基于3DGIS的煤礦安全避險“六大系統(tǒng)”集成管理平臺研究

殷大發(fā) 疏禮春

（煤炭科學(xué)研究總院安全裝備技術(shù)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

基于3DGIS的煤礦安全避險“六大系統(tǒng)”集成管理平臺研究

殷大發(fā) 疏禮春

（煤炭科學(xué)研究總院安全裝備技術(shù)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

針對煤礦井下獨(dú)立的 “六大系統(tǒng)”存在的問題，研發(fā)了基于3DGIS的煤礦安全避險 “六大系統(tǒng)”集成管理平臺，介紹了該平臺的整體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、功能模塊及使用效果。該平臺將 “六大系統(tǒng)”的信息融合在井下三維巷道圖中，全面、直觀、實(shí)時、動態(tài)地展示了井下 “六大系統(tǒng)”監(jiān)測狀況和安全避險設(shè)施建設(shè)情況，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的融合和可視化分析、自動預(yù)警、聲光報警、輔助決策以及應(yīng)急演練管理等功能，提高了 “六大系統(tǒng)”整體安全避險功效、整體聯(lián)動和應(yīng)急響應(yīng)能力。

3DGIS 煤礦安全 安全避險 “六大系統(tǒng)” 集成管理平臺

由于 “六大系統(tǒng)”相互獨(dú)立建設(shè)，信息不能共享和綜合利用，信息基本都在二維的模擬巷道圖下展示，不符合人們的空間認(rèn)知習(xí)慣，導(dǎo)致數(shù)據(jù)理解與利用困難，忽視或阻礙了對潛在的安全隱患的認(rèn)知。“六大系統(tǒng)”監(jiān)測數(shù)據(jù)多以門限報警或時序曲線形式進(jìn)行表現(xiàn)和分析，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)之間缺乏共同的空間參考基礎(chǔ)，既沒有做到安全監(jiān)測數(shù)據(jù)與煤礦地測、采掘工程數(shù)據(jù)一起進(jìn)行可視化空間配準(zhǔn)和關(guān)聯(lián)分析，也沒有做到監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的實(shí)時融合和整體可視化分析，難以對煤礦安全隱患進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的時空預(yù)報和相關(guān)分析，無法進(jìn)行各系統(tǒng)之間的聯(lián)動。為了解決以上的問題，研發(fā)了基于3DGIS的煤礦安全避險 “六大系統(tǒng)”集成管理平臺，該平臺在三維礦井立體圖上融合了 “六大系統(tǒng)”的實(shí)時監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急演練和決策指揮?！傲笙到y(tǒng)”集成管理平臺的建設(shè)對充分發(fā)揮“六大系統(tǒng)”整體安全避險作用是極其重要的，“六大系統(tǒng)一平臺”建設(shè)是煤礦安全避險系統(tǒng)的整體解決方案。

1 基于3DGIS的煤礦安全避險 “六大系統(tǒng)”集成管理平臺架構(gòu)

“六大系統(tǒng)”集成管理平臺結(jié)合三維礦井模型最終形成三維可視化集成管理平臺，在三維平臺上集成展示 “六大系統(tǒng)”的監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻畫面，給用戶一個立體視覺?；?DGIS的煤礦安全避險“六大系統(tǒng)”集成管理平臺架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于3DGIS的煤礦安全避險 “六大系統(tǒng)”集成管理平臺架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)源層。數(shù)據(jù)源層提供集成管理平臺所需的所有數(shù)據(jù)，通過OPC和文本文件接口的方式從獨(dú)立的 “六大系統(tǒng)”中采集所需數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)存儲層。對數(shù)據(jù)采集傳輸通訊子系統(tǒng)采集的 “六大系統(tǒng)”數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗(yàn)和偽數(shù)據(jù)過濾后，統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)中心總庫。

（3）應(yīng)用層。提取中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，按照一定的規(guī)則進(jìn)行計算處理，提供給展現(xiàn)層使用。

（4）展現(xiàn)層。在礦井采掘立體圖中三維顯示生產(chǎn)信息、實(shí)時動態(tài)的監(jiān)測信息、人員三維分布、生產(chǎn)設(shè)備的三維分布及其運(yùn)行狀態(tài) （壓風(fēng)機(jī)、主扇、局扇、風(fēng)門、帶式輸送機(jī)和水泵等），將礦井上下的真實(shí)全貌完整地展現(xiàn)出來。

