基于GIS的矿井通风预警信息系统研究

陈 宁，陆愈实

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

矿井通风系统是整个矿井系统中的重要组成部分，是保证安全生产的重要环节。矿井通风系统具有繁杂的空间地理属性，分布于井下生产的各个角落，是一个涉及数据多、信息量大、通风信息参数和地点分散复杂的动态系统。只有适时、准确的掌握通风网络中每段路线的情况，对潜在的风险进行监控预警，才能最大限度地避免事故的发生或降低事故造成的损失。虽然目前我国大中型矿山都装备了安全监测系统，但在信息处理、监控方式、预测预警、动态图像显示方面还存在明显不足，对存在的安全隐患和已经发生的事故不能做出及时有效的处理,无法适应现代矿山通风系统发展的需要。

地理信息系统(GIS，Geographical Information System)是计算机信息技术发展的产物，是基于地球科学基础以获取、存储、编辑、处理、分析、显示和输出地理数据的系统。将GIS原理及方法应用于矿井通风预警信息系统中，能有效的监控管理具有三维立体空间特性的通风信息，实现通风信息的可视化、可靠化、快捷化以及科学化，系统的应用与推广对提高我国矿山安全生产信息化水平及安全管理工作质量具有非常重要的意义。

1 概述

从GIS在矿业领域内已有的应用看，发挥了较为显著的作用，但在通风信息管理方面的研究还很少，需要进一步的探讨，利用GIS将通风系统图和矿井数据结合，建立通风安全数据库并能适时调用，达到动态可视化的网络监控，实现安全数据的传输和共享，可以有效的促进矿山安全管理的现代化建设，减少劳动力投资，提高管理效率，具有较好的社会效益和经济效益。

从技术上看，地理信息系统在矿业的某些方面已发挥出一定的作用。但在矿井通风管理方面涉及还很少，因而，需要我们去研究与探讨；从生产效率上看，GIS一方面可以减少劳动力的投资，另一方面可以促进矿山生产管理的现代化建设，更好地为矿井通风管理人员提供技术支持。总之，矿井通风可视化管理系统

预警，顾名思义就是提前预测。预警理论最早应用与经济领域，形成了经济预警理论，在随后的几十年中其应用和研究得到了较快发展，对预警的常用解释为：在灾害或灾难以及其他需要提防的危险发生之前，根据以往的总结的规律或观测得到的可能性前兆，向相关部门发出紧急信号，报告危险情况，以避免危害在不知情或准备不足的的情况下发生，从而最大程度的减低危害所造成的损失的行为。

预警理论常用的研究方法主要有三种：指数预警、统计预警、模型预警。20世纪70年代以来随着计算机技术和信息化水平的发展，决策支持系统(Decision Support System，DSS) 、GIS、神经网络(RS-ANN)、INTEMOR等开发平台相继被引入倒预警系统的研究中，形成了多功能化的智能预警系统。从已有的研究上看，将GIS应用于矿井通风的预警信息系统还处于开发阶段，结合GIS和预警理论，建立一套矿井通风预警预控的操作系统，有利于提高矿井安全的管理水平。该系统既包括管理层面也包括技术层面的内容，融合了科学的、规范的制度及管理流程，根据统一的识别评价指标，对矿井通风系统中可能存在地安全风险实时监控预警，对事故进行分类整理形成决策支持的对策库，达到纠错与控制的目的。

2 矿井通风预警指标评判

矿井通风系统是一个动态的、随机的、模糊的、复杂的大系统,对矿井通风系统进行预警，首先必须确定能够真实反映矿井通风系统主要特征和基本状况的参数指标，以反映系统存在的危险状态为目标，在科学合理评价基础上，建立指标体系。指标的构成要素是否客观、全面会直接影响到预警系统的成效，选择的指标要素过多会影响指标结构的难度并削弱或掩盖关键要素的作用，指标要素太少又不能全面的反映真实状况。

一个好的评价指标体系应满足以下要求：评价指标能全面准确地反映出矿井通风系统的状况与技术质量特征；评价模式简单明了，可操作性强，易于掌握；所选用评价指标应易于获取，数据处理工作量小；采用的评价指标具有明确的评价标准。

3 系统设计及功能

3.1 系统开发方式

对基于GIS的矿井通风预警信息系统开发主要有三种方式：独立开发、单纯的二次开发和集成二次开发。本文采用MapObjects组件式地理信息系统并采用标准化开发环境(VisualBasic、Delphi、Visual C++等)SQL2005数据库，开发平台为Windows2000、XP和Windows7。系统数据库主要由三部分组成，即空间数据库、属性数据库和知识库。空间数据库主要是对通风系统所在的空间信息进行存储，即包括通用数据库中的常用数字、字符表示的数字和非几何属性数据，也包含空间定位和拓扑关系的地理空间特征；属性数据库是收集具有空间实体特征的地理信息的数据，属性数据库与空间数据库通过固定的字段有机结合；知识数据库主要存储国家相关的法律法规，标准及设计规范等，也包括相关的解题技巧、计算公式。MapObjects组件式地理信息系统软件支持广泛的数据支持格式(Shape文件、ArcSDE图层、栅格图像文件、DXF、DWG文件等)和数据访问，能实现集成GIS控件与非GIS控件之间对接，系统采用客户服务器结构,将数据存放在服务器上,客户机与服务器通过网络TCP/IP协议连接通信,实现资源的共享和数据的同步一致。

