基于GIS技术的煤矿安全三维仿真平台开发与实现

乔国厚 高俊杨 杨 雪 王 菲 张 华 仝凤鸣

（1.中国地质大学 （武汉），湖北省武汉市，430074；2.清华大学计算机科学与技术系，北京市海淀区，100083；3.华北水利水电大学管理与经济学院，河南省郑州市，450011；4.中国矿业大学 （北京），北京市海淀区，100083）

基于GIS技术的煤矿安全三维仿真平台开发与实现

乔国厚1高俊杨2杨 雪3王 菲3张 华4仝凤鸣3

（1.中国地质大学 （武汉），湖北省武汉市，430074；2.清华大学计算机科学与技术系，北京市海淀区，100083；3.华北水利水电大学管理与经济学院，河南省郑州市，450011；4.中国矿业大学 （北京），北京市海淀区，100083）

详细介绍了煤矿安全三维仿真平台架构和各功能模块实现的功能，研究了实现煤矿安全三维仿真平台的关键技术，最后对煤矿安全三维仿真平台的实现进行了具体描述。

GIS技术 三维仿真 煤矿安全 安全培训

煤矿安全生产是企业和社会共同关注的焦点问题，同时，煤矿安全工程又是一项复杂和系统性较强的系统工程。由于煤矿安全涉及人、机、环境、管理等多项内容，因此，煤矿安全信息涉及的数据量不仅十分巨大，而且与空间位置密切相关，如何对这些活跃的和动态变化的海量信息实现科学、高效、实时地安全信息管理，以及如何利用现代化的信息技术使煤矿安全隐患问题得到根本的解决，从而使得各级煤矿主管部门切实承担起监督管理的职能，成为推进煤矿采掘业现代化进程的重中之重。

GIS技术是综合性的信息管理系统，它将计算机图形技术和数据库技术融于一体。在空间数据的基础上，它的各种属性数据把地理位置和相关属性有机的结合起来，并能依照实际需要，准确、真实、图文并茂地进行数据输出，还可对输出数据进行进一步的空间分析和可视化表达，以满足客户需求。三维仿真是将虚拟技术在现实煤矿运作中的具体应用，它是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。将GIS技术与三维仿真技术结合可以将活跃的、动态变化的、与空间位置密切相关的煤矿生产各类信息综合直观地展现于煤矿安全生产管理者面前，从而对煤矿的安全生产和管理起到巨大的促进作用。因此，研究如何将地理信息系统结合虚拟现实技术应用于煤矿企业的井下各类人员和生产设备的定位、生产状况信息管理及人员应急、逃生等培训和管理来辅助煤矿管理层，用以提高生产效率和保证安全生产十分必要。

1 煤矿安全三维仿真平台的架构与功能

1.1 煤矿安全三维仿真平台总体架构

煤矿安全管理是一项复杂的系统工程，主要由环境、机械、设备、产品、原材料以及相关的人和环境等综合系统为管理对象，最终目的是保护人和生产资料的安全，使煤矿生产能够安全有序地进行。针对煤矿井下三维空间的矿体和复杂的构造，考虑到矿山生产的采煤、掘进、通防、机电、运输五大系统的空间分布以及生产过程中瓦斯、一氧化碳、煤尘、涌水、通风等诸多安全因素信息的集成，使得煤矿急需建立一个能够为安全管理服务的和专业化的管理信息系统。基于GIS技术的煤矿安全三维仿真平台主要由人员管理、安全监控、应急救援、生产管理和专家库5个子系统组成。

1.1.1 人员管理子系统

该子系统能够对井下的工作人员进行实时地管理监控，对人员的数量和位置有着清晰的掌握并对其进行有效地调度，从而实现协调生产，提高生产效率。采用三维仿真技术可以使井下的各种监测数据能够充分发挥效能，不仅能够从电子地图上直观分析井下实际情况，动态地监测井下人员，实时查询不同目标的各种信息，而且在事故发生时能够配合救护专家数据库进行GIS空间数据分析，以最佳有效的方法寻找井下人员，把人员伤亡限制在最低线。