2 基于3DGIS的煤礦安全避險 “六大系統(tǒng)”集成管理平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維立體圖的自動生成

以地測和工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動生成三維的井巷工程立體圖、采掘立體圖、煤層立體圖以及三維鉆孔圖。

2.2 信息融合

通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，采集 “六大系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)并存于同一個數(shù)據(jù)庫中，集成管理平臺通過數(shù)據(jù)展示把 “六大系統(tǒng)”的重要數(shù)據(jù)信息展示在一個界面中。

2.3 系統(tǒng)聯(lián)動

對集成管理平臺進(jìn)行配置，當(dāng)某一測點(diǎn)發(fā)生報警時，集成管理平臺能自動推送該測點(diǎn)附近的視頻監(jiān)測畫面到最前端，并自動顯示該測點(diǎn)附近的人員信息。

2.4 實(shí)時預(yù)警、報警

通過預(yù)警和報警提示窗口設(shè)定預(yù)警和報警提示條件，統(tǒng)一展示 “六大系統(tǒng)”的預(yù)警和報警提示信息。當(dāng)條件觸發(fā)時，集成管理平臺能夠自動彈出窗口并聲光報警，并且可以根據(jù)用戶定義的等級排序，同時集成管理平臺具有短信報警提示功能。

2.5 報警分析

集成管理平臺自動統(tǒng)計出任意時間段的報警及故障信息后，用戶可以點(diǎn)擊查看詳細(xì)信息，也可以按子系統(tǒng)、測點(diǎn)類別、報警等級和日期段等條件查詢和統(tǒng)計歷史報警或故障信息，并且可以對發(fā)生報警時其他系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

2.6 數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性與準(zhǔn)確性

采用觸發(fā)式的文件監(jiān)控機(jī)制實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)文件的變化，對采集的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行校驗(yàn)，利用變值變態(tài)采集機(jī)制提高數(shù)據(jù)采集效率。

3 基于3DGIS的煤礦安全避險 “六大系統(tǒng)”集成管理平臺的功能模塊

“六大系統(tǒng)”集成管理平臺主要由綜合監(jiān)測、監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、緊急避險、壓風(fēng)自救、供水施救、通信聯(lián)絡(luò)、視頻監(jiān)控和系統(tǒng)管理9個功能模塊組成，同時集成平臺還預(yù)留接口，可以接入礦端的其他系統(tǒng)。

3.1 綜合監(jiān)測模塊

綜合監(jiān)測模塊可以在礦井三維立體圖下集成展示 “六大系統(tǒng)”的信息，通過信息的融合展示，監(jiān)控人員在一個立體環(huán)境下就可以關(guān)注 “六大系統(tǒng)”的所有重要信息，具體包括：

（1）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測值和狀態(tài)，具有預(yù)警提示 （通過設(shè)置重要監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛茸兓秶妥兓瘯r間進(jìn)行該測點(diǎn)的瓦斯變化的預(yù)警）、報警提示 （聲光報警提示，且報警信息可根據(jù)定義的程度級別用不同的顏色進(jìn)行展示）功能。

（2）人員定位系統(tǒng)的當(dāng)前井下人數(shù)、帶班領(lǐng)導(dǎo)人數(shù)、人員分布位置、下井時長和人員行走軌跡回放等。

（3）緊急避險系統(tǒng)在井下分布位置，內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測參數(shù)，進(jìn)入內(nèi)部的人員信息。壓風(fēng)自救系統(tǒng)井下管道布置圖、自救點(diǎn)分布、自救點(diǎn)數(shù)量、空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及自救點(diǎn)閥門的風(fēng)壓等。

（4）供水施救系統(tǒng)的管道布置圖、施救點(diǎn)分布、施救點(diǎn)數(shù)量以及施救點(diǎn)閥門的水壓等。

（5）通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的調(diào)度電話的分布位置、電話號碼以及當(dāng)前的狀態(tài)等。

（6）井上井下視頻探頭的位置，點(diǎn)擊可彈出實(shí)時顯示視頻監(jiān)控畫面。

3.2 監(jiān)測監(jiān)控模塊

監(jiān)測監(jiān)控模塊用于監(jiān)測瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、風(fēng)壓、饋電狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主通風(fēng)機(jī)開停等，當(dāng)瓦斯超限或局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行或掘進(jìn)巷道停風(fēng)時，監(jiān)測監(jiān)控模塊進(jìn)行自動報警。該模塊分為實(shí)時監(jiān)測、歷史查詢、統(tǒng)計分析和基礎(chǔ)信息等功能。

