基于数字化矿山的全息化应急管理系统研究

李 健

（西山煤电集团公司，山西 太原 030053）

·专题综述·

基于数字化矿山的全息化应急管理系统研究

李 健

（西山煤电集团公司，山西 太原 030053）

在分析煤矿突发事件应急需求的基础上，依托数字化矿山管理平台，结合矿山三维场景和真实数据，建立了基于数字矿山的全息化应急管理系统，设计了系统的架构，阐述了可视化预案管理，隐患、危险源动态监管，模拟应急演练和辅助决策等功能，并对可视化预案自动脚本牵引技术、人机交互和导调技术以及事故趋势推演模拟技术进行重点研究。该系统可提升矿山企业安全应急管理水平，最大程度地减少人员伤亡和经济损失。

数字化矿山；全息化场景；应急预案；辅助决策

以山西西山煤电集团官地矿为应用试点，建立了服务于矿山日常安全管理的数字化矿山综合管理平台系统。该平台依托自主研发、世界领先的3D-GIS技术和虚拟仿真技术，将矿山地形地貌、地表设施、井巷工程、矿体围岩等客观空间构造在平台系统中真实再现，同时将各类实时监控数据、生产数据、设备信息、人员信息、管理信息等植入系统，从而构建出能真实反映企业复杂生产环境和状态的数字矿山。在此基础上，根据企业不同层级、不同部门的业务需求，定制相应的业务功能，为企业运营管理提供可视化的信息支持，同时实现了矿山三维全息化构建、生产工艺流程三维可视化管理、地测数据管理、生产调度信息管理、安全监管监控等多项功能，能够用于企业可视化管理、八大专业系统管理、预测预警、人员培训，极大地提高了现有数据资料的利用效率，实现多类数据信息的可视化集成整合，体现企业现代化和信息化管理的高品质形象。

在数字化矿山管理平台基础上，笔者对煤矿事故救援管理技术开展研究。利用先进的计算机技术、网络技术、信息技术、空间数据库技术和地理信息技术，依据煤矿事故救援的流程，进行了基于数字化矿山的全息化应急管理系统研究，以期提高煤矿事故应急救援的能力，减少损失。

1 现状和发展趋势

煤炭行业是我国的支柱产业，我国能源消耗的2／3都来自煤炭。自从1990年以来我国每年的煤炭产量居世界首位。伴随着煤炭开采量的不断增加，安全问题变得越来越突出，随之而来的重大事故也不断产生，特别是危及社会安全造成多人死亡的重特大事故时有发生，这些事故对人民的生命、财产安全及其周围环境构成了重大威胁［1］。

在煤矿企业的安全管理工作中，应急管理逐渐成为企业抵抗突发事故或灾害的重要保障，其中包括组织体系、预案、保障队伍及相应技术支撑。从预案来讲，国内对于数字化应急预案的研究主要集中在针对某些行业进行数字化预案的设计与开发［2］。武汉大学测绘学院的学者们将GIS技术与火灾模型相结合，开发防灭火数字预案，通过模型获得火灾发展的预测结果，利用GIS进行可视化模拟与火灾影响评估［3］。南京安元科技有限公司开发的数字化预案，能够实现基于空间GIS技术的数字化预案编制、评估分析和演练培训，提高预案的实用性和时效性。

现在国内外各厂家的应急系统开发大都是在二维平面下作业、分析，管理者不易直觉感官和准确地判断危险源、事故发生点的态势及情形，而且在平时的培训和演练中也不能进行真实场景的互动，在培训和演习类同的事故时，对于培训者的大局观和事故发展态势难以把握，达到的预期效果不佳［4］。

所以，为了强化煤矿企业强化安全应急管理，必须建立有效的应急管理体系，采取一切有效措施，迅速控制或避免事故灾变，将事故对人员和财产的损失降到最低程度。基于上述原因，笔者提出了建立以数字化矿山为基础的全息化应急管理系统。

2 目 标

通过数字化矿山管理平台提供的企业真实生产环境和状态，建立全息化应急管理系统，能够提高管理人员的应急决策能力，主要表现为以下几点：

1）能够将文本的预案制作成虚拟仿真场景下的行动方案，按照事件的发展过程将应急措施可视化地展示出来，进而实现真实场景全息再现和预案执行效果三维可视化，用于进行预案桌面推演和应急救援培训。

