煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)研制

許懷亮，李崇山，馬 勇，李 敏，戶(hù)桂民

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

礦井瓦斯災(zāi)害是煤礦井下采掘生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一，對(duì)礦井瓦斯進(jìn)行預(yù)防與監(jiān)控是煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)大多數(shù)煤礦都裝備了礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，煤礦瓦斯防治工作取得了新的進(jìn)展，為礦井安全生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)。但勿容置疑的是，一方面，隨著礦井煤炭產(chǎn)能的逐年擴(kuò)大與采深的增加，礦井瓦斯防治工作所面臨的形勢(shì)依然嚴(yán)峻；另一方面，由于礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中各種傳感器的安設(shè)位置相對(duì)固定且數(shù)量有限，采掘生產(chǎn)中重大瓦斯隱患的人工檢測(cè)與識(shí)別的關(guān)鍵作用仍然是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所無(wú)法取代的，即瓦檢員瓦斯作業(yè)跟蹤檢測(cè)的作用一直是極為重要的。通過(guò)深入分析礦井重大瓦斯事故的發(fā)生原因與相關(guān)因素，不難發(fā)現(xiàn)，瓦斯檢測(cè)監(jiān)控與管理方面存在的漏洞是導(dǎo)致礦井瓦斯事故頻發(fā)的重要原因。采掘生產(chǎn)中瓦斯檢測(cè)人員心存僥幸心理，不按規(guī)定檢測(cè)與操作的情況時(shí)有發(fā)生，甚至出現(xiàn)漏檢漏測(cè)情況。另外，人工瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)，管理人員不能實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，造成瓦斯隱患信息撲捉滯后，則給煤礦日常安全生產(chǎn)工作帶來(lái)極大隱患。

本文提出的“煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)”，就是針對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的智能監(jiān)控管理預(yù)警軟件。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)可視化、信息地圖化技術(shù)，以Visual Basic 6.0語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面和煤礦井下瓦斯檢測(cè)工作的動(dòng)態(tài)互動(dòng)管理，并能進(jìn)行宏觀(guān)決策與分析。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們采用了先進(jìn)的瓦斯檢測(cè)與防治工作理念，以改善瓦斯防治管理手段為切入點(diǎn)，力爭(zhēng)整體提升礦井瓦斯檢測(cè)與治理的技術(shù)管理水平。

1 GIS技術(shù)功能與應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)的空間對(duì)象分析與管理信息平臺(tái)，其基本構(gòu)件主要由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和相關(guān)的方法過(guò)程組成。GIS獨(dú)特的圖形數(shù)據(jù)與空間位置相結(jié)合，并以圖形圖像形式直觀(guān)、精確地顯示結(jié)果，為礦井瓦斯檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可視化表達(dá)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

GIS系統(tǒng)的主要功能有：①獨(dú)特的數(shù)據(jù)采集與編輯功能。GIS不僅具有數(shù)據(jù)采數(shù)據(jù)采集、管理、處理和分析功能，而且具有很強(qiáng)的圖形圖像處理多種信息的表達(dá)能力。②GIS可以更好地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無(wú)縫鏈接[1]。GIS包括各種要素分布的空間數(shù)據(jù)和這些要素的屬性數(shù)據(jù)，使得大規(guī)模的GIS系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)技術(shù)一體化成為可能，便于各種系統(tǒng)的集成和信息共享。③功能強(qiáng)大的數(shù)字化制圖系統(tǒng)。GIS的核心是一個(gè)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，建立GIS時(shí)先將圖形數(shù)據(jù)和它的屬性數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)庫(kù)中并編制用戶(hù)所需的矢量或柵格地圖。用戶(hù)可以方便地對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、處理、分析和輸出，也可對(duì)地理空間過(guò)程演化進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。④GIS的空間分析功能。GIS系統(tǒng)可利用其空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)空間查詢(xún)與空間分析進(jìn)行空間定位和程序動(dòng)態(tài)分析。GIS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

GIS技術(shù)為地理信息可視化表達(dá)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，利用GIS的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集成技術(shù)可以對(duì)瓦斯檢測(cè)作業(yè)信息進(jìn)行可視化處理。目前，GIS的動(dòng)態(tài)檢測(cè)信息可視化能力已被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源管理、環(huán)境管理和模擬、災(zāi)害預(yù)測(cè)、數(shù)字地圖可視化和應(yīng)急救援等各個(gè)領(lǐng)域[2]。

2 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，主要由地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)信息傳輸平臺(tái)和井下無(wú)線(xiàn)信號(hào)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備三部分組成，系統(tǒng)采用總線(xiàn)式組網(wǎng)方式，其總體結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)布局圖