（1）實(shí)時監(jiān)測。實(shí)時監(jiān)測能夠?qū)崟r顯示井下所有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)傳感器的編號、安裝位置、值、狀態(tài)以及數(shù)據(jù)時間信息，可以按傳感器類型進(jìn)行選擇性查看數(shù)據(jù)，也可以按數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行選擇性查看。

（2）歷史查詢。歷史查詢可以查詢監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的所有歷史數(shù)據(jù)信息，包括報警明細(xì) （測點(diǎn)編號、測點(diǎn)類型、測點(diǎn)位置、開始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間、最大值）、報警統(tǒng)計 （測點(diǎn)編號、測點(diǎn)類型、測點(diǎn)位置、累計報警次數(shù)、累計報警時間）、模擬量查詢 （測點(diǎn)編號、測點(diǎn)類型、測點(diǎn)位置、當(dāng)前值、狀態(tài)、時間）、開關(guān)量查詢 （測點(diǎn)編號、測點(diǎn)類型、測點(diǎn)位置、當(dāng)期值、狀態(tài)、時間）。

（3）統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析能夠綜合統(tǒng)計所有測點(diǎn)的歷史報警記錄數(shù)據(jù)，并用柱狀圖和歷史曲線的方式對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（4）基礎(chǔ)信息?；A(chǔ)信息能夠存儲并顯示分站信息 （分站的編號和安裝位置等）和測點(diǎn)信息 （測點(diǎn)編號、安裝位置和報警上下設(shè)置等）。

3.3 人員定位模塊

人員定位模塊主要用于監(jiān)測下井人員位置和行走軌跡，防止人員進(jìn)入危險區(qū)域，在事故應(yīng)急救援、及時發(fā)現(xiàn)未按時升井人員、領(lǐng)導(dǎo)下井帶班管理、特種作業(yè)人員管理以及井下作業(yè)人員考勤管理中具有重要作用。該模塊分為實(shí)時監(jiān)測、歷史查詢、領(lǐng)導(dǎo)帶班和基礎(chǔ)信息等功能。

（1）實(shí)時監(jiān)測。實(shí)時監(jiān)測能夠?qū)崟r監(jiān)測并實(shí)時顯示區(qū)域人數(shù) （統(tǒng)計各個區(qū)域范圍內(nèi)的下井人員人數(shù)和具體人員信息）、讀卡分站人數(shù) （顯示被讀卡分站獲得的人員信息及其分站狀態(tài)信息）、下井人員 （姓名、部門、工種、職務(wù)、下井時間、當(dāng)前所在位置、當(dāng)前位置時間、狀態(tài)），點(diǎn)擊鏈接可以彈出詳細(xì)軌跡信息，并能夠顯示下井人員從下井時間開始到當(dāng)前位置所行走的路徑。

（2）歷史查詢。歷史查詢可以查詢下井考勤（可按部門、具體人員進(jìn)行查詢，顯示具體下井人員的入井時間、出井時間和累計下井時間）、人員軌跡 （可按部門、具體人員進(jìn)行查詢，顯示具體下井人員的井下行走路徑，可進(jìn)行軌跡回放）、報警查詢 （可按班次或下井時間段查詢所有井下超時報警、區(qū)域超員報警、禁區(qū)報警、求救報警人員信息）。

（3）領(lǐng)導(dǎo)帶班。領(lǐng)導(dǎo)帶班能夠存儲并顯示帶班計劃 （按照計劃提前排定帶班領(lǐng)導(dǎo)的下井計劃、每個班次由哪些領(lǐng)導(dǎo)下井）和下井記錄 （分析帶班領(lǐng)導(dǎo)的下井記錄與帶班計劃，看是否與計劃一致）。

（4）基礎(chǔ)信息。基礎(chǔ)信息能夠存儲并顯示分站信息 （人員定位的讀卡分站編號、安裝位置信息）和人員信息 （所有下井人員的基礎(chǔ)信息）。

3.4 緊急避險模塊

緊急避險模塊分別對井下避難所、避災(zāi)硐室和救生艙等緊急避險設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控管理，對避險設(shè)施中的壓風(fēng)、供水、通訊和人員等狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可查看避險設(shè)施中的視頻畫面，并對異常情況進(jìn)行即時報警。緊急避險模塊可以實(shí)現(xiàn)井下避險系統(tǒng)信息管理以及系統(tǒng)分布圖、應(yīng)急物品管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄的查詢。該模塊分為環(huán)境監(jiān)測、人員監(jiān)測、視頻監(jiān)測、避災(zāi)演習(xí)和基礎(chǔ)信息功能。

