基于GIS的大型煤炭企业储量图形管理系统设计技术

陈汉章

(神华信息技术有限公司，北京 100011)

大型煤炭企业煤炭资源具有分布广、数量大、管理层级多的特点，采用传统方式难以满足管理需求。煤炭资源管理的信息化建设对于提升企业的精细化管理水平，实现可持续发展，意义重大[1]。目前煤炭企业采用的传统储量管理信息系统，实现了各矿井储量信息向集团总部的汇总填报，但是由于缺少储量位置分布信息及随时间变化信息，存在以下问题：①矿井储量管理用户层面，缺少储量制图、辅助计算等功能，无法满足储量日常业务需求；②集团储量管理层面，储量算量、绘图方法缺少统一规范，各矿井储量信息填报存在凑数问题，难以保证数据准确性；③企业经营分析层面由于缺少矿图信息，无法有效对矿权规划、开采计划等决策提供支撑[2]。煤炭资源的赋存、变化情况都有具体的空间位置，因此基于地理信息系统建设储量图形管理系统，真实反映煤炭资源储量变化，是解决大型煤炭企业资源精细化管理问题的有效手段。

1 储量图形管理系统设计

1.1 设计思路

根据《生产矿井储量管理规程(试行)》规定，生产矿井储量管理工作的主要任务是“定期测算并上报储量的变化及开采、损失情况，为矿井生产建设提供技术依据；进行储量报损、注销、地质及水文地质损失、转出、转入的呈报和审批工作”等[3]。实际工作中，各级别保有储量，储量的开采与损失，储量增减等均应在储量图、损失量图中圈定、计算并标注。鉴于煤矿储量均基于位置图形进行管理，本文基于GIS海量空间数据管理、图形属性结合、反映空间位置变化等特性，提出了“以图管矿，以图管量、图数一致、动态管理”的储量图形管理系统解决方案，满足大型煤炭企业多层级储量图形化管理业务问题[4]。

煤炭企业传统储量管理、上报流程如图1所示：储量管理人员手工管理储量损失量台账，使用CAD工具制储量图、损失量图等图件，进行储量计算，根据计算结果手工编制储量报表。使用传统储量填报系统填报信息，由矿领导审核后，汇总至集团总部，供集团领导与管理人员统计查看。

储量图形管理系统解决方案：用户基于GIS图形编辑平台完成储量、损失量、动用量圈定，辅助进行储量计算，并利用GIS图属关联实现储量、损失量台账与对应图形关联，制图完成后，动态汇总生成储量报表；利用GIS空间库存储管理储量图形数据，并实现各矿井空间数据与集团空间数据的同步，实现矿→公司→集团基于矿图的储量审批，保证储量数据准确性；基于时态GIS和GIS矿图发布，各级储量管理人员可实时动态查看储量变化情况。基于上述思想，可实现真实准确、实时动态管理储量信息，达到“以图管矿、以图管量、图数一致、动态管理”的目的。

图1 储量图形管理系统与传统储量填报系统业务流程对比

1.2 技术架构设计

建立大型煤炭企业储量图形管理系统，首先要建立储量数据标准，统一储量管理业务流程，制定企业储量矿图规范，将各类储量业务数据，采用统一地理空间参考，相同的属性结构纳入GIS空间数据库进行管理。技术架构如图2所示。

图2 技术架构示意图

储量图形系统整体分为数据层和应用层：数据层主要包括中心数据库和客户端数据库：中心数据库部署在企业总部，分为空间数据库和关系型业务数据库，实现了各矿井采掘工程平面图，储量图等图形及业务信息全集团统一集中存储，满足储量图形管理的同时为企业规划设计、生产管理各环节提供决策依据；客户端数据库分布在各煤矿，存储矿井空间信息。数据层实现储量空间数据的高效、集中、统一存储。

应用层分为矿山储量图形模块和远程储量模块。企业总部部署远程储量模块，采用B/S架构，基于时态GIS平台、报表平台、统一身份认证等实现储量统计分析、矿图浏览、数据审核等功能，供企业总部和二级公司使用[5]；各煤矿部署矿山储量图形模块，该模块为基于组件式GIS开发框架的C/S客户端，实现了储量计算、制图、信息上报等功能供煤矿储量用户使用[6]。煤矿数据存储在客户端空间数据库中，并通过空间数据同步技术复制到集团总部的空间数据库中，远程储量管理模块读取集团总部的空间数据库和关系型业务数据库中的数据，进行储量图件和数据展示。通过应用层矿山储量图形模块、远程储量管理模块两级部署方式，满足大型煤炭企业各级管理人员储量管理业务需求。

