實現(xiàn)N層架構(gòu)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫層主要融合了空間GIS數(shù)據(jù)，地學及測繪數(shù)據(jù)，井巷工程數(shù)據(jù)，設(shè)備、設(shè)施以及實時監(jiān)控等數(shù)據(jù)。通過專用的全息化應急管理平臺，實現(xiàn)可視化預案管理，隱患、危險源動態(tài)監(jiān)管，模擬應急演習、輔助決策等應用層功能。

5 功 能

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計，系統(tǒng)主要包括以下功能：

5．1 可視化預案管理

1）預案過程可視化。以數(shù)字化礦山管理平臺為基礎(chǔ)，基于真實的場景、真實的周邊情況和真實的數(shù)據(jù)，通過設(shè)定災情，策劃救援及搶修的行動方案，將文本預案制作成可視化預案，進行展示、存儲，使預案具有可操作性、直觀性。

2）物資分布可視化。展示救災物資分布情況，系統(tǒng)管理員和系統(tǒng)操作者可使用多個不同條件查詢得到當前災區(qū)的救援物資分布情況，以直觀、醒目的效果展現(xiàn)在三維礦區(qū)場景中?？梢圆樵兂鲋付ǖ攸c的救災減災物資的詳細儲備地點、物資種類、數(shù)量級別、分布狀況及相關(guān)信息，以及輸出本次查詢的內(nèi)容，以備用和打印本次的物資分布查詢結(jié)果。

3）救災力量可視化。應用文字標注、圖片標注等標注功能，完成救災力量的展現(xiàn)功能，系統(tǒng)管理員和系統(tǒng)操作者可使用多個不同條件查詢得到當前災區(qū)的救援力量分布境況，以直觀、醒目的效果展現(xiàn)在地圖上。

4）救災路線可視化。通過救災路線可視化查詢功能，選擇救災力量所在地區(qū)名稱和受災地區(qū)名稱，可以查詢出救災路線的最近、最優(yōu)路線的可視化信息，包括路線的長度，路線的狀況（毀壞程度、阻塞程度、通行度），救災路線的類型，以及對應路線的詳細說明信息。

5．2 應急救援支持

在突發(fā)事故發(fā)生時，各級主管部門可在三維場景中實時查詢（集成實時監(jiān)控系統(tǒng)信息）井上各設(shè)備的溫度、液位、流量等生產(chǎn)運行參數(shù)，以及井下巷道內(nèi)瓦斯、CO、溫度傳感器的實時監(jiān)控數(shù)值，以及巷道內(nèi)的風速、風量等信息。

對于相關(guān)隱患、危險源，可隨時調(diào)閱相關(guān)聯(lián)的應急預案，查看隱患、危險源的應急救援機構(gòu)、人員、職責、應急救援設(shè)備設(shè)施信息、應急響應、報警、聯(lián)系方式、應急救援程序與行動方案、保護措施與程序、培訓與演練等內(nèi)容。

同時，可基于系統(tǒng)對礦區(qū)內(nèi)隱患、危險源進行三維場景標繪，能整體顯示井上下隱患的分布狀態(tài)。將隱患從隱患排查、整改到審核、核銷的全過程信息進行記錄，并對隱患未按期整改的情況及時全方位預警，為突發(fā)事故發(fā)生時應急救援提供全方位的支持。

5．3 模擬應急演練

能夠根據(jù)應急演習的需要，靈活設(shè)定不同的模擬演習場景和應急演習方案，同時提供兩種使用模式：演示模式和互動模式。

1）演示模式。通過對各類事故預定義，使整個應急救援過程自動按照事態(tài)發(fā)展進行演示，過程中可對事故環(huán)境參數(shù)、參演隊伍等隨時進行調(diào)整和講解，以展示不同事故的應對措施和救援策略。

2）互動模式。主要針對指揮部和各應急救援隊的指揮員，通過模擬典型事故，在該系統(tǒng)下模擬調(diào)配資源、下達指令，訓練其分析判斷、應變指揮能力等。

另外，可根據(jù)模擬演練內(nèi)容設(shè)置典型的演練場景，參演人員可根據(jù)各自的任務(wù)進入場景開展相關(guān)操作。在演練中用到的裝備、物資、工具、車輛等應急資源，參演人員均可從系統(tǒng)資源面板中獲取，并根據(jù)演練需要進行資源布放和規(guī)劃。通過提供演練方案的制定和管理功能，用戶可根據(jù)各自的特點靈活設(shè)定不同的模擬演習場景和應急演習方案。通過角色設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)異地聯(lián)動實現(xiàn)不同角色的交互式實戰(zhàn)演練、上下級聯(lián)動的桌面應急演練。

