三维GIS在古城煤矿安全监控系统升级改造中的应用

宋维军 林 增 杨成友

（山东能源临矿集团通防处，山东 临沂 276017）

1 概述

2016年12月《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》指出：支持多网、多系统融合，实现井下有线和无线传输网络的有机融合、监测监控与GIS技术的有机融合。在地面统一平台上必须融合的系统：环境监测、人员定位、语音广播和调度通讯。但日前的煤矿管理监控系统多采用二维工控系统，以二维图表的形式进行数据显示与梳理，数据表达不够形象直观，且各子系统独立显示，不利于管理。

随着科技的日新月异，采用更形象生动的三维模拟仿真来还原煤矿生产、数据监控等过程已成为煤矿管理监控系统的发展趋势。煤矿三维全景监测系统是数字化矿山的一个重要组成部分，利用虚拟现实技术、物联网技术和三维可视化技术同时接入各类监测、生产等动态数据，直观、实时地显示人员、设备和环境信息，实现人机的动态交互，营造身临其境的氛围，从而在虚拟现实环境中将煤矿的复杂环境和生产状态进行还原，具有身临其境的效果，无论是专业人员还是非专业人员都可以很容易地获得煤矿安全生产的各种实时信息。煤矿三维全景监测系统是具备矿山场景模拟和矿山开采业务管理信息化功能的全景监测系统，必将成为越来越多煤矿的首选。古城煤矿作为安全监控系统示范化矿井，有必要开发一套技术创新、稳定可靠，符合国家、省局要求的安全监控三维联动平台。如图1所示。

图1 矿山三维场景模拟图

2 系统框架图

系统框架图如图2所示。

图2 系统框架图

3 系统功能

（1）集成现有安全监控、人员定位、语音广播系统数据信息，形成统一的数据仓库，为各子系统数据融合应用作铺垫，为大数据平台建设提供数据资源。如图3所示。

（2）根据已有子系统的数据信息，建立联动平台，利用联动模型、平台进行综合评测，为可能产生的安全隐患、重大灾害信息进行预测，对已发生的灾害进行及时的联动报警和应急处置。

（3）基于可视化动态仿真模拟平台，提供图形巷道编辑工具，可快速绘制，拥有强大的数据转换功能：可通过煤矿提供的CAD巷道数据，转换成三维的仿真巷道；3D设备的挂接：根据煤矿的实际情况，可在已生成的3D巷道基础上，对巷道中的各类设备进行“挂接”操作。如图4所示。

图4 煤矿井下各巷道数据图

（4）数据快速接入：系统采用统一的数据接口标准，煤矿中各监测设备的状态和监测值都可以接入到本系统中来。系统可以实时显示当前设备运行状态和监测值，能最大程度地模拟整个煤矿井下各大系统的实时工作情况。

（5）分级联动。利用联动模型对事件进行分类处理。多系统多业务的智能联动等级：

① 设备与设备：本地级决策进行联动，可直接联动控制本地设备，上传决策和控制信息；

② 人与设备：系统级决策，利用多系统数据和决策模型进行远程联动人和设备；

③ 人与人：系统级+人员干预，人员需要根据系统级决策的结果，根据输出结果进行专家参与，共同决策进行联动控制。

（6）三维联动应急救援。三维展示人员位置，可根据受灾位置和影响范围，计算人员撤离最优方案，并以人员干预设置路障进行应急通道方案预演。发生险情时，弹出提示框，报警声音同时响起，在设备、地图上以“警灯报警”的方式体现出来。同时，显示监测值和环境数据，方便定位和处理；结合人员定位系统，可查看人员的位置、巷道内人员情况、人员运行轨迹；与井下视频监控系统结合，在系统中通过点击对应位置上的虚拟摄像头图标，即可显示实时的井下视频画面。如图5所示。

图5 三维联动应急救援方案设计图

（7）三维通风仿真和风网解算

① 实现与安全监控系统、人员定位系统和广播系统的互联互动。

② 实现通风系统按需要分风仿真及网络增阻调节功能。

③ 实现通风网络解算及通风动态模拟功能。

通风网络解算是系统的基本功能之一，在巷道贯通、密闭，通风设施构筑后，平台自动对整个风网系统进行解算，动态模拟调整后的风网分量分配。通风网络解算程序如下：

① 建立风网模型、设置各巷道断面参数、摩擦系数和局部阻力；

② 对风网主扇、辅扇和局扇工况点进行分析、选型和仿真；

③ 参照测风报表数据，对解算结果进行分析和校验；

④ 对模型进行修正。

根据通风系统调整的需要，可在现有风网模型的基础上进行：

① 模拟新掘井巷的贯通和巷道废弃；

② 模拟井巷断面或长度变化；

③ 模拟风门个数、位置、调节量。

（8）实现粉尘系统功能扩展。实现与安全监控系统、人员定位系统和广播系统的互联互动。一方面可以进行尘源跟踪和粉尘扩散仿真。另一方面结合员工职业健康评价体系，进行员工健康管理。

实时监测井下粉尘浓度，联动人员位置信息，有效控制喷雾降尘设备、除尘风机，根据粉尘浓度对人员作业密集地点进行广播通知。

4 主要创新点

4.1 三维多系统融合

借助三维图形技术，实现对地面工业广场、井下巷道、综采工作面、井下设备、人员等信息的仿真模拟，并将安全监控、人员定位、广播、通风、视频等各个子系统的数据融合在一个三维画面中，避免各子系统“各自为政”的情况。同时提供各类子系统信息的查询界面，为各级人员了解井下综合实时数据以及空间信息提供便利的手段。

4.2 GIS相关算法

借助导入的煤矿CAD平面勘测图到三维中，获取深度后绘制出井下立体巷道网络，将GIS中与矿井相关的最短路径算法应用于距离测量、避灾路径，实现在对井下真实三维空间地理信息分析计算的基础上，将井下各类设备、人员的空间信息与实时状态信息关联起来进行综合分析。

4.3 通风决策管理

在三维可视化环境中通过对风速、风量、风压、风阻、通风成本等十几种数据进行计算并设置颜色图例，帮助用户快速对数据进行分析和解译；支持任意多级机站通风系统解算，风机调速、开关和反风模拟。

4.4 尘源跟踪和健康决策管理

实时监测粉尘浓度，并进行尘源跟踪。通过联动喷雾降尘设备和人员信息，有效地降低煤矿粉尘危害和提高人员职业健康指数。

4.5 联动模型及分级联动

多系统融合后能综合评估煤矿生产安全状况，利用联动模型自动评估井下安全状况，根据评估结果对安全状态进行分级报警。在紧急状况时根据联动模型能自动进行预案处置，减少了预案响应时间，提高了救援的效率。

通过对古城矿井下环境及相关设备的现场调研，明确基础数据的来源，收集相关资料，包括系统的基本信息、配置情况、使用情况、巷道图纸以及历史通风监测数据等。

在明确了数据来源及相关图纸等必要数据以后，确定获取所需数据的方式及数据传输协议，进而开发针对安全监控系统和其他系统的接口程序；同时，开发专用于安全监控联动平台的三维展示程序。然后针对古城矿的各项基础数据，开发基于三维GIS的平台测试版，用于验证数据的实时性和算法的准确性。根据实验结果对产品进行优化改进，完成项目的功能及性能验证以及工业性实验。目前，三维GIS在古城煤矿安全监控系统升级改造中得到了广泛应用。