廢棄煤礦瓦斯資源信息管理云平臺(tái)研發(fā)

郝天軒，趙立楨

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

在煤炭行業(yè)改革的大環(huán)境下，煤礦企業(yè)應(yīng)國家號(hào)召，向清潔化綠色開采方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，導(dǎo)致廢棄礦井?dāng)?shù)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這些報(bào)廢或關(guān)閉的礦井大多數(shù)屬于中高瓦斯礦井。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年至2018年，全國累計(jì)退出煤礦2.8萬余座[1]。同時(shí)，由于回采技術(shù)的制約，約有50%的煤炭殘留于井下(包括可采煤層和不可采煤層)，其中殘存著大量煤礦瓦斯(煤層氣)資源[2-3]。研究表明，目前現(xiàn)有關(guān)閉/廢棄的礦井中賦存煤炭資源量高達(dá)420億t，煤層氣資源近 5 000億m3[4]。而礦井瓦斯雖是一種溫室氣體，但同時(shí)也是一種清潔能源[5]。因此，做好廢棄礦井煤層氣資源的開發(fā)與利用，不僅能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善大氣環(huán)境，有著十分積極的作用，具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)多重效益。

我國廢棄礦井分布區(qū)域廣、信息量大，借助Web GIS云平臺(tái)可以更直觀、清晰地查閱管理廢棄礦井瓦斯賦存資源信息，并對(duì)廢棄礦井瓦斯資源的可抽性進(jìn)行智能評(píng)判。Web GIS是利用Web技術(shù)來擴(kuò)展和完善地理信息系統(tǒng)的一項(xiàng)技術(shù)，且該技術(shù)已經(jīng)在交通、防震減災(zāi)、水文水利、警用人口管理、礦山安全管理等方面有一定的應(yīng)用研究，但在廢棄礦井的煤層氣資源管理方面還鮮有研究[6-14]。鑒于此，筆者綜合運(yùn)用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、瓦斯地質(zhì)理論等方法，選擇Openlayers6+GeoServer地圖服務(wù)器+Django框架的開源體系，建立多源廢棄礦井資源數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)圖件的Web瀏覽、信息的Web空間查詢、屬性查詢、圖表專題分析、可抽性在線評(píng)估等功能，為廢棄礦井瓦斯資源等方面的科學(xué)分析及決策提供一個(gè)高效、可視化的信息管理云平臺(tái)，并在河南焦作礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。

1 云平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)建設(shè)的完善與否將直接影響到管理人員的決策，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則有：

1)先進(jìn)性原則。在系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)后，引入先進(jìn)的分析和管理模式，應(yīng)體現(xiàn)出系統(tǒng)的先進(jìn)性[15]。

2)可靠性原則。在系統(tǒng)的使用周期內(nèi)，應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與數(shù)據(jù)的精確度，以及符號(hào)內(nèi)容的可靠性[16]。

3)實(shí)用性原則。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要體現(xiàn)實(shí)用性，最大限度地滿足對(duì)廢棄資源管理和分析的要求，使系統(tǒng)在短期內(nèi)發(fā)揮作用。

4)可變性原則。應(yīng)盡量將系統(tǒng)模塊化，某一功能通過相應(yīng)模塊來實(shí)現(xiàn)，將多個(gè)模塊組合實(shí)現(xiàn)全部功能。

5)規(guī)范性原則。應(yīng)嚴(yán)格參照國家、煤炭行業(yè)等相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的規(guī)范互通性。

6)安全性原則。系統(tǒng)須具有良好的安全管理功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索、提取、發(fā)布和管理等各個(gè)層面和角度都須具有相應(yīng)的安全機(jī)制[17]。

7)經(jīng)濟(jì)性和可操作性原則。系統(tǒng)的軟硬件應(yīng)具有優(yōu)良的性價(jià)比，且系統(tǒng)應(yīng)有易學(xué)易懂，操作簡(jiǎn)便、靈活的用戶界面[18]。

1.1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的完整性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性出發(fā)，根據(jù)分層設(shè)計(jì)的原則，平臺(tái)擬采用3層架構(gòu)形式，自下而上將整個(gè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和表現(xiàn)層[19-23]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)總體架構(gòu)圖

1)表現(xiàn)層：即客戶端。使用OpenLayers 框架通過天地圖API來制作底層地圖，整個(gè)交互頁面使用HTML、CSS、JavaScript聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。且為了使界面版式和控件更為美觀和標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)簡(jiǎn)化操作腳本的代碼量，建議在前端采用目前普遍使用且功能強(qiáng)大的Bootstrap和jQuery框架。