1.1.2 安全监控子系统

该子系统能够对涉及煤矿安全的各项安全管理业务进行现代化和可视化管理，其主要功能是实现瓦斯和一氧化碳等有害气体、“一通三防”各类数据、通风系统的现状分析、机电设备的运转情况以及危险源管理情况等各种安全隐患信息的快速录入、统计、分析、导出和浏览等操作。

1.1.3 应急救援子系统

该子系统提供发生事故时的处理方法，包括事故现象、危险情况、操作规程以及现场处理等内容。一旦发生险情，可以通过skyline提供的多种功能模块实现对井田区域地形图、工业广场平面图、采掘工程平面图、主要巷道平面图、井上下对照图、井筒断面图和主要保护矿柱图在网上的共享及提供在线空间分析、空间查询与统计分析等功能。通过最佳路径分析功能，可以为矿山的紧急抢险救灾指挥工作提供辅助决策手段，同时，依照救援队伍和设备的分布地图，可以根据事故类型和地点迅速调配队伍和设备，调配最佳线路。

1.1.4 生产管理子系统

该子系统提供矿山地理信息系统数字化管理产生的相关矿图，主要包括安全规划图层、安全指标图层、安全监控图层、生产计划图层、矿山分布图、管线图层以及巷道分布图层，提供监测、分析、规划和决策等功能。

1.1.5 专家库子系统

该子系统主要用以存放相关领域专家提供的经验知识以及一些经典案例分析，包括瓦斯爆炸和火灾等事故现象的案例以及与煤矿安全有关的各项规章制度和法律制度，为煤矿安全管理信息系统提供帮助信息。

1.2 各子系统功能模块设计

1.2.1 煤矿井下GIS功能模块设计

煤矿井下GIS功能模块是集成煤矿安全三维仿真平台中最重要的能够模块之一。煤矿为了安全生产，需要对井下各个采掘工作面、巷道、生产工作面、设备位置以及人员分布的详细情况做同步了解，并需要根据实时状况对井下的生产进行安全管理。通过煤矿的局域网上显示的电子地图，相关科室和相关人员能通过电脑及时了解井下的生产状况、设备和人员的分布状况。煤矿井下GIS功能模块构架图如图1所示。

（1）场景制作功能。场景制作主要功能是对场景内二维和三维图形进行编辑、制作和管理。二维图形的编辑、制作和管理是指对点、线、面以及各种特征等二维图形的编辑管理，三维模型的构建和管理包括对地质层面、三维地质体、三维巷道和地理信息的构建和管理。

（2）设备分布场景。设备分布场景主要功能是完成各种设备的三维空间的布置与管理，方便设备安全管理。

（3）人员分布场景。人员分布场景主要功能是依据人工派工和工艺流程，完成人员的三维空间的定位与管理，方便对入井人员的管理，并辅助各种人员管理的决策工具，如人员的统计分析。

（4）安全隐患分布场景。安全隐患分布场景主要功能是针对历史隐患和排查隐患的信息，完成安全隐患的三维空间的布置与管理，实现对安全隐患的分级管理和隐患评估。此外，依据该隐患的危险程度和隐患的分布合理安排隐患的整改。

（5）瓦斯分布场景。功能主要是针对瓦斯监控点的空间分布，完成监控点的三维空间分布，并提供阈值报警功能，用于指导监控点的管理。

图1 煤矿井下GIS功能模块构架图

（6）煤矿通风网络分布场景。矿井通风网络分布场景主要功能是通过矿井井巷的空间拓扑结构建立矿井的通风网络，针对监控点的风速和人工监测点的风速数据完成矿井通风网络的数据可视化，为矿井通风安全提供支持。

（7）煤矿井下场景组织。煤矿井下场景组织主要是通过井下三维巷道模型实现井下巷道漫游展示，通过巷道掘进工作模型展示三维巷道掘进，通过三维井下生产场景展示煤矿井下生产流程。

1.2.2 安全生产仿真和救援决策支持功能模块设计

该模块中的安全决策支持系统 （SDSS）以安全管理信息系统 （SMIS）为基础，充分利用SMIS信息收集、存储、整理、统计、资料动态组合查询和报表输出等功能，针对此类安全信息建立安全仿真模型，对安全信息进行仿真模拟，深化安全信息的分析。SDSS通过对系统当前安全数据的处理来获取相关信息，进而管理和控制系统安全运行。该功能模块利用安全数据和模型预测未来的安全状态，以辅助支持煤矿安全管理的决策，构架图如图2所示。

