基于地理信息背景的煤矿安全综合监控系统

太原理工大学 暴 晶

空军勤务学院 张 欣

徐州市水利局市区泵站 朱 谨

中国矿业大学 张 凯

基于地理信息背景的煤矿安全综合监控系统

太原理工大学 暴 晶

空军勤务学院 张 欣

徐州市水利局市区泵站 朱 谨

中国矿业大学 张 凯

当前矿山监控系统缺乏数据综合展示平台和手段，没有形成综合化的信息共享、呈现平台，单一的信息子集或者信息子集的简单罗列难以全面反映、分析、预判矿井的整体综合安全态势。为了解决该问题，提出综合利用多种新型数据库技术、地图服务技术和应用层即时通信技术，实现了一种基于地理环境背景的矿山多系统监控数据综合展示方法，综合完整的显示实时井下工作情况，推进煤矿生产的综合安全管理。

监控系统；煤矿；综合监控；地理信息系统

1 概述

煤矿生产安全是一个复杂综合性问题，井下生产涉及供电、通风、排水、人员管理、环境监测、设备管理等多方面因素，而且各种因素相互之间能够相互影响[1][3]。尽管当前大多数煤矿企业都有了多元的井下监控系统，但这些系统基本只涵盖某一领域，没有形成综合化的信息共享、呈现平台，单一的信息子集或者信息子集的简单罗列难以全面反映、分析、预判矿井的整体综合安全态势[2][3]。为了解决该问题，本论文提出了一种矿山多系统监控数据综合展示方法，以地理信息系统的方式综合，将不同的环境、人员位置、设备状态等信息及时显示出来，综合完整的显示实时井下工作情况，希望进一步推进煤矿生产的安全管理。

2 当前矿山安全监控系统存在的主要问题

当前煤矿各个子系统和综合自动化系统的建设提高了煤矿安全生产的自动化与信息化水平，但也存在不少的问题：

1)无法在一个统一的平台上管理。现有的软件系统由于前期开发没有经过统一的考虑，形成的系统都比较独立。软件架构不同，有采用不同的开发环境。无法在一个统一的平台上进行管理，给用户的使用带来不便[5][7]。

2)数据无法共享。各个软件系统采用独立的数据库系统，对于共同使用的信息会存储不同的版本，例如地图的更新无法及时反映到所有的GIS平台上，造成了信息的不同步[4]。

3)软件重复开发，效率低下。各个子系统中存在功能类似的模块都进行了重复开发，没有形成可有效重用的模块，造成系统研发效率低下[8]。

如果可以将各种信息全面搜集，使煤矿地理信息、监控传感器信息、人员分布信息、设备状态信息综合展现，将能够对煤矿安全生产更好的实施管控。

3 基于地理环境的煤矿安全综合监控系统

为解决以上问题，论文提出通过设计一种时空统一的实时内存数据库，将海量异构实时信息存储，形成一个全矿井的实时监控信息交换平台，然后在此基础上结合地理信息系统将不同子系统的监控信息通过实时GIS的方式展现，形成增强型的矿山综合信息系统。这样来提高煤矿井下全面监控的力度和信息的利用效率。

3.1 系统的设计

系统整体采用B/S方式，如图1所示，系统结构横向上可以分为前端部分和后端部分，前端部分包括了实时监控数据传输、地图操控和页面控制等三个主要组件。

图1 系统软件模块图

后端则集中了系统的主要逻辑业务功能，纵向上它分为数据接入层、数据交换层和应用层。数据接入层主要完成了各个子系统实时数据接入的功能，该层通过实现向上统一的数据接入接口，无论底层数据共享是通过OPC、FTP、MODBUSTCP或是数据库读写等手段，但最终向上层都实现统一的接口，这样屏蔽了底层的差异性，保证了系统的稳定性；数据交换层包括静态信息存储区、动态信息存储区以及数据读写使用的开放API，静态区域主要存储测点的配置信息（包括测点的名称、点号、数据类型、空间坐标、所属系统、功能描述等），动态区域实际上可以看做是一个实时内存库，这里面存储了各个测点的实时监控数据信息，而接口协议API主要实现了大批量数据快速读写的功能；应用层包含了基础地图服务和一些功能组件，用来将大批量实时数据与GIS相结合，并完成了系统必须的配置与管理功能，需要指出的是基础地图服务本身并不像一个应用模块那么简单，它是一个完备的实现了OGC标准的地图服务提供者[7]，它可以是ArcGIS这样庞大昂贵的商用软件也可以是GEOServer这样精巧开源的开放软件，而我们只需要它提供的标准地图服务。