2）针对井上下各隐患、危险源，能够实现矿井隐患定位跟踪管理以及危险源的有效监管监控。

3）在数字化矿山管理平台中研究多席位的网络协同演练技术，实现人在回路的交互式演练并具有导调干预能力，模拟应急演习演练。

4）以数字化矿山管理平台三维矿区场景为基础，全息化应急管理系统通过对井下救援路线、救援力量分布、救援物资分布、救援预案等进行三维可视化的查询，实现救援路线寻优、预案匹配、快速生成行动方案等功能，为领导和决策者在应急情况下提供辅助决策支持。通过以上技术的研究，建立全息化预案技术标准，全面提高企业应急管理能力和应急培训演练水平。

3 关键技术

3．1 数字化矿山全息化场景构建技术

通过多种类型的GIS数据（DLG＼DEM＼DOM数据）的加载与显示，DEM与DOM数据叠加，可生成真实的地形地貌，融合钻孔数据、物探数据，勘探数据，井巷工程数据可生成矿区真实的三维场景，真实展现工业广场、井下巷道、工作面、生产设备设施等。平台支持通用GIS产品的交换格式，如MapInfo的MIF／MID文件，ArcInfo的EOO文件等标准数据交换格式。可把多种形式的数据导入系统，实现数据的同步更新。

3．2 可视化预案自动脚本牵引技术

一个完整的应急救援事件包括事故发生、现场处置、事故救援、恢复生产等过程，结合数字矿山管理平台的三维场景，如何全面、流畅地表现整个事件从发生到处理的全过程是课题的难点。因此，本课题采用自动脚本牵引技术，让模拟驱动程序代替双手，自动执行一系列鼠标键盘动作。

1）通过提供分类规则、覆盖面广的资源面板，面板中包含灾害（火灾、气体泄漏、爆炸等）、救援力量（警车、消防车、救护人员、工作人员等）、报警、标绘（箭头、波纹、扩散等）。

2）根据数字化矿山管理平台提供的场景编辑工具，可以指定设备的相关动作、包括阀门的开关、消防炮的启停、设备喷淋的开关、烟囱冒烟、中控报警、全厂报警声音的开关、在指定位置显示文字，并对文字的大小、字体、颜色进行设定以及插入图片，在制定位置显示图片，可对图片显示大小进行设置。

另外，结合多媒体控制，支持声音、视频等附加文件的播放，并支持建立声音、视频库供用户选择；以及现场真实场景，进行警戒区、交通管制、疏散路径、区域等的标绘、救援车辆、环境监测人员、现场抢修人员、工作人员的定位布放等。

3）通过鼠标推进、拉伸、移动等镜头切换方式，从360°旋转查看整个脚本流程。

因此，根据用户提供的文字信息，通过时间、事件牵引驱动，将传统的纸质资料变成“看得见”的脚本，实现可视化脚本自动播放，当播放到关键节点时，可自动显示出预先设定的要求和提示。

3．3 人机交互和导调技术

应急救援过程是一个内容复杂形式多变的过程，存在较多不规则的演化过程，现有的推演技术和仿真能力不能完全对该过程进行计算和显示，在这种情况下需要通过导调干预技术，借助人的经验积累和人脑决策的灵活性，合理地控制预案推演的过程和应急处置的难度，更好地实现应急培训和演练。通过虚拟现实和仿真技术的运用可以实现计算机与操作者之间的互动，通过导调干预能有效地对仿真结果以及过程进行人工设定，提高仿真能力。导调技术是通过系统赋予给演习策划者权利，可以任意策划事故类型和发展趋势，所有的参演人员预先在不知情的情况下开始协调开展救援过程，是一种模拟突发状态的考核形式，关键在于在这个过程中导调者可以评估事故处理过程是否妥当，或者是否增加衍生事故，以提高演习者难度。提供多个席位从不同的视角来关注灾情发生的情况并输入、查看灾情数据，根据各职能进行相应的操作。