2)服務(wù)層： Web 服務(wù)層主要負(fù)責(zé)接收和處理客戶端的請(qǐng)求，獲取數(shù)據(jù)并返回至表現(xiàn)層，采用uWSGI+Nginx作為應(yīng)用服務(wù)器，使用GeoSever作為GIS服務(wù)器對(duì)地圖進(jìn)行請(qǐng)求與發(fā)布。

3)數(shù)據(jù)層：通過對(duì)本系統(tǒng)平臺(tái)需被管理數(shù)據(jù)的整理分析，建立基于PostgreSQL的空間數(shù)據(jù)庫和基于PostGIS的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

1.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)廢棄礦井資源瓦斯資源查找及評(píng)價(jià)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的角度出發(fā)，將系統(tǒng)功能劃分成6個(gè)模塊：主框架模塊、地圖功能模塊、多源信息查詢模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、可抽性在線評(píng)估、用戶管理等。

2 云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中空間數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)天地圖矢量底圖、天地圖影像底圖、廢棄礦井資源分布等信息；關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要包括用戶注冊(cè)數(shù)據(jù)、權(quán)限認(rèn)證等信息。

圖2 云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 空間數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)

空間數(shù)據(jù)除具有一般通用數(shù)據(jù)庫中常見的數(shù)字、字符表示的數(shù)值和名稱等數(shù)據(jù)的非幾何屬性外，還必須具有空間定位和拓?fù)潢P(guān)系的地理空間特征[24-26]。

本云平臺(tái)中空間數(shù)據(jù)包括天地圖矢量底圖、天地圖影像底圖、廢棄礦井資源分布。其中天地圖矢量底圖和天地圖影像底圖是在國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)申請(qǐng)完個(gè)人密匙后，可免費(fèi)導(dǎo)入到系統(tǒng)平臺(tái)中。廢棄礦井資源分布數(shù)據(jù)制作與存儲(chǔ)的步驟如下：

1)在Excel表中輸入廢棄礦井的詳細(xì)信息(包括經(jīng)度、緯度位置信息)，然后存儲(chǔ)為.csv格式文件。

2)啟動(dòng)QGIS軟件，使用數(shù)據(jù)源管理器分割文本文件，設(shè)置參數(shù)后即可生成點(diǎn)類型的廢棄礦井資源分布空間數(shù)據(jù)，其顯示界面如圖3所示。

圖3 QGIS添加csv格式文件的界面

3)在QGIS【圖層】界面中，選中新生成的矢量要素，通過右鍵菜單【導(dǎo)出】命令，把該要素另存為shapefile格式的文件。

4)利用PostGIS Shapefile Import/Export Manager工具將上一步生產(chǎn)的shapefile 格式的矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到空間數(shù)據(jù)庫，其界面見圖4。

圖4 導(dǎo)入矢量圖層的界面

本課題制作的廢棄礦井資源分布空間數(shù)據(jù)的屬性如表1所示。

表1 廢棄礦井資源分布屬性

2.2.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)

本系統(tǒng)平臺(tái)利用Django的ORM框架用戶注冊(cè)數(shù)據(jù)等關(guān)系數(shù)據(jù)庫。用戶注冊(cè)數(shù)據(jù)的屬性如表2 所示。

表2 用戶注冊(cè)數(shù)據(jù)屬性

根據(jù)表2，在Django的項(xiàng)目中構(gòu)建一個(gè)用戶注冊(cè)數(shù)據(jù)模型，在項(xiàng)目的settings.py文件設(shè)置數(shù)據(jù)庫的配置信息，通過Django提供的數(shù)據(jù)庫操作指令，把建立的用戶注冊(cè)模型遷移到postgres數(shù)據(jù)庫中(本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫名稱為abandmine)[27]。

3 云平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

在廢棄礦井資源管理云平臺(tái)客戶端對(duì)Openlayers框架進(jìn)行二次開發(fā)，將生成的shapefile格式的地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入PostGIS庫，并將 PostGIS 的數(shù)據(jù)發(fā)布到地圖服務(wù)器 Geoserver中，結(jié)合GIS服務(wù)器的功能及Openlayers 的WFS 服務(wù)將地圖發(fā)布成Geojson格式矢量圖層，進(jìn)而對(duì)矢量圖層中的地圖要素的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)分析等相關(guān)操作。客戶端基于HTML5+CSS+JavaScript實(shí)現(xiàn)，前后端之間使用Django開發(fā)框架進(jìn)行交互。