（1）環(huán)境監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測能夠?qū)崟r顯示緊急避險系統(tǒng)內(nèi)部的測點(diǎn)編號、測點(diǎn)類型、測點(diǎn)位置、測點(diǎn)值、狀態(tài)、時間等環(huán)境監(jiān)測信息。

（2）人員監(jiān)測。人員監(jiān)測可以顯示進(jìn)入緊急避險系統(tǒng)內(nèi)部的人員姓名、部門、工種、下井時間、當(dāng)前位置、進(jìn)入時間、狀態(tài)和軌跡等信息。

（3）視頻監(jiān)測。視頻監(jiān)測提供緊急避險系統(tǒng)內(nèi)外的視頻監(jiān)測畫面。

（4）避災(zāi)演習(xí)。避災(zāi)演習(xí)包括演習(xí)計劃和演習(xí)評估。演習(xí)計劃制定緊急避險應(yīng)急演練計劃，并保存相應(yīng)的演習(xí)計劃文件備查，包括計劃名稱、計劃起止時間、計劃狀態(tài)、制定人、制定日期等信息。演習(xí)評估對每次進(jìn)行的緊急避險演習(xí)進(jìn)行評估，記錄演習(xí)過程、結(jié)果評估情況、改進(jìn)措施等信息，包括計劃名稱、參與人、負(fù)責(zé)人、演習(xí)時間、演習(xí)內(nèi)容、結(jié)果評估、改進(jìn)措施、備注等信息。

（5）基礎(chǔ)信息。基礎(chǔ)信息包括避難設(shè)施管理、應(yīng)急物品管理和避難設(shè)施檢測記錄。避難設(shè)施管理包括設(shè)施名稱、編號、型號、類型、安裝位置、購置日期、狀態(tài)、備注等信息。應(yīng)急物品管理用來記錄各個避災(zāi)設(shè)施中食品、飲用水、工具等信息，包括物品名稱、編號、類別、狀態(tài)、所屬避難設(shè)施、數(shù)量、有效期、備注等信息。避難設(shè)施檢測記錄包括設(shè)備名稱、設(shè)備編號、型號、安裝位置、檢測時間、檢測結(jié)論、備注等信息。

3.5 壓風(fēng)自救模塊

壓風(fēng)自救模塊可以實(shí)現(xiàn)井下自救點(diǎn)、供氣、壓風(fēng)、呼吸面罩等各種壓風(fēng)設(shè)備信息的管理，如過壓風(fēng)自救系統(tǒng)有可監(jiān)測的傳感器信息，則顯示實(shí)時監(jiān)測值。該模塊具有自救點(diǎn)分布圖功能，并與人員定位監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)共享分布圖，實(shí)時掌握各自救點(diǎn)的人員狀況。該模塊分為壓風(fēng)監(jiān)測、人員監(jiān)測、視頻監(jiān)測、基礎(chǔ)信息功能。

（1）壓風(fēng)監(jiān)測。壓風(fēng)監(jiān)測實(shí)時顯示壓風(fēng)自救系統(tǒng)運(yùn)行信息。

（2）人員監(jiān)測。人員監(jiān)測實(shí)時顯示分布在壓風(fēng)自救點(diǎn)附近的人員信息。

（3）視頻監(jiān)測。視頻監(jiān)測提供壓風(fēng)自救點(diǎn)的視頻監(jiān)測畫面。

（4）基礎(chǔ)信息?；A(chǔ)信息包括供風(fēng)點(diǎn)信息、供風(fēng)點(diǎn)分布圖和檢測記錄。

3.6 供水施救模塊

供水施救模塊主要顯示供水施救系統(tǒng)的水倉水位、水泵運(yùn)行狀態(tài)、供水管路流量和壓力數(shù)值、供水施救點(diǎn)閥門的水壓信息以及供水施救點(diǎn)的實(shí)時視頻監(jiān)測畫面等信息。如果供水施救系統(tǒng)有可監(jiān)測的傳感器信息，則顯示實(shí)時監(jiān)測值。該模塊分為供水監(jiān)測、人員監(jiān)測、視頻監(jiān)測、基礎(chǔ)信息功能。

