基于GIS 煤矿在线巡检管理系统

刘遵利 相 飞 黄正龙

（1.山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250000；2.山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁 272065）

煤矿安全生产必须要依靠强有力的安全监控系统，煤矿安全监控系统作为煤矿安全生产“六大系统”的最重要的一个系统，已经被纳入到国家安全生产监督管理总局确定的安全生产“七大攻坚举措”项目中，同时对煤矿井下甲烷、一氧化碳、温度、风量等监测也是应对煤矿灾害感知方面的重要技术保障。在煤矿生产事故中，大部分事故原因是由于监测不到位引起的，煤矿要安全生产必须提高安全监控强度。目前煤矿的隐患巡检排查工作主要依靠人工完成，这种监测方法不仅劳动强度大、效率低而且监测不具有实时性，有可能造成煤矿大事故。因此，针对我国煤矿的实际情况，开发了基于GIS 煤矿在线巡检管理系统。系统建立在GIS 平台上，将煤矿不同安全监测监控系统数据集中在统一的GIS 平台上进行展示。系统具备巷道编辑设计、巡检设备三维展示、地图综合展示、联动报警、井下人员定位等功能。系统改进了传统的巡检工作及管理模式，大幅度降低工人劳动强度，使矿山安全管理工作提高到一个新的水平。

1 系统设计

1.1 系统场景设计

煤矿安全巡检是煤矿安全生产中的重要模块，首先对井上、井下业务流程进行阐述，然后结合了现有的矿山信息化建设水平，根据整合的矿上安全监控、远程巡查、联动报警、人员定位、应急救援等各个系统的基础上，将井下动态可变数据在井上展示，将巡检数据及时反馈，及时处理，并且为矿山应急救援和决策支持提供依据。

（1）井上系统场景设计。井上系统实时显示井下检测数据，当检测数据超出标准值时，井上系统进行等级报警，提醒相关部门及时处理，避免重大事故的发生。井上系统可基于GIS 图层显示井下人员的位置和设备状态等数据，各类数据清晰简洁、一目了然。另外，井上系统设有专用数据库，用来存储历史数据，避免数据丢失。

（2）井下系统场景设计。当分站与中心站通讯中断时，中心站可根据人员位置数据打开相应分站语音播报器，向本站人员定位模块发出撤离指令。井下分站可以收集井下各类传感器采集的数据并上传到井上展示系统。

1.2 系统功能设计

根据系统的应用场景和矿方对系统的需求情况，按照工人使用的便利原则，将本系统划分为如下三个主要部分：

（1）底图初始化功能。随着煤矿开采范围的扩大，煤矿采掘工程平面图也跟着变化，为了提高系统的实用性，将采掘工程平面图（DWG 格式）作为巷道、设备布置的背景图，在背景图中对巷道和设备数据进行编辑处理，提高系统的可扩展能力。

（2）井下设备展示功能（二维和三维）。设备展示是以GIS 矿图作为背景底图，在背景底图上标绘出安全监控传感器、人员定位分站、应急广播等设备的地理坐标，用鼠标的滑轮可以进行放大或缩小操作，鼠标点击相应设备时会查看设备的相关属性值。

（3）联动报警功能。当设定的应急联动触发条件满足后，联动报警页面就会弹出警告，将触发报警的传感器列表、人员列表和应急广播列表发送给相关人员，并通过广播通知人员撤离。

2 系统实现

该系统和煤矿原有的“一通三防”系统进行融合，实现了无缝对接，有效避免了多系统通信困难、数据难集成、难管理等问题的出现。GIS 在线安全巡检系统是一个综合性的系统，包括多种传感器的数据采集系统、煤矿井下数据传输系统、综合数据的存储和动态展示系统等。本文主要对井上展示系统、井下控制系统和数据库系统做主要介绍。

2.1 井上展示系统

井上展示系统为了与煤矿原有的“一通三防”系统无缝对接，本系统采用了HTML 和CSS 语言进行设计。系统采用Bootstrap 响应式框架布局，能够实现图层的分层绘制。这种布局支持所有主流浏览器，能够适用PC 机、平板电脑和手机，解决了不同设备终端的适应性问题。