图2 安全生产仿真和救援决策支持功能模块构架图

（1）专家决策支持模块。该模块主要功能是建立煤矿安全知识专家库，为日常安全管理提供技术支持。

（2）应急救援辅助决策模块。该模块主要功能是完成煤矿的应急预案管理、安全危险源、应急路线的判定以及应急资源的信息化管理，为煤矿应急救援的培训教育以及实际救援提供支持。

（3）矿井火灾模拟仿真模块。该模块主要功能是通过建立火灾烟流扩散以及温度扩散仿真模型，为矿井火灾应急提供指导。

（4）煤与瓦斯突出预测模块。该模块主要功能是针对煤与瓦斯突出的特点，对各种煤与瓦斯突出的数据进行敏感性指标的挖掘，利用历史数据和敏感性指标建立煤与瓦斯突出的人工神经网络的预测模型，为煤与瓦斯突出的预测提供依据。

（5）矿井通风仿真模块。该模块主要功能是利用矿井巷道的拓扑结构和通风参数化设定，同时利用建立的矿井通风网络解算模型，完成矿井通风的网络计算并将结果可视化，为矿井通风网络调节和通风能力的评定等提供依据。

1.2.3 最佳避灾路线功能模块设计

矿井发生的火灾和爆炸等重大灾变事故会严重威胁井下人员的生命安全，在发现灾情后如果不能迅速处理，则必须将在受灾区域及可能受火灾气体或爆炸影响区域工作的作业人员撤离到安全的地点。由于矿井系统本身结构复杂且出口有限，加上灾变对矿井系统的影响，这给人员撤离带来了很大的困难。为保证灾害发生时井下工作人员能够安全撤离，需要让他们熟悉井下最佳避灾线路。本文设计运用skyline技术将二维抽象避灾线路形象化，以一种三维可视交互的形式呈现给用户，改变了传统的简单通过二维避灾路线的抽象记忆，避免遇到实际情况时的措手不及。

1.2.4 煤矿企业安全生产功能模块设计

煤矿企业安全生产功能模块以煤炭企业安全生产安全信息、空间信息、各种地质构造信息和各种自然信息等信息为主要的数据处理对象。该功能模块采用当前具有先进技术理念的、基于框架的、构件化的以及一站式服务的三层或多层架构，这一架构遵循统一数据出口和统一数据入口的原则，通过统一的一站式服务门户，对外给用户提供闭环式服务和共享机制，对内整合各业务应用系统。通过对上层应用服务的请求，调度下层业务逻辑及其相关业务系统的资源，完成 “以事件为驱动”的工作流和数据流运行。该功能模块的框架图如图3所示。

图3 煤矿企业安全生产功能模块构架图

（1）人力资源管理模块。模块主要功能是对企业从业人员基本信息、企业人员各种培训信息、人员持证信息和人员考勤信息等信息管理。

（2）设备资源管理模块。该模块面向的具体业务包括设备登记、台帐管理、维修记录等，主要功能是管理整个设备生命周期的全部资产和维护活动口，并对集团公司设备信息进行全面综合与分析。

（3）安全生产活动管理模块。该模块主要功能是对企业各种安全检查和安全监察的上报信息进行管理。

（4）安全生产调度管理模块。该模块主要功能是企业安全生产计划信息管理、企业安全生产施工组织信息管理与人员空间信息稽查信息管理等。

（5）安全生产日常管理模块。该模块面向的具体业务包括事故上报、事故处理意见下达、事故统计分析通过、安全通报和人员管理等，主要功能是管理企业日常安全管理和日常事务等活动。

1.2.5 事故分析功能模块设计

事故的发生是工业生产过程中不可避免的客观事实，但对事故进行严格和科学的管理又是预防事故的前提，因此，事故管理是管理信息系统中必不可少的一部分。利用微机进行工伤事故分析的方法很多，这里借助微机本身的数据库管理功能来进行设计。在分析过程中，首先根据自己的要求组成特定的工伤事故数据库，确定数据的输入格式、分析过程和输出报告的形式，然后通过编写程序，利用微机的计算功能输出报告。事故分析功能模块具体功能如下：