（1）供水監(jiān)測。供水監(jiān)測實(shí)時顯示供水施救系統(tǒng)運(yùn)行信息。

（2）人員監(jiān)測。人員監(jiān)測實(shí)時顯示分布在供水施救點(diǎn)附近的人員信息。

（3）視頻監(jiān)測。視頻監(jiān)測提供供水施救點(diǎn)的視頻監(jiān)測畫面。

（4）基礎(chǔ)信息?；A(chǔ)信息包括供水點(diǎn)信息、供水點(diǎn)分布圖、檢測記錄。

3.7 通信聯(lián)絡(luò)模塊

通信聯(lián)絡(luò)模塊具有通信基站管理、移動電話管理、調(diào)度電話管理、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)分布圖 （調(diào)度電話位置、井下廣播系統(tǒng)分布位置）等功能，并與人員定位監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，可以實(shí)時掌握各通訊聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的人員狀況。該模塊分為基站信息、調(diào)度電話信息和移動電話信息。

（1）基站信息?；拘畔ɑ揪幪?、基站名稱、安裝位置、安裝日期、狀態(tài)、備注等信息。

（2）調(diào)度電話信息。調(diào)度電話信息包括電話號碼、安裝位置、安裝日期、狀態(tài)、備注等信息。

（3）移動電話信息 （井下使用）包括電話號碼、使用人、發(fā)放日期、狀態(tài)、備注等信息。

3.8 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊具有將礦井主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)和重要場所的視頻圖像實(shí)時上傳到礦監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程操作設(shè)有控制的攝像設(shè)備全方位觀察周邊環(huán)境以及在大屏幕上直觀清晰地顯示監(jiān)控區(qū)域的視頻圖像等功能。各級授權(quán)部門可以根據(jù)權(quán)限調(diào)用視頻監(jiān)控圖像，為事故處理提供可靠的音像資料，還可以根據(jù)需要設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其它監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動。

3.9 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊分為用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、菜單管理、系統(tǒng)運(yùn)行日志管理等，只有管理員用戶才可以操作。

4 結(jié)語

通過對煤礦 “六大系統(tǒng)”的集成管理，將分散、獨(dú)立的 “六大系統(tǒng)”集成到一個統(tǒng)一的三維平臺下，在三維可視化環(huán)境下對各系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，綜合利用各系統(tǒng)產(chǎn)生的信息，并根據(jù)這些信息的變化情況讓各系統(tǒng)做出相應(yīng)的聯(lián)動和資源共享，這是避免或減少瓦斯突出和火災(zāi)等重特大事故發(fā)生、提升應(yīng)急救援和緊急避險管理的有效措施。在發(fā)生災(zāi)害時，集成管理平臺能夠快速、及時地調(diào)用各系統(tǒng)的綜合信息為安全避險和搶險救護(hù)提供決策支持。

［1］孫繼平.煤礦井下安全避險 “六大系統(tǒng)”的作用和配置方案 ［J］.工礦自動化，2010（11）

［2］楊大明.煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設(shè)中的重要問題研究 ［J］.中國煤炭，2011（11）

Research on integrated management platform with"Six Systems"for coal mine risk avoidance based on 3DGIS

Yin Dafa，Shu Lichun
（Branch of Mine Safety Equipment Technology of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China）

In view of the existing problems of independent"Six Systems"in coal mines，the integrated management platform with“Six Systems”was developed for the coal mine risk avoidance on the basis of 3DGIS.The overall structure of the platform，the key technology，the functional modules and the application results were introduced.The platform integrated the information obtained from the six systems into the 3D roadway diagrams，which comprehensively，visually，actually and dynamically displayed the monitoring situation and the construction of risk avoiding facilities，achieved the integration of different monitoring data，the visualized analysis，the automatic warning，the audible and visual alarm，the aid decision making and the emergency drill management，and enhanced the overall risk avoiding effects，the whole linkage and the emergency response ability of six systems.

3DGIS，coal mine safety，"Six Systems"for coal mine risk avoidance，integrated management platform

TD-918

A

殷大發(fā) （1979-），男，安徽明光人，工程師，碩士，2005年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，主要從事煤礦安全監(jiān)控類的軟件研究工作。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）