2 关键技术实现

建立煤炭企业统一的储量图形管理系统实现分级管理需求，有以下技术问题需要解决。在数据层面：规范数据标准，完成海量空间数据的收集和处理从而保证数据质量；企业下属矿井分布广，要解决跨地域的空间数据统一存储问题；为保证数据一致性、及时性，需要实现矿井客户端空间库与总部中心空间数据库的同步更新机制。在应用层面：煤矿人员习惯使用传统AutoCAD软件“命令行”+“菜单”操作方式进行矿图绘制，而GIS平台编辑功能相对复杂，如何在GIS平台上实现这些操作功能以满足煤矿用户的习惯是平台层需要解决问题；如何实现快速、丰富的展示效果，给用户提供必要的储量图形分析功能，并能展示与时间相关的空间信息变化情况[7]。本文储量图形管理系统基于GIS平台，研究解决上述两方面问题的关键技术。

2.1 数据层关键技术实现

2.1.1 数据标准规范与数据处理

各种储量相关矿图是矿井储量管理的主要成果，是储量管理中的重要基础资料。为了规范储量管理工作，同时确保储量图形管理系统能够顺利推广，依据煤炭相关制图标准，结合煤炭企业生产实际制定《矿山储量图形规范》企业标准，统一企业内各类储量相关图件图件制作的标准。该标准包括分类标准、命名规范、上报周期规范、编码标准、分层标准、要素属性标准、符号化标准等[8]。受篇幅限制，本文主要介绍“命名规范及上报标准”：储量相关图件包含矿井资源储量计算图、矿井损失量计算图、矿井采掘(剥)工程平面图、矿井三量计算图。4类图件命名、上报级别、频率、用途、适用范围见表1。

表1 储量相关图件分类及上报周期规范

大型煤炭企业原始矿图及储量台账数据量大，系统实施阶段需要将矿图数据按照《储量图形编制规范》进行数据处理和标准化。为提高数据质量，需制定数据加工处理流程及质量管理标准。矿图数据处理经过资料收集、数据检查、坐标校正、属性数据提取录入、格式转换、成果入库、用户接收确认等多个环节，由质量管理人员负责过程质量管理、系统开发人员进行数据合规性检查、最终矿井用户进行业务确认，多个环节控制数据质量，保证了系统中原始储量矿图信息的准确性。

2.1.2 基于空间数据引擎技术的数据统一存储应用

大型煤炭企业具有矿井分布广的特点，矿井的原始矿图均为平面投影，如果采用投影坐标系，各矿井投影带号均不相同，按投影的方式进行数据存储会造成一类要素按分带分为不同的图层，为企业总部信息统计带来困难。为此，在企业总部空间数据采用经纬度实现同一类要素单表存储，而不是以投影坐标分表存储[9]。各矿的矿图以高斯克吕格3度带投影进行处理，各矿空间数据入空间库需要转换经纬度后进行存储，同时保存带号，坐标范围等信息；数据展现时，需要从空间库读取空间数据和带号等信息，动态投影转换为平面坐标系方式展现，保证各矿矿图展现与原始坐标系一致。采用该技术手段实现了煤炭企业各区域矿图集中存储，准确展现的同时，可高效提取矿图属性信息，实现煤炭企业总部、二级公司、矿井数据统计分析。

2.1.3 基于多版本空间数据库技术实现海量空间数据增量更新

煤炭企业各类储量矿图数据集中存储在企业总部部署的中心空间数据库中，中心空间库存储了各矿井数据，作为主版本，各矿井客户端数据库中存储空间数据副版本[10]。中心空间数据库采用商业空间数据引擎与ORACLE数据库进行存储，支持海量空间数据存储访问；客户端数据库采用基于Acess的小型空间数据库产品，容量为10GB，支持矿井用户离线编辑矿图。基于版本的数据增量更新流程如图3所示：①矿井每次提交完成后，矿端副版本与中心端主版本数据一致；②矿井用户每月编辑矿端副版本矿图数据，所有对地理要素的增加、删除、合并等编辑操作均在单独的增量变化表中存储；③矿井用户完成编辑后，提交审核，发起向集团中心库中主版本同步，将要素增量变化表数据上传至中心空间数据库；④中心库主版本根据矿井编号，矿井增量变化表数据，对中心库版本进行更新，保证中心库该矿井数据与矿端副版本数据一致；⑤中心库返回更新成功信息，矿端副版本中增量变化表数据合并入副版本，更新完毕。