实现人机交互过程需要对应急救援过程中的所有可能的操作进行归类和整理，然后对这些操作进行判定，从而进行仿真计算，这需要大量的总结和归纳才能达到这一目标，同时还要在仿真的过程中预留导调干预的接口，实现过程干预。

3．4 事故趋势推演模拟技术

趋势推演模拟是采用真实的三维企业场景作为业务实现平台，利用基于情景分析模型的推演模拟与态势演播技术，包括基于透水、洪涝灾害、地质灾害、瓦斯爆炸等多种情景分析模型，应用图形标绘以及三维可视化场景动画等方式推演模拟不同情景中随着时间的逐渐变化，在承灾体、蕴灾环境、致灾因子的共同干预下，预案的执行过程、实施效果、影响范围以及变化趋势。通过输入灾情相关参数进行数学模型计算最终实现三维全息演示，可以通过查询企业人员分布、消防设施、危险源分布、救援力量分布等情况，为应急救援指挥提供决策依据。

4 系统架构

在设计系统结构时采用先进的N层结构，提高系统的稳定性和可移植性，见图1。

图1 全息化应急管理系统架构图

系统软件部分采用面向对象的设计方法以及基于组件设计的理念和技术，从纵向的结构层面上，该系统提供三大层面、若干小层面的抽象、映射、实现和封装；应用层对各子系统的用户业务处理逻辑进行实现和封装，数据库层采用多种形式结构数据库的总体封装，提供本地及远程多种数据连接方式，为应用层提供透明的数据存储和访问功能。

系统采用基于Internet／Intranet通信方式的C／S +B／S相结合的架构模式开发。基于Internet／Intranet的C／S模式解决了部署和维护成本高的问题：部署可采用网站超链接下载方式，维护更新采用服务器集中更新、网络自动同步方式实现，同时C／S模式可快速、高效、及时地满足应急紧迫性的需求，并且能够充分利用PC硬件资源实现三维模拟仿真和数学模型计算。而遵循J2EE标准的B／S模式可使系统中涉及管理信息系统（MIS）的部分真正实现N层架构。

系统数据库层主要融合了空间GIS数据，地学及测绘数据，井巷工程数据，设备、设施以及实时监控等数据。通过专用的全息化应急管理平台，实现可视化预案管理，隐患、危险源动态监管，模拟应急演习、辅助决策等应用层功能。

5 功 能

根据系统的总体设计，系统主要包括以下功能：

5．1 可视化预案管理

1）预案过程可视化。以数字化矿山管理平台为基础，基于真实的场景、真实的周边情况和真实的数据，通过设定灾情，策划救援及抢修的行动方案，将文本预案制作成可视化预案，进行展示、存储，使预案具有可操作性、直观性。

2）物资分布可视化。展示救灾物资分布情况，系统管理员和系统操作者可使用多个不同条件查询得到当前灾区的救援物资分布情况，以直观、醒目的效果展现在三维矿区场景中。可以查询出指定地点的救灾减灾物资的详细储备地点、物资种类、数量级别、分布状况及相关信息，以及输出本次查询的内容，以备用和打印本次的物资分布查询结果。

3）救灾力量可视化。应用文字标注、图片标注等标注功能，完成救灾力量的展现功能，系统管理员和系统操作者可使用多个不同条件查询得到当前灾区的救援力量分布境况，以直观、醒目的效果展现在地图上。

4）救灾路线可视化。通过救灾路线可视化查询功能，选择救灾力量所在地区名称和受灾地区名称，可以查询出救灾路线的最近、最优路线的可视化信息，包括路线的长度，路线的状况（毁坏程度、阻塞程度、通行度），救灾路线的类型，以及对应路线的详细说明信息。

5．2 应急救援支持

在突发事故发生时，各级主管部门可在三维场景中实时查询（集成实时监控系统信息）井上各设备的温度、液位、流量等生产运行参数，以及井下巷道内瓦斯、CO、温度传感器的实时监控数值，以及巷道内的风速、风量等信息。

对于相关隐患、危险源，可随时调阅相关联的应急预案，查看隐患、危险源的应急救援机构、人员、职责、应急救援设备设施信息、应急响应、报警、联系方式、应急救援程序与行动方案、保护措施与程序、培训与演练等内容。