随着显示窗口（viewport）尺寸的不断增加，系统会根据需要自动分为最多12 列，通过用户或系统定义的网格类快速创建网格布局，详情见表1。

表 1 显示窗口设计

2.2 井下控制系统

控制系统是由硬件组网子系统将防爆摄像头、自动风门风窗驱动器、风速、一氧化碳、瓦斯等各类传感器组合起来的一个混合系统。控制模块采用嵌入式单片机STM32，通过RJ45 网口、RS485 串口与驱动模块和传感器模块进行信号传输与控制，通信模块采用KC-R4-I 协议，安全可靠地实现核心控制功能。硬件组网子系统实时获取井下各类传感器以及设备状态、实时图像数据并进行数据汇总转发，由具有工业以太网网络通信功能的井下监控分站与上位机进行数据传输和指令控制，井下数据由上位机软件子系统进行图形化展示。上位机下达指令控制风门风窗的状态进行风量调节，也可根据参数的异常情况对井下工人提醒、报警。

2.3 数据库系统

为了提高数据库操作的存储和查询效率，将数据库划分为业务存储区、GIS 数据存储区和实时数据存储区。根据行业标准规范，将地理空间位置数据和参数存储到GIS 空间数据存储区；与业务管理相关的数据添加到业务存储区；井上输入数据和井下收集的实时数据先存储到实时数据存储区，根据数据性质，与GIS 或相关业务关联后，再进行永久性存储。数据存储层建立了空间索引机制和属性索引机制，并对数据的存储和数据访问进行了进一步优化，最后通过数据发布接口发送数据，保证了系统能够高效、全面、准确地提供矿井数据访问服务。目前，市场上主流数据库（DB）根据存储结构和是否采用分布式技术特征可分为关系型数据库(Relational Database)和非关系型数据库(NOSQL)。关系型数据库是建立在关系模型上的数据库，关系型数据库适合对数据频繁进行增、删、改操作的用户。非关系型数据库是指结构上采用非经典的行、列结构组织方式，适合大数据的查询操作。为了适应智慧矿山建设需要，传统的关系型数据库已经不能很好地适应需求。因此，本文选取了市面上流行的NOSQL 中的MongoDB 数据库。与关系型数据库和非关系型数据库不同的是，MongoDB 是一个介于两者之间的数据库产品，准确来说是非关系数据库中功能相对强大，而存储结构更像关系型数据库的一种数据库。这类数据库读写速度快，能够对PB 级别的数据进行快速存储、读写访问。该数据库的应用为以后智慧化矿山大量数据存储奠定基础。数据库信息表如表2。

表2 数据库数据结构类型

3 GIS 平台设计

系统采用SVG 和HTML5 中的CANVAS 绘图技术构建人员定位绘图。SVG 数据类型是二维矢量类型，对煤矿实体模型绘图描述，存储速度快并且数据在传输过程中不易丢失。由于SVG 是矢量图，具有不易失真的特性，所以对煤矿地理信息系统进行绘图工作时，用SVG 来描绘不变图形的元素，用CANVAS 绘制一些动态的元素及其属性，依靠AGAX 来处理数据的异步实时显示问题。为了降低系统的开发难度后期维护能工作量，划分了多个图层，包括底图、设备图层、人员图层等，如图1。底图几乎不需要进行维护，所以后期维护过程中大大减少了维护工作量，并且底图互相冲突的情况几乎不可能发生；设备图在底图的基础上单独构造，解决了因缺少设备坐标而无法自动布置的问题，且由于底图坐标明确，也减少了后期设备维护工作量；每个图层数据采用高内聚、低耦合的设计方法，方便部署、维护和扩展。

图1 图层结构示意图

4 结语

结合煤矿实际情况和GIS 现有应用技术，针对煤矿设计出了基于GIS 的煤矿在线巡检系统。本文分析了该系统的应用场景、系统的实现方法和针对煤矿的GIS 平台设计。该系统可在采空区或高危区布置各类传感器和视频摄像头，意外情况发生时，系统自动报警，并通知附近工人撤退，减小矿山自然灾害的危害性。本系统与煤矿原有的“一通三防”无缝对接，为“矿山一张网建设”提供了一种方法。井上系统的构建可有效保存矿山庞大数据，为以后智慧化矿山的建设打下良好的基础。该系统能够减少巡检人员数量和巡检频率，特别是一些高危区域，为矿工安全提供一定保障。该系统不仅能够满足煤矿安全监控系统升级改造技术的要求，而且能够提高煤矿的安全监测监控水平和监管效率。