3.2 系统监控流程

基于GIS的矿井通风预警信息系统是在事故理论、预警预控理论的指导下对矿山生产各职能部门、人员、设备等的实时监测并随时掌握信息进行识别和处理，避免安全事故的产生。整个系统有地面各个子系统监控主机分别对井下个监控分站和PLC控制箱等设备层进行初始化参数设置预置，将监控分站或控制器的端口配置、各端口的传感器超限值及控制通道等参数下传至各分或控制器存储，各分站或控制器采集的传感器数据首先进行数据预处理，并根据地面对应监控主机定义设置的参数进行相应的控制。有监控主机对监测数据进行分析、处理、存储、显示、控制、查询、打印等操作。并通过数据采集服务器、归档服务器以及先进的OPC、DDE等技术与煤矿综合监控系统集成软件实现数据实时交互和整合，并通过WEB服务器进行网上发布，实现网上监控数据的实时共享。

3.3 系统功能设计

在对矿井通风预警指标信息的评判基础上，通过对基于GIS的信息系统的分析,建立矿井通风信息系统,此系统包括矢量图管理编辑模块、通风信息管理模块、通风网络管理模块、安全检测模块和系统操作控制模块。系统的功能模块结构如图1所示。

图1 系统功能框图

1)基础地图管理与编辑模块。该模块包括地图绘制、编辑与管理。绘制主要是指将节点、巷道、通风设施(如风门、风窗)的添加以及其他图元的绘制。编辑功能主要是指节点位置的变化、移动、删除以及文本的修改、图形的放大，使通风信息的数据(如巷道风速、工作面风量、采掘工作面瓦斯量涌出量)以各种图形的方式直观的在图上显示出来,以实现漫游和全景直观的显示，为管理人员决策提供决策依据。

2)通风信息管理模块。该模块主要用于采集、存储、维护和管理矿井通风的详细资料，是整个系统的基础。主要包括通风日常管理、信息查询、设备信息、矿井反风状况和管理人员信息。

3)通风网络管理模块。该模块主要由通风阻力计算、风机性能曲线绘制、风机选型和通风网络解算构成。通过绘制的通风机性能曲线，计算巷道中的实际风量，实现网络解算，将计算出的数据显示在系统图上，一旦井下发生突变情况，如火灾、爆炸等预算各网络的风量和方向变化，就可以计算通风阻力，为风机选型和通风状态改造提供基础的数据参数。

4)安全检测模块。该模块主要包括声光预警、信息发布通知及通风信息分析。通过对井下通风状况的动态监测，采集例如粉尘浓度、瓦斯含量、巷道风速等检测数据，对这些数据进行分析，如果超出预定值，系统就会自动报警，并在系统矿图上渲染，并体现等级特征，则立即采取措施，防治事故发生。

5)系统操作模块。系统操作模块是整个预警系统的控制中心，主要由数据库构成三维动态显示，并提供人机交互的视图界面。根据矿井通风系统的管理需要，本模块主要有登陆和管理、属性编辑、对象编辑、数据管理和维护构成。可实现对数据的编辑、修改等操作，对通风系统进行维护和管理。

4 系统实现

本文以某煤矿为研究对象,以该矿的通风系统图和相关的通风系统数据为基础,综合运用预警理论及GIS技术、计算机网络与信息技术等，构建基于GIS的矿井通风预警系统，实现对矿井通风的安全预警。在系统主界面通过点击，可以显示巷道内任意地点的通风参数，如风速、风量、温湿度等，并能适时的调整修改，编辑。利用对通风预警指标参数的监控，利用通风测定、通风机性能测定、风网解算等功能,提高该矿山的通风安全管理效率，实现矿井通风状态及时高效的动态管理，为矿山企业安全生产提供保障。

5 结论

在分析矿井通风预警指标体系的基础上，结合GIS技术、预警理论和计算机信息技术提出了基于GIS的矿井通风预警系统，旨在提高矿井通风信息的高效管理，为矿井通风信息管理提供新的途径。以实时监测为基础，通过通风数据采集，分析和评价于一体，实现矿井图形的可视化，直观便利的显示矿井相关图形和数据；提供图形输入和输出，提高结算结果的准确度；以表格形式显示通风数据，并进行管理和维护；结合GIS实现系统信息的查询分析，为矿山通风管理部门提供货决策支持。从某煤矿的实际应用结果看，该系统具有较强的实用性和应用价值，对提高矿井通风信息的高效管理具有重要意义。

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