（1）事故报告系统。在事故应急救援结束后，事故报告功能实现事故的基本情况、财产损失、人员伤亡、资源消耗、环境污染的数据录入、查询、统计分析、原因分析以及人员访谈资料等，并对整改措施进行跟踪，为各级应急救援单位的管理者提供详细信息。

（2）事故模拟系统。根据事故发生和发展的过程及各部门在事故救援时的处置方法，以地理信息为基础，结合海量空间数据的组织与管理、大规模三维场景的动态渲染与高速浏览以及360全景等关键技术，对事故的整个过程进行仿真和重现，形成事故模拟档案并进行积累，帮助用户了解历史事故发生和处置过程，对同类事故的预防和救援起到参考和借鉴作用。

（3）应急能力评估系统。通过建立评估模型评估用户应急力量是否完善、应急物资是否充足和救援措施是否得当等，对应急能力进行量化评估，为进一步完善应急预案提供必要的依据。

1.2.6 安全培训功能模块设计

安全培训是企业实现安全生产的重要条件之一，在一个大型企业中，安全培训教育工作纷繁复杂，单靠人工来进行各项工作收效甚微，因此需要建立一个系统以简化工作强度，缩小工作量。针对此种情况，在本系统的设计中，构思了两种回路：一是针对各种安全培训教育内容建立相应数据库（数据结构设计为：单位＋姓名＋性别＋年龄＋工种＋职别＋应受教育＋培训时间＋领证情况＋发证时间），并对数据库进行录入、修改和查询，这样就起到一个教育管理档案的作用；二是针对安全培训教育中所需打印的表格进行打印操作，方便地给出一些通用表格和通知 （如新入厂职工安全培训教育通知单、三级安全培训教育统计卡等）。

2 煤矿安全三维仿真平台开发的关键技术

2.1 多源多尺度空间数据及海量数据的融合与管理

（1）数据的组织。GIS数据组织是以分幅、分区域和分要素为基准形成的3种不同策略为基本出发点的，在三维建库过程中，需要综合使用以上3种方法，同时兼顾模型数据在二维与三维之间的对应关系。

（2）数据的压缩。采用LOD建模方式对二维地理信息数据库的数据组织原理加以参考，建立规则格网的栅格数据 （如DOM、DEM数据等）的金字塔数据结构，并进行数据压缩。

（3）空间索引的建立。对于海量数据的三维场景，其数据访问和存储效率的提升必须以适当的空间索引的建立为依托，用以实现三维模型数据的快速定位与访问。

2.2 三维建模技术

快速和精准是建模一直追求的目标，建立大区域的三维地形模型需要提高其自动化水平，并以快捷的建模技术和方法作为强有力的支撑。但在快速建模的过程中，保证模型的质量和精度是不可忽视的前提条件。

2.3 大规模场景的三维可视化技术

面对多种多样和不断变化的地理事物和景观对象信息，必须剖析研究对象本身的特点，制定有针对性地处理策略，采用基于小波理论的图像压缩算法，有效地保证了压缩后的图像质量。基于LOD的场景简化技术能够使纷繁复杂的尺度空间地形数据很好的融合在一起，在提高图像压缩比的同时有效缩短调图响应时间，从根本上解决了大型影像数据 （＞200GB）的网络浏览问题。

2.4 海量三维数据网络发布

针对海量的三维地形数据，在网络发布设计时充分运用分布式计算和动态数据加载等相关领域最新技术，实现数字化场景可视化环境的快速传输和大规模网络终端运行。此技术主要具有以流文件形式动态平滑传输、传输负载动态平衡、多并发用户数以及在较低网络带宽条件下传输服务仍能保证等特点。

2.5 Web Service服务

采用了WFS／WMS技术解决海量复杂的矢量数据的 Web Service服务，WFS／WMS技术能够对系统中海量的复杂的矢量数据进行访问和查询，并能够将地理空间图形生成可演示的影像，将多种不同来源的GIS图形转换成普通浏览器可以浏览的影像资料。

2.6 二三维系统的联动

三维地理信息系统绝对不是对二维地理信息系统的否定，只有二者进行高度集成才能有效利用现有资源，并提升应用深度，更加有效地进行规划辅助决策支持。因此采用消息机制或者通过Socket进行实现二三维系统之间的通信，建立三维地物模型与二维空间数据的关联是实现二三维系统的联动需要解决两个问题。

