基于GIS的煤矿火灾救援管理系统设计

江成玉 李春辉 苏恒瑜

(1.贵州大学矿业学院,贵州省贵阳市,550003;2.昆明理工大学国土资源工程学院,云南省昆明市,650093;3.贵州省矿山安全科学研究院,贵州省贵阳市,550025)

矿井火灾是煤矿重大灾害之一。由于井下空间相对封闭,矿井发生火灾后,火势发展迅速,影响范围广,危害严重。近年来,我国许多煤矿因为火灾问题导致大量煤炭资源冻结,同时由于火灾破坏了煤层合理的开拓部署和开采顺序,给矿井带来了巨大的经济损失和安全隐患。矿井火灾已经成为制约煤矿安全生产与发展的重要因素。

矿井火灾救援行动的有效性取决于救灾人员对煤矿火灾能否迅速、准确、果断的决策并且施以科学合理的救援措施。然而,随着煤矿开采强度、开采范围和开采深度越来越大,通风系统日益复杂,如果救援管理条件不完善,一旦发生火灾,如救灾人员不能及时了解火情及其动态发展,往往贻误救灾时机,使灾害范围扩大,将严重危及矿工的生命安全。为解决这一问题,采用新的技术手段,提高救灾决策的及时性和可靠性已经成为完善煤矿火灾救援体系的重要条件。地理信息系统(GIS,GeographicaL information System)是以地理空间数据库(Geospatial Dababase)为基础,在计算机技术的支持下描述、存储、分析和输出空间信息,采用地理模型分析方法,适时提供多种空间的动态地理信息。对于矿井火灾具有涉及数据多、信息量大、时效性要求高,且多数信息具有三维立体空间定位需求的特性,将GIS应用于煤矿火灾的救援管理中对提高煤矿火灾应急救援水平至关重要。

1 火灾救援管理系统对GIS的需求

建立基于GIS的煤矿火灾救援管理系统的主要目的是实现煤矿火灾救援的可视化,为救援人员提供可靠及时的井下信息,并为救灾行动提供正确有效的决策支持,将火灾对矿井和人员的伤害影响降低到最低程度。GIS是一种决策支持系统,是集计算机科学、地理科学、测绘学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴交叉学科。地理信息系统是以地理空间数据为基础的一个技术系统,是具有信息采集、信息管理、信息分析、信息存储、预测预报、空间分析、分析决策和动态模拟等功能的计算机技术系统。

GIS具有3个特征:(1)具有信息的采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力,具有空间性和动态性特征。(2)GIS由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务。(3)GIS的重要特征是它由计算机系统的支持,因此可以使地理信息系统能够快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程的动态分析。GIS的诸多功能不但可以为救援决策者提供井下井巷参数、通风设施和参数、设备及其参数的基础信息,还可以为救灾人员提供合理准确的救灾应急预案。同时,GIS具有强大的可视化功能,对救援人员了解火灾范围、火灾动态以及矿工动态提供技术支持,大幅度减少火灾对矿井造成的损失,对提高煤矿的安全生产和保障矿工的生命安全具有重大意义。

2 火灾救援管理系统的设计

2.1 系统模块结构设计

建立一个合理的完整的地理系统不仅需要软硬件,更需要人进行系统组织、管理、维护、数据更新、系统扩展完善和应用程序开发,并灵活的采用地理分析模型提取多种信息,为研究和决策服务。本文建立的煤矿火灾救援管理系统以GIS为开发平台,实现图形与数据库的结合,采用可视化编程语言面向管理决策者,目的在于一旦发生火灾,可以将矿井内部火灾和人员的动态信息及时准确的传达给管理人员,以便决策者迅速、准确、合理的启动火灾救援紧急预案,将火灾造成的损害程度降到最低。根据对煤矿火灾救援管理系统的要求分析和开发目标,将系统的模块结构设计分为5大块,即消防管理模块、矢量矿图模块、火灾救援管理模块、基本信息模块以及系统操作控制模块。模块结构图见图1。

图1 系统结构模块图

(1)基本信息模块。本模块是煤矿火灾管理救援系统的的基础,它采集、储存、维护和管理着关于煤矿火灾救援管理系统的详细资料,主要由相关数据库和地物属性分布来构成,为煤矿的火灾救援提供真实、可靠的现场数据。基本信息模块包括矿井情况数据库、煤层基本信息数据库、国家法律安全规程、通风信息数据库、火灾类型级别数据库以及数据的输入和修改。一旦煤矿发生火灾,管理人员可以及时调用相关数据,为火灾的救援提供最基本的信息数据,保障救援行动的顺利进行。

(2)消防资源管理模块。本模块将是进行火灾救援行动的有力后勤保障,主要囊括了有关火灾救援所需的人力、物力资源以及压风自救和通讯设备,能够为争取救援赢得宝贵时间,将火灾对资源和人员的损害降到最低。主要内容包括矿区消防器材装备情况、应急救援专家和队伍数据库、井下消防设备分布数据库、井下反风装置分布信息、井下压风自救分布数据库和井下通讯电话分布数据库。煤矿发生火灾的时候,管理人员可以在调集救援专家队伍、消防器材的同时,展开自救行动,尽可能的保障矿工的生命安全。

(3)矢量矿图模块。本模块对实现火灾救援行动的可视化具有重要作用。煤矿井下发生火灾时,管理人员可以及时调用采掘工程图和通风系统图,确定火源发生地点,以及由于火灾产生的火风压造成的风流紊乱对矿井通风系统的影响,及时把握火情及其动态影响,同时可以尽可能地利用通讯设备,指导矿工沿避灾路线进行自救,实现对井下作业人员的实时监控。该模块主要包括煤层采掘工程图、通风系统图、避灾逃生线路图以及人员定位动态监控图。