图3 空间数据增量更新技术原理

由于采用了版本技术，矿井向集团提交时采用增量更新方式，只更新发生变动的图形要素，减少数据更新量，保证了数据更新效率。同时，采用版本机制，可支持多人同时协同编辑提交数据。

2.2 应用层关键技术实现

2.2.1 基于时态GIS的储量动态变化

储量监管需要跟踪分析资源随时间的空间变化情况，为此引入了时态GIS技术。系统中所有空间数据存储采用了记录级的时间戳，在地理要素记录发生变化事件时，将当前要素记录标记时间戳，然后复制出新的变化后要素记录并更新为新的时间戳，从而可以查到每个地理要素的时序视图[11]。该方法实现了时态GIS的同时，减少了冗余数据的存储(不变化的数据不增加冗余存储)，查询效率较高。系统具有历史回朔功能，某煤矿单一煤层2017年上半年和2017年下半年开采与保有储量块段变化情况如图4所示。

图4 基于时态GIS的储量动态变化展示

2.2.2 基于组件式GIS开发的图形编辑平台

矿山技术人员制图普遍使用AutoCAD软件，为贴近用户习惯，矿山储量图形模块设计引入了组件式GIS开发技术，如图5所示，自底向上共有五层，每一层自行开发了类库和组件库。实现了许多底层编辑、操作、控制功能。在此框架基础上开发了类似AutoCAD的命令行+菜单多种操作编辑方式，满足用户使用习惯。框架设计为跨平台，目前能够跨GIS平台使用。 组件式GIS框架支持快速、灵活界面功能搭建[12]。

由图5可知，储量图形管理系统矿山储量模块除了有和GIS和CAD类似的菜单栏、图层窗口、地图窗口，还增加了命令窗口和特性窗口，命令窗口能够执行输入的命令，展示命令执行过程中的提示信息，并记录命令执行的历史，特性窗口用于展示、修改要素属性。常用编辑命令与AutoCAD类似，界面操作最大程度符合用户操作习惯。

2.2.3 基于开源GIS的矿图发布与展示

煤矿采掘工程平面图、储量图内容丰富，符号复杂，为实现矿图远程发布与高效展示，储量远程监管模块基于GeoServer作为地图服务发布和管理平台，实现矿图的配置，优化和发布，并为远程图件展示提供服务接口，同时支持远程图件客户端展示的API请求[13]。

系统客户端展示层面基于Openlayers技术，能够加载储量数据，通过网页展示储量信息和采损信息，具有丰富的展示效果：①符号渲染：针对矿山储量业务，提供专业图形符号库，生动准确地展示了储量信息；②查询检索：基于属性和空间位置进行查询，实现了对储量块段，采动范围的查询及定位；③地理处理：调用地理处理服务，实现面积测量，距离测量等功能运算[14]。

图5 组件式GIS开发框架与效果展示

3 应用实例

本文提出的设计思路与关键技术已在原神华集团实际应用，基于图形远程动态监管五十余家矿井数百个煤层一千余个工作面储量信息。建立了《储量图形编制规范》，将规范的储量管理计算方法、管理流程固化在系统中，解决了储量管理缺乏规范，随意性较大的问题；各级资源储量用户可以及时、准确、高效的了解和掌握资源储量动态信息，从技术上避免储量造假，从而加强资源管理力度；通过储量图形系统建设构建了煤炭企业空间数据库，收集储量专题数据和煤矿部分基础地理数据，实现了企业总部-二级公司-矿井的矿图空间数据的集中存储、分级共享，并为国家重点研发计划项目“煤矿智能开采安全技术与装备研发”(2017YFC0804300)提供了基础数据。

4 结 语

根据大型煤炭企业储量管理的需求，本文提出了基于GIS矿图实现矿山储量日常管理与煤炭企业总部储量远程监管的设计思路，对储量管理相关的空间数据更新、存储、共享，时态GIS与空间数据服务发布等关键技术进行了探讨和研究，形成了一套适合煤炭企业实际应用的“以图管矿、以图管量”解决方案。实践证明，基于GIS的储量管理图形系统的管理思路和方法可以有效解决大型煤炭企业资源管理信息化水平低、数据不准确、应用效果不佳等问题，有效强化了煤炭资源回采率监管，为国有资产的保值增值提供了强有力的技术支撑。