3 煤矿安全三维仿真平台的实现

3.1 煤矿安全三维仿真平台运行流程

配置系统运行需要的硬件环境和软件环境，在此基础上对系统进行运行。系统的运行首先要启动skyline软件平台，在skyline平台中载入仿真平台和数据库，并按照系统设置的功能按钮运行系统各部分功能。

3.2 煤矿安全三维仿真平台运行界面

煤矿安全三维仿真平台主界面中有基础信息、实时监控、事故模拟和应急救援指挥四大板块，这四大模块中还有其他细分的小模块。

（1）基础信息界面。基础信息界面能够显示煤矿整个园区的概貌。

（2）实时监控界面。实时监控界面能够显示正常工作情况下井下的实时状况，包括主巷道的实时情况以及带式输送机和通风等设备的运行状况，并且各设备的运行信息可以在界面上显示出来。

（3）事故模拟界面。事故模拟界面能够清晰、逼真地把事故的现场展示给矿工，从而达到了对员工进行培训教育的效果，同时也增强了员工的避灾能力。

（4）应急救援指挥界面。应急救援指挥界面把发生事故时矿井下面的人员分布、人员数量和设备信息显示出来，为救援人员的救援提供指引。

3.3 煤矿安全三维仿真平台的不足

（1）完善性。在现实应用中应该不断地增强平台的稳定性和可操作性，并结合用户方的反馈作进一步的优化，其中包括界面安排的合理化和优美程度，适度增加一些动画、视频、快捷键和功能键。

（2）通用性。资源共享的理念在煤炭安全生产管理系统的研发中还没有得到真正的贯彻执行，由于信息渠道不畅，造成许多已经较为成熟的技术重复研发，这是对人力和财力的极大浪费，同时也阻碍了煤矿安全数字化管理的步伐。因此，通过资源共享，实现煤矿安全管理信息系统的通用性将是相关研发人员致力的方向。

（3）预测性。目前，已研发出的煤矿安全管理信息系统能够准确地实现人员定位、事故监测和灾难发生后的及时疏导，若能与人工智能技术结合起来，通过对事故可能发生的时空过程进行模拟，实现对可能发生的事故情况进行预测，将会对煤矿安全生产起到极大的保障作用。

（4）挖掘性。监控系统检测的数据大量存储在数据库中，特别是瓦斯检测数据，如何对海量数据进行挖掘从而发现规律，将对煤矿瓦斯预测预报的研究有着重要意义。

［1］程永义.基于GIS的矿井安全生产管理信息系统［D］.吉林：吉林大学，2006

［2］龚健雅.地理信息系统基础 ［M］.北京：科学出版社，2003

［3］周亦赤.基于GIS的煤矿生产安全管理系统 ［J］.安全与环境工程，2003（12）

［4］黎静.基于GIS的煤矿应急救援系统研究 ［D］.西安：西安科技大学，2007

［5］李希建.基于GIS的煤矿灾害应急救援系统的应用［J］.采矿与安全工程学报，2008（9）

［6］王宝山.煤矿虚拟现实系统三维数据模型和可视化技术与算法研究 ［D］.郑州：信息工程大学，2006

Development and application of 3D simulation platform based on GIS for coal mine safety

Qiao Guohou1，Gao Junyang2，Yang Xue3，Wang Fei3，Zhang Hua4，Tong Fengming3
（1.China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan，Hubei 430074，China；2.Department of Computer Science and Technology，Tsinghua University，Haidian，Beijing 100083，China；3.School of Management and Economics，North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou，Henan 450011，China；4.China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China）

The framework of 3D simulation platform for coal mine safety and different functions of all functional modules were introduced.The key technology for the platform to achieve the coal mine safety was studied.Meanwhile，the application of this 3D simulation platform for the coal mine safety was described in detail.

GIS technology，3D simulation，coal mine safety，safety training

TD-914

A

乔国厚 （1961-），河南陕县人，教授级工程师，中国地质大学 （武汉）博士生，主要从事管理科学与工程、煤矿安全预警研究，先后发表5篇论文、专著1部。

（责任编辑 路 强）