3.2 数据交换层设计

数据交换层是系统的关键，其关键思想是在一致的时间和空间条件下综合不同子系统的大量异构数据，向上形成时空统一的数据源。系统结合使用传统结构化数据库、NoSQL内存数据库和大文件存储技术。系统配置数据、描述文件等静态数据，实时监测、监控数据，各个子系统的监测历史数据实现了优化存储与访问，各自异构的多元子系统的数据被过滤，通过一致地数据描述方法和形式、一致的数据存储接口方式，这样便于信息的融合，同样有利于将来更新科技水平条件下的信息更高层次利用。3.2.1 静态数据存储

静态数据包括系统的配置数据、报警和测点监测历史数据，经过分析需求，论文使用关系数据库存储系统相关的所有配置、报警数据，使用文件存储方式存储测点监测历史数据。

1)配置、报警数据存储。配置数据主要包括人员信息、部门信息、测点类型、系统类型、测点与系统关系、软件安全管理信息等，这些信息关联信息强，通过SQL语言可以方便查询和操作；报警历史数据虽然只是各个测点历史超限数值的记录，但相对于所有测点的不间断历史记录数量很小，而且通过SQL语言可以根据时间、区域、名称、测点号、系统编号等多种条件查询。因此，这些数据论文中都设计采用采用E-R关系数据库来存储。

2)测点历史数据存储。测点历史记录数据庞大，每个矿井下有数十个子系统，每个子系统可能包含几十、上百个测点，这样统计下来，整个矿井测点数目将会达到上万个测点，使用关系数据库很可能出现瞬时巨量插入、数据表泛滥等问题。为此，系统设计了一种文件存储的测点历史数据存储方法。系统将每个测点的历史信息按日期和子系统类型分类，单独存储在一个文件夹中。如图2所示，文件夹“A110905-001”代表安全监控系统模拟量测点在9月5日的1号分块历史记录。

图2 文件目录结构

对于每个文件夹内文件存储，系统采用了多级缓存的模式。首先历史文件存储分为两个内存缓冲区和一个持久存储区，即一级缓冲区、二次拟合区和持久区。新插入的历史值首先被放入一级缓冲区，在该缓冲区内，每次新的数据到达时不是直接的将时间戳和测点值简单追加记录，而是根据时间戳间隔和数值变化进行压缩仅保存时域内的变化率；当该区数据存满时，会被转储到二次拟合区，在这个过程中，数据会被再次压缩，进一步减小存储空间需求；当二次拟合区存满时，数据将被写入磁盘，保存在文件中。

3.2.2 动态实时数据

系统采用了Memcached 作为动态数据存储核心，Memcached内存键值对数据库是一个开源的分布式高性能内存数据键值对缓存系统。它经常被用来处理成对的哈希点数据，能够达到极高的吞吐性能指标，以减少应用程序的数据库负载，被广泛用于加速网页访问和分布式数据存取的动态负载均衡。

图3 Memcached数据库工作方式

如图3所示，论文以Memcached作为实时动态测点数据存储方式，用户浏览器通过WEB应用程序可以直接访问实时内存数据，当内存数据更新后，老的数据通过应用程序转储到历史数据存储区域。

图4 “键值对”数据存储格式

图5 前端工作序列图

如图4所示，实时测点数据以“键值对”形式存储，测点点号作为哈希查询键，实时数据域作为值。实时值域包含测点的数值和数据到达数据库的时间戳，都采用字面存储，其格式为“数值：时间戳”；用户端使用实时数据时通常是以地理区域来显示区域内需要的测点数据，为此，系统会将静态数据区域内的测点信息加载到动态内存缓冲区内，数据依然是采用“键值对”方式缓存，其中地理位置作为查询键，测点号作为值。用户在查询数据时，动态数据库首先根据地理位置区域查询符合的测点，然后根据测点号返回对应的实时值。