(4)火灾救援管理模块。它是煤矿火灾救援管理系统的核心,具有维护和管理煤矿火灾应急救援的基本功能,也是具体实施救援时的决策依据,主要内容包括:火灾应急救援预案、灭火技术和方法数据库、火灾历史记录数据库、国家和地区救援基地点、模拟管理和实战管理(煤矿发生火灾后,管理人员可以根据火灾类型、级别和规模计算所需的后备力量,为救灾决策者提供辅助决策信息,决策者可以根据火灾所需以最佳路径调集救灾人员)、社会联动资源数据库(医疗救助机构、油料站信息、灭火器材供应点、武警部队信息、汽车修理等),为提高火灾应急救援的反应速度和救灾能力,以知识库的形式向决策者提供火灾灭火的技术和方法、救灾设备和救灾专家,以及社会联动资源等,以便决策者启用合理正确的火灾应急救援预案,全面的指导救援行动的开展,将火灾事故对矿山和矿工造成的损害降到最低。

(5)系统操作控制模块。本模块是火灾救援管理系统的控制中心。它主要以知识库和数据库的形式构建系统的运行环境,为人机交互对话提供良好的视图界面。可以根据矿山管理人员的登录级别限制其使用权限,它主要包括图层控制、文件和对象编辑、视图操作、属性编辑和系统的登录与管理。同时它还可以对采掘工程图、通风系统图、井下消防设备分布、人员定位监控进行可视化显示、放大、缩小、移动等基本操作。对火灾地点进行精确定位和火情动态影响显示。

2.2 系统的框架结构设计

图2 煤矿火灾救援管理系统的框架结构

煤矿火灾救援管理系统框架结构的设计是在系统功能需求的分析下进行GIS系统开发的设计和数据库的构建。GIS的系统开发设计由5大模块组成,用以满足火灾救援系统的需求。数据源由4个数据库组成,空间数据库储存空间位置及所在的地理信息,属性数据库存储与空间数据联系不紧密的属性信息,包括变量、级别、数量特征和名称等,时态数据库存储由于地理实体的时间变化或数据采集的时间变化而采集到的数据,有些空间数据随时间变化相对较慢,可以忽略。对于大多数地理信息系统的应用来说,时态属性数据和专题属性数据共同构成属性特征数据,而空间特征数据和属性特征数据构成地理数据。知识数据库存储国家政策、经验知识、解题技巧与模型以及书本和资料中的各种知识等。通过系统框架的结构设计,实现火灾救援管理系统地理信息和属性信息的无缝连接煤矿火灾求援管理系统框架见图2。

3 火灾救援管理系统的开发

本系统的运行操作系统为windows98、2000、XP,采用SuperMap组件式GIS软件SuperMap Object 5.0作为开发平台建立矿井火灾应急求援管理系统,它易于开发,并实现了与流行开发程序设计语言(如VC、VB、Delphi、)的无缝集成,SuperMap组件式GIS以标准ActiveX控件的形式提供了GIS的全部功能。基于GIS的矿井火灾救援管理系统采用的SuperMap Object的开发平台具有以下几个优点。

(1)功能强大。Super Map Objects提供了11个控件、170多个可编程对象和3000多个二次开发接口,二次开发能力强大,封装粒度适中。

(2)高度的可伸缩性。Super Map Objects是全组件式GIS开发平台,各个GIS组件可以像搭积木一样灵活的分拆和组合。

(3)高性能的数据库访问引擎。Super Map Objects内置了SuperMap GIS最新空间数据库引擎技术——Super Map SDX+。

(4)面向对象与面向拓扑相结合。Super Map Objects支持以拓扑结构和面向对象两种方式来组织空间数据,更兼有二者之长,为系统中数据组织提供了更多的选择,有利于降低系统设计开发难度。

Visual Basic、VisualC++、Delphi、Visual C.NET、Visual Basic.NET、Visual C++、ASP.NET等流行的开发工具均可以结合SuperMap Object进行二次开发,本系统采用了目前最为流行的开发工具——Visual C++作为系统的开发工具。

数据库服务器采用Microsoft SQL Server 2005,SQL Server界面友好,使用方便,与VB、VC、Delphi等高级开发语言结合较为密切。

基于GIS的煤矿火灾救援管理系统需要在收集我国煤矿火灾详细资料的基础上,分析我国煤矿目前所具备的火灾救援技术、方法,以及救援预案等条件下,针对煤层具有自燃倾向性的煤矿进行联合开发,以便更进一步完善系统,满足煤矿火灾救援的要求。该系统的成功研发将有助于解决我国煤矿火灾救援系统不完善的现状,将火灾对矿山和矿工造成的损害降低到最低。

4 结语

基于GIS的煤矿火灾救援管理系统,是在为了有效解决因我国煤矿火灾造成大量资源冻结和严重危及矿工生命安全问题的思路下进行开发的,尤其对煤层具有自燃倾向性的煤矿而言,建立该系统将对其矿井火灾的救援行动具有重大意义。该系统将GIS信息技术应用到煤矿火灾救援管理中,并采用Super Map全组件式软件作为开发平台,为矿山火灾的救援行动开辟了新的途径,该系统的可视化平台为煤矿火灾的救援行动提供了新的手段,使救援决策者能更加准确、及时、合理的做出决策,从而启动相应的应急救援预案,不但可以提高了救援行动的及时性和可靠性,而且实现了救援过程中的动态管理,最大限度了发挥了系统的优越性。该系统的成功研制将对矿山的救援行动提供有力的技术保障,促使煤矿安全生产向科学化、人性化、数字化的方向发展。

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