由圖2可知，瓦斯檢測(cè)人員在檢測(cè)點(diǎn)測(cè)完相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)在各個(gè)讀卡分站設(shè)置的智能終端輸入檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機(jī)；同時(shí)，監(jiān)控分站會(huì)把瓦斯檢測(cè)人員所處的井下位置動(dòng)態(tài)顯示在監(jiān)控界面中。主機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選與處理后，再把每個(gè)人員的位置信息和時(shí)間信息分割成獨(dú)立數(shù)組，之后對(duì)數(shù)組進(jìn)行判別、處理、分析和發(fā)出預(yù)警提示，同時(shí)把這些特征信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。利用GIS圖形數(shù)據(jù)與空間位置合成分析技術(shù)，系統(tǒng)的繪圖控件從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出這些特征信息后，根據(jù)時(shí)間先后順序、瓦斯檢測(cè)人員編號(hào)和讀卡分站號(hào)在對(duì)應(yīng)區(qū)域動(dòng)態(tài)顯示檢測(cè)人員的實(shí)時(shí)路線(xiàn)軌跡。地面監(jiān)控中心站將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)，使遠(yuǎn)程用戶(hù)也能在線(xiàn)查看井下各種監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)煤礦井下瓦斯檢測(cè)作業(yè)管理的全息動(dòng)態(tài)監(jiān)控[3]。

2.2 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)各部分功能模塊設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是利用網(wǎng)絡(luò)(Intranet/Internet)技術(shù)、信息通訊技術(shù)針對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯檢測(cè)人員的安全技術(shù)措施執(zhí)行檢測(cè)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤，出現(xiàn)異常情況智能預(yù)警提示，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)礦井的“本質(zhì)安全”的智能管理應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)主要部分功能模塊如圖3所示。

圖3 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)的主要功能包括：

1)瓦斯作業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控：對(duì)井下瓦斯檢測(cè)人員分別用不同顏色的編號(hào)，在井下巷道分布圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示他們的位置、所在采掘工作面、移動(dòng)作業(yè)軌跡記錄以及井下瓦斯檢測(cè)人員的動(dòng)態(tài)分布情況和數(shù)量等信息，可對(duì)任一瓦檢員當(dāng)前安全工作動(dòng)態(tài)監(jiān)控[4]。這是系統(tǒng)的核心組成部分。

2)瓦斯檢測(cè)信息查詢(xún)：通過(guò)查詢(xún)瓦檢員在特定地點(diǎn)的到離時(shí)間、工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)這類(lèi)工作人員的實(shí)際工作情況進(jìn)行監(jiān)督。系統(tǒng)支持多種查詢(xún)方式，如所在區(qū)域查詢(xún)、時(shí)間查詢(xún)、未到達(dá)區(qū)域查詢(xún)等方式?？伤阉魅魏我粋€(gè)或多個(gè)人員當(dāng)前的實(shí)際位置，指定時(shí)間所處的位置、情況，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速定位，并顯示其相關(guān)詳細(xì)信息，可視化的圖形界面及操作性強(qiáng)。

3)瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：采用基于GIS的矢量圖技術(shù)，按照不同時(shí)間段、檢測(cè)區(qū)域等對(duì)瓦斯檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)生成瓦斯信息柱形圖、折線(xiàn)圖或比例圖等圖表形式。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)功能，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地分類(lèi)匯總；數(shù)據(jù)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并生成圖形、表格形式，得出決策信息為管理者進(jìn)行決策提供科學(xué)依據(jù)。

4)智能跟蹤巡檢預(yù)警功能：利用現(xiàn)有局域網(wǎng)，將綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、預(yù)警數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和系統(tǒng)連接[5]，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映瓦斯檢測(cè)人員的作業(yè)軌跡、地點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)瓦檢員、安檢員在井下某一地點(diǎn)工作超時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并顯示相關(guān)檢測(cè)人員詳細(xì)信息。實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)及系統(tǒng)通訊設(shè)備的工作狀況，對(duì)系統(tǒng)工作異常報(bào)警。

3 基于GIS的瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案

目前，GIS的開(kāi)發(fā)方式有三種，分別為獨(dú)立開(kāi)發(fā)、單純二次開(kāi)發(fā)和集成二次開(kāi)發(fā)。其中，集成二次開(kāi)發(fā)又包括兩種方法，一是OLE和DDE；二是組件式GIS[6]。

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的是中地?cái)?shù)碼有限公司研制的MapGIS——搭建式GIS數(shù)據(jù)中心集成技術(shù)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持VC++、VB，Delphi、ActiveX控件等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在Visual Basic 6.0語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境下，進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，建立了煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的無(wú)縫集成。運(yùn)用MapGIS組件式二次開(kāi)發(fā)組件和其他VB對(duì)象的方法和屬性完成GIS基本功能，根據(jù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模大小，可以有目的地選擇GIS組件和控件，有效地控制系統(tǒng)成本及風(fēng)險(xiǎn)。

操作系統(tǒng)采用Windows 2003或Windows XP，在Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下,以SQL Server 2008為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)采用ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象(ADO)[7]訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)的輸入、查詢(xún)和輸出等功能。運(yùn)用GIS強(qiáng)大的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)空間分析功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)的變形曲線(xiàn)分析，并生成圖形或表格的形式，進(jìn)而發(fā)出預(yù)警提示。最后，系統(tǒng)采用VB 6.0對(duì)地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心的系統(tǒng)操作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，Visaul Basic提供了豐富的可視化編程工具，它將程序和數(shù)據(jù)封裝起來(lái)視為一個(gè)對(duì)象[8]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)作業(yè)全息動(dòng)態(tài)可視化、智能跟蹤巡檢預(yù)警和網(wǎng)絡(luò)化管理。