3.2.3 基于WebSocket的前端数据推送与展示

在前端，系统以地理信息为综合数据展示基础，实现测点数据、监控数据、井下地理信息的综合同一平台展示。系统使用了GeoServer作为地图服务，使用OpenLayers作为地图操作的Javascript API，前端与后端的通信使用了websocket技术，前端的工作模式如图5所示。

前端数据浏览可分为两类，一类是数据的请求订阅，一类是后端数据主动推送。前者主要应用在操作人员对地图进行操作时，当用户选中某块区域时，WEB端通过openlayers向后端请求该区域的详细地图文件，同时通过websocket与应用服务器后台建立数据连接通道，将区域参数发送给后端，然后后端业务模块向动态数据库请求测点实时数据，并通过websocket通道不断将数据发送到浏览器，然后由openlayers地图数据和测点实时信息绘制出来展现给操作人员；后者主要用于告警信息和短消息信息实时显示，在操作人员打开浏览器地址后程序即自动通过websocket与后端建立连接通道，由业务层组件需要时推送数据到前端及时显示。

前端与后端通信的数据帧格式采用JSON格式。数据请求帧格式为{“coordA”:“value”, “coordB”:“value”},其中“coordA”代表选中区域左下角坐标，“coordB”代表右上角坐标；数据返回真格式为{“serial”：[{“ID”：“value”，“coord”:“value”, “V”：“value”}，…….{““ID”：“value”，“coord”:“value””}]}，其中ID代表测点号，coord代表测点坐标，V代表测点实时值，这构成了单个测点的实时信息集。每个数据帧可以包括多个该信息集。

4 总结

论文分析了当前煤矿矿山现有煤矿监控系统使用情况和局限，提出了利用地理信息系统融合异构数据接入方法实现多元数据在统一平台综合呈现的方法，并针对煤矿安全子系统繁多，接口不一致情况，提出了层次化、插件式的系统整体架构，能够促进矿山当前数据的有效利用，提升监控效率。

[1]吴雪峰.基于GIS的矿区救灾导航系统的应用研究[J].微计算机信息,2008,24(5).

[2]刘厚泉.基于动态任务模型的LBS架构的研究[J].小型微型计算机系统,2009,5.

[3]吴立新等.试论发展我国矿业地理信息系统的若干问题[J].矿山测量,1998,4.

[4]赵红泽.开源GIS在煤矿Web信息系统中应用方案研究[J].煤炭技术,2011,3.

[5]徐嘉兴.矿区土地生态质量评价及动态变化[J].煤炭学报,2013,4.

[6]孟凡荣.煤矿安全预警系统体系构建[J].微计算机信息,2008,24卷.

[7]陈国良.煤矿区“一张图”建设的若干关键技术研究[D].徐州:中国矿业大学图书馆,2011.

[8]吉才睿.煤矿数字化矿山系统平台建设设计[J].电子世界,2013,4.

Comprehensive monitoring system of coal mine safety based on GIS background

Bao Jing1, Zhang Xin2, Zhu Jin3,Zhang Kai4
(1.Tai Yuan University of Technology Tai Yuan;2.Air Force Logistics College;3.Xuzhou Water Conservancy Bureau Urban Pumping Station;4.China University of Mining and Technology)

The current coal mine monitoring system lacks the comprehensive software platform,big data from different monitoring system could not be effectively organized together.However,a single subset of information is difficult to fully reflect,analyze and predict the overall integrated security situation of the mine.In order to solve this problem,a new comprehensive database technology,GIS service technology and application layer instant communication technology are put forward to realize the comprehensive display method of mine multi-system monitoring data based on GIS.Hoping to promote the safety management of coal mine production.

Monitoring system；coal mine；comprehensive monitoring；GIS

暴晶，男，太原理工大学电子与通信工程专业，硕士研究生。