同时，可基于系统对矿区内隐患、危险源进行三维场景标绘，能整体显示井上下隐患的分布状态。将隐患从隐患排查、整改到审核、核销的全过程信息进行记录，并对隐患未按期整改的情况及时全方位预警，为突发事故发生时应急救援提供全方位的支持。

5．3 模拟应急演练

能够根据应急演习的需要，灵活设定不同的模拟演习场景和应急演习方案，同时提供两种使用模式：演示模式和互动模式。

1）演示模式。通过对各类事故预定义，使整个应急救援过程自动按照事态发展进行演示，过程中可对事故环境参数、参演队伍等随时进行调整和讲解，以展示不同事故的应对措施和救援策略。

2）互动模式。主要针对指挥部和各应急救援队的指挥员，通过模拟典型事故，在该系统下模拟调配资源、下达指令，训练其分析判断、应变指挥能力等。

另外，可根据模拟演练内容设置典型的演练场景，参演人员可根据各自的任务进入场景开展相关操作。在演练中用到的装备、物资、工具、车辆等应急资源，参演人员均可从系统资源面板中获取，并根据演练需要进行资源布放和规划。通过提供演练方案的制定和管理功能，用户可根据各自的特点灵活设定不同的模拟演习场景和应急演习方案。通过角色设定、网络异地联动实现不同角色的交互式实战演练、上下级联动的桌面应急演练。

5．4 辅助决策

通过模拟火灾、爆炸、气体泄漏扩散事故，通过集成专业的事故后果分析数学模型，根据事故情况和实际环境参数进行灾情推演。在系统中输入灾情发生的位置、事发物质的特性，结合风向、风速、温度、湿度等信息，可通过数学模型分析出事故的爆炸范围、扩散范围、死亡半径、重伤半径、安全距离等关键数据，并能够通过二维、三维画面结合的方式可视化地展示模拟分析的结果。根据事故状况，可以提出行动方案，并可对周边的环境、建筑物的影响进行风险分析，为事故救援决策提供依据。

特别是在应急情况下，需要集中关注多类信息，此时系统可以对井下救援路线、救援力量分布、救援物资分布、救援预案等进行三维可视化查询，如通过井下井上对照，可查询出井下任意巷道位置对应地表的垂直位置坐标，为井下救援打孔时定点定位提供支持。

6 结论和展望

煤矿事故的应急处理越来越受到重视，研究基于数字化矿山的全息化应急管理系统对如何高效、准确地处理突发事故具有重要意义。笔者分析了当前的需求，阐述了全息化应急管理的系统架构和实现的功能，重点讨论了该系统实现的关键技术。数字化矿山管理平台系统是新型“工业WINDOWS”平台，能够充分整合矿区三维场景、生产数据，支持用户进行各种业务功能的定制和安装，在此基础上建立全息化应急管理系统能够帮助领导和决策者关注安全和应急的各类问题，实现隐患、危险源的监管监控，并在应急状况下提供丰富的辅助决策支持，帮助矿山企业科学有序地开展应急救援工作，以先进的技术和实用的功能为用户寻求新的应急管理模式，提升矿山企业的安全应急管理水平。但是到目前，还很难实现非常精确的测量和控制，从信息的采集、运输、处理、集成、到显示和应用，涉及的领域非常广泛，需要创新、多学科交叉和经验的积累［5］。基于数字化矿山的全息化应急管理系统发展前景非常广阔，但同时又充满了挑战。

［1］ 曾 旗，袁 雯．煤矿安全事故频发的原因及对策［J］．内蒙古煤炭经济，2008（2）：55-57．

［2］ 翟丹尼．数字化预案系统的功能分析实现［J］．中国公共安全，2009（14）：49-52．

［3］ 孙 颖．基于ArcGIS的消防灭火数字预案系统中应急工具箱的制作［J］．测绘信息及工程，2007，32（1）：22-25．

［4］ 程 思．地质灾害应急指挥系统信息管理子系统的研发［D］．成都：成都理工大学，2008．

［5］ 朱 超，吴仲雄，张诗启．数字矿山的研究现状和发展趋势［J］．现代矿业，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年毕业于山西矿业学院，高级工程师，主要从事煤炭管理工作，（E-mail）xsmdmsk＠163．com