3.1 主框架功能模塊

系統(tǒng)平臺(tái)主框架模塊主體采用bootstrap框架進(jìn)行構(gòu)建，可使首頁、地圖瀏覽、可抽性評(píng)估、用戶注冊(cè)等頁面的樣式保持統(tǒng)一，且相互之間可方便、快捷切換。

系統(tǒng)平臺(tái)的地圖瀏覽頁面主體可分為4個(gè)部分：主導(dǎo)航欄、地圖顯示區(qū)、側(cè)邊欄、工具條，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)平臺(tái)“地圖瀏覽”界面

3.2 地圖功能模塊

地圖功能模塊為廢棄礦井資源管理平臺(tái)的核心功能模塊，用戶通過此模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的縮放、平移、圖層狀態(tài)控制等交互操作。該模塊具體功能有：地圖加載顯示、地圖縮放、圖層控制、位置顯示等。

3.2.1 地圖加載顯示

地圖加載借助于 Openlayers 的地圖容器類—ol.Map 來實(shí)現(xiàn)。底圖圖層url要參考天地圖加載的相關(guān)文檔，制作的廢棄礦井分布矢量數(shù)據(jù)源 source 中的 url 需要與 Geoserver中發(fā)布的相應(yīng)圖層中的 WFS 服務(wù)的 url 相對(duì)應(yīng)。

3.2.2 圖層控制

點(diǎn)擊地圖瀏覽頁面?zhèn)冗厵诘南鄳?yīng)按鈕，會(huì)展開側(cè)邊欄，顯示目前地圖加載的所有圖層狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 圖層控制功能區(qū)

本平臺(tái)的地圖圖層分為兩組：廢棄礦井資源圖層組和基礎(chǔ)圖層組，每組下面有若干個(gè)圖層組或圖層。圖層控制功能通過第三方控件ol-layerswitcher實(shí)現(xiàn)，該控件擴(kuò)展了Openlayers控件的圖層顯示與否的功能，無需過多代碼，就能方便控制圖層的加載。

3.3 多源信息查詢功能模塊

3.3.1 彈窗信息查詢

為了使信息展現(xiàn)形式美觀且使用方便，通常結(jié)合標(biāo)注點(diǎn)使用冒泡方式，實(shí)現(xiàn)單擊要素的彈窗信息展示。Openlayers提供基于ol.Overlay的Popup 組件實(shí)現(xiàn)彈窗，原理是將DOM元素動(dòng)態(tài)地移動(dòng)并覆蓋到地圖中的指定位置，因此也叫疊置層(或覆蓋層)。

在本系統(tǒng)平臺(tái)上點(diǎn)選焦作礦區(qū)廢棄礦井圖層某個(gè)礦井要素后，可彈窗展示其詳細(xì)的空間信息和屬性信息(如圖7所示)。點(diǎn)擊彈窗下部的【放大鏡】圖標(biāo)，可定位該要素到屏幕中心位置。

圖7 點(diǎn)選彈窗顯示界面(演馬莊礦)

3.3.2 條件組合查詢

上述查詢方式均屬于“由位置查屬性”，即查找某一空間要素的屬性信息。而添加組合查詢屬于“由屬性查圖形(又稱SQL查詢)”，即用某一屬性條件查找所對(duì)應(yīng)的空間要素，如查找瓦斯資源類型為非穩(wěn)定型后期的廢棄礦井。由屬性查圖形的方式是從海量的圖件中快速定位到符合要求空間要素的有效手段，可提高信息利用及分析統(tǒng)計(jì)的效率。

點(diǎn)擊地圖瀏覽頁面坐標(biāo)側(cè)邊欄的相應(yīng)按鈕，會(huì)展開側(cè)邊欄，顯示“由屬性查空間信息”的界面，如 圖8 所示。輸入相應(yīng)的檢索條件(如遺留瓦斯資源量>5)，即可在下面搜索結(jié)果面板中顯示符合查詢條件的空間要素(本次檢索查詢到的為演馬莊礦，其遺煤瓦斯資源量為11.05億m3)。

圖8 條件組合的查詢方式

若需添加更多的條件，點(diǎn)擊【添加規(guī)則】按鈕，依次輸入條件信息。若要定位查詢到的空間實(shí)體，點(diǎn)擊該行對(duì)應(yīng)【定位】字段的圖標(biāo)，即可以動(dòng)畫縮放的方式使該實(shí)體居中顯示在客戶端的屏幕中心。