4 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

MapGIS包含了MapCAD的所有功能，數(shù)據(jù)中心支持ArcGIS、AutoCAD、SDO的中間件，并可實(shí)現(xiàn)圖庫(kù)的無(wú)縫管理，高效的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理(支持運(yùn)用TCP/IP協(xié)議的LAN和WAN環(huán)境的訪(fǎng)問(wèn))，具有完備的空間分析工具、實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)分析功能，支持多源圖像分析與處理(支持VC++、VB、Delphi、ActiveX等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理分為瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、地圖庫(kù)管理和屬性庫(kù)管理三個(gè)子系統(tǒng)，MapGIS通過(guò)視圖控件MapXView來(lái)顯示地圖數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)使用編輯控件MxEditControl來(lái)對(duì)地圖進(jìn)行編輯或者進(jìn)行空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析等操作。數(shù)據(jù)管理可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器來(lái)進(jìn)行，而數(shù)據(jù)的編輯處理通過(guò)地圖文檔來(lái)進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理都可以通過(guò)工作空間控件統(tǒng)一管理。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖4所示,在系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，連接到制圖信息的軟件，通過(guò)軟件管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)圖形或表格的生成[9]。

圖4 瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

5 預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行情況簡(jiǎn)介

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行后，通過(guò)井下監(jiān)控設(shè)備能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的將瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)及瓦檢員的活動(dòng)軌跡反映到地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心。在地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心站網(wǎng)站與手機(jī)短信息平臺(tái)，系統(tǒng)可自動(dòng)不斷更新實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表頁(yè)面；各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及有關(guān)管理人員通過(guò)局域網(wǎng)或短信，即可及時(shí)方便的瀏覽各工作面的瓦檢員工作狀況和瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)在動(dòng)態(tài)圖形上的顯示情況。

通過(guò)點(diǎn)擊“GIS瓦斯作業(yè)跟蹤平臺(tái)”按鈕，在左側(cè)菜單出現(xiàn)瓦檢員巡檢動(dòng)態(tài)跟蹤、瓦檢員當(dāng)前位置查詢(xún)、檢測(cè)人員井下分布、瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)分析和檢測(cè)人員作業(yè)回放等功能按鈕，管理人員可通過(guò)系統(tǒng)上的井下巷道電子地圖實(shí)時(shí)掌握井下瓦斯?fàn)顩r。動(dòng)態(tài)井下巷道電子地形圖，采用GIS矢量圖技術(shù)，畫(huà)面可放大、縮小、平移，便于管理人員查看。

系統(tǒng)具有靈活、全面的報(bào)表系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)的顯示、查詢(xún)和報(bào)表打印功能。還可以同時(shí)顯示六條實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，使用戶(hù)可以進(jìn)行對(duì)比分析。

6 結(jié)論

以GIS、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等為核心技術(shù)，設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以VB 6.0和MapGIS為開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下瓦斯檢測(cè)人員作業(yè)軌跡的可視化監(jiān)控，并能智能預(yù)警提示，提高了礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理水平。本文的主要研究成果有：

1)實(shí)現(xiàn)了瓦斯檢測(cè)作業(yè)軌跡與信息化管理之間的無(wú)縫銜接。將GIS圖像信息處理技術(shù)引入到煤礦安全信息化管理工作中，并與監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下瓦斯檢測(cè)人員作業(yè)過(guò)程可視化。地面監(jiān)測(cè)中心管理人員可以通過(guò)傳輸系統(tǒng)提供的各種數(shù)據(jù)信息，及時(shí)了解瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)，瓦檢員工作動(dòng)態(tài)，促進(jìn)了瓦斯檢測(cè)工作的科學(xué)化、網(wǎng)絡(luò)化。

2)建立了瓦斯檢測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)，通過(guò)MapGIS平臺(tái)與Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的方法和屬性，編制了相對(duì)完整的煤礦瓦斯跟蹤巡檢預(yù)警系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)管理與顯示井下巷道電子地圖及重大危險(xiǎn)源分布在地圖上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，瓦斯檢測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)運(yùn)用GIS技術(shù)的人機(jī)交互方式，并能以報(bào)告、表格、圖表或地圖形式顯示，以便為管理人員提供決策支持。

3)所建立的煤礦瓦斯檢測(cè)作業(yè)過(guò)程巡檢預(yù)警系統(tǒng)，將預(yù)先控制、實(shí)時(shí)控制、反饋控制等控制類(lèi)型有機(jī)的結(jié)合在一起，將預(yù)警管理系統(tǒng)看作是一個(gè)控制過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)中的動(dòng)態(tài)巡檢與智能預(yù)警功能。

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