5．4 輔助決策

通過模擬火災、爆炸、氣體泄漏擴散事故，通過集成專業(yè)的事故后果分析數(shù)學模型，根據(jù)事故情況和實際環(huán)境參數(shù)進行災情推演。在系統(tǒng)中輸入災情發(fā)生的位置、事發(fā)物質(zhì)的特性，結(jié)合風向、風速、溫度、濕度等信息，可通過數(shù)學模型分析出事故的爆炸范圍、擴散范圍、死亡半徑、重傷半徑、安全距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并能夠通過二維、三維畫面結(jié)合的方式可視化地展示模擬分析的結(jié)果。根據(jù)事故狀況，可以提出行動方案，并可對周邊的環(huán)境、建筑物的影響進行風險分析，為事故救援決策提供依據(jù)。

特別是在應急情況下，需要集中關(guān)注多類信息，此時系統(tǒng)可以對井下救援路線、救援力量分布、救援物資分布、救援預案等進行三維可視化查詢，如通過井下井上對照，可查詢出井下任意巷道位置對應地表的垂直位置坐標，為井下救援打孔時定點定位提供支持。

6 結(jié)論和展望

煤礦事故的應急處理越來越受到重視，研究基于數(shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)對如何高效、準確地處理突發(fā)事故具有重要意義。筆者分析了當前的需求，闡述了全息化應急管理的系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)的功能，重點討論了該系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字化礦山管理平臺系統(tǒng)是新型“工業(yè)WINDOWS”平臺，能夠充分整合礦區(qū)三維場景、生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支持用戶進行各種業(yè)務(wù)功能的定制和安裝，在此基礎(chǔ)上建立全息化應急管理系統(tǒng)能夠幫助領(lǐng)導和決策者關(guān)注安全和應急的各類問題，實現(xiàn)隱患、危險源的監(jiān)管監(jiān)控，并在應急狀況下提供豐富的輔助決策支持，幫助礦山企業(yè)科學有序地開展應急救援工作，以先進的技術(shù)和實用的功能為用戶尋求新的應急管理模式，提升礦山企業(yè)的安全應急管理水平。但是到目前，還很難實現(xiàn)非常精確的測量和控制，從信息的采集、運輸、處理、集成、到顯示和應用，涉及的領(lǐng)域非常廣泛，需要創(chuàng)新、多學科交叉和經(jīng)驗的積累［5］?；跀?shù)字化礦山的全息化應急管理系統(tǒng)發(fā)展前景非常廣闊，但同時又充滿了挑戰(zhàn)。

［1］ 曾 旗，袁 雯．煤礦安全事故頻發(fā)的原因及對策［J］．內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2008（2）：55-57．

［2］ 翟丹尼．數(shù)字化預案系統(tǒng)的功能分析實現(xiàn)［J］．中國公共安全，2009（14）：49-52．

［3］ 孫 穎．基于ArcGIS的消防滅火數(shù)字預案系統(tǒng)中應急工具箱的制作［J］．測繪信息及工程，2007，32（1）：22-25．

［4］ 程 思．地質(zhì)災害應急指揮系統(tǒng)信息管理子系統(tǒng)的研發(fā)［D］．成都：成都理工大學，2008．

［5］ 朱 超，吳仲雄，張詩啟．數(shù)字礦山的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2010（2）：25-27．

Study on Holographic Emergency Management System Based on Digital Mine

Li Jian

Analysis on the demand for coal mine emergency，relying on the digital mine management platform，combined mining data and real three-dimensional scene，holographic mine emergency management system is established based on digital mine．The system framework is designed．It is described that visual plan management，hidden danger and dangerous dynamic supervision，simulation on emergency response exercises and aid decision making functions，etc．Furthermore，the emphasis research is on visualization plan technology on traction automated scripts，interactive，guided transfer technology and simulation technology for accident trends．The system can enhance the safety of the emergency management of mining enterprises，and reduce the casualties and economic losses to the maximum degree．

Digital mine；Holographic scene；Emergency plan；Aid decision making

TD672

B

1672-0652（2013）09-0035-04

2013-07-23

李 健（1968—），男，河北人，1991年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院，高級工程師，主要從事煤炭管理工作，（E-mail）xsmdmsk＠163．com