3.4 統(tǒng)計(jì)分析功能模塊

系統(tǒng)平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)分析功能主要通過GIS中的專題地圖來實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)平臺(tái)提供餅狀圖、3D餅狀圖、圓環(huán)圖、直方圖等專題圖繪制功能，通過要素的分布位置、形狀對(duì)比、大小對(duì)比等，能夠可視化表達(dá)遺煤量、遺煤瓦斯資源量等相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，也可反映某一信息的發(fā)展變化趨勢(shì)，如廢棄礦井類型的變化，從而為后期科學(xué)決策提供重要支撐，如圖9所示。

圖9 圖表專題圖繪制界面

圖10為用餅狀圖統(tǒng)計(jì)分析焦作礦區(qū)動(dòng)用煤瓦斯資源量、保有煤瓦斯資源量對(duì)比圖(餅狀圖大小表示瓦斯總量的大小，藍(lán)色部分代表保有煤瓦斯資源量，橘黃色部分代表動(dòng)用煤瓦斯資源量)。由圖10可知：演馬莊礦遺煤瓦斯資源量最大，白莊礦瓦斯資源量最小；絕大部分礦井保有煤炭瓦斯資源量要大于動(dòng)用煤炭瓦斯資源量。用直方圖統(tǒng)計(jì)分析焦作礦區(qū)動(dòng)用煤瓦斯資源量、保有煤瓦斯資源量對(duì)比情況如圖11所示。

圖10 餅狀圖統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果

圖11 直方圖統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果

3.5 可抽性評(píng)估功能模塊

依據(jù)廢棄煤礦瓦斯資源可抽性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其模糊綜合評(píng)價(jià)模型，本功能模塊建立了可抽性模糊綜合評(píng)判算法，實(shí)現(xiàn)了4個(gè)一級(jí)指標(biāo)值的在線輸入、權(quán)重值動(dòng)態(tài)獲取、模型自動(dòng)生成等功能，能快速、準(zhǔn)確得到對(duì)廢棄礦井的可抽性等級(jí)，并把結(jié)果實(shí)時(shí)反饋在云平臺(tái)上。

評(píng)價(jià)指標(biāo)輸入界面如圖12所示，整體為使用Bootstrap搭建的一個(gè)模態(tài)框。模態(tài)框中又嵌入了 4個(gè)包含可抽性評(píng)價(jià)指標(biāo)的手風(fēng)琴折疊輸入框。

圖12 評(píng)價(jià)指標(biāo)輸入界面

在輸入完所有評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的信息后，點(diǎn)擊【進(jìn)行評(píng)估】按鈕后進(jìn)行可抽性評(píng)估的自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算流程如圖13所示，并彈出一個(gè)評(píng)估結(jié)果顯示的模態(tài)框(見圖14)，展示該廢棄礦井的最終評(píng)價(jià)得分、可抽性等級(jí)及該等級(jí)對(duì)應(yīng)的具體表現(xiàn)等信息。

圖13 可抽性評(píng)估計(jì)算流程圖

圖14 評(píng)估結(jié)果顯示的模態(tài)框

4 結(jié)論

1)利用postgresSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及PostGIS插件，建立了廢棄礦井資源分布空間數(shù)據(jù)庫(包含礦井名稱、關(guān)閉時(shí)間、面積、動(dòng)用煤遺煤量、保有煤炭量、動(dòng)用煤瓦斯資源量、保有煤瓦斯資源量、遺留瓦斯資源量、廢棄礦類型、經(jīng)度、緯度等屬性信息)及用戶注冊(cè)信息的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(包含username、email、password等字段)。

2)針對(duì)廢棄礦井瓦斯資源查找及評(píng)價(jià)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的角度出發(fā)，研發(fā)了具有主框架、地圖功能、多源信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析、可抽性在線評(píng)估、用戶管理等模塊的廢棄煤礦瓦斯資源信息管理云平臺(tái)。

3)建立了可抽性模糊綜合評(píng)判算法，實(shí)現(xiàn)了 4個(gè)一級(jí)指標(biāo)值的在線輸入、權(quán)重值動(dòng)態(tài)獲取、模型自動(dòng)生成等功能，能快速、準(zhǔn)確得到廢棄礦井的可抽性等級(jí)。