我國特種煤炭信息系統(tǒng)建設與開發(fā)

趙 汀，劉 超，陳子瞻，周鳳英，閆 強

(1.中國地質(zhì)科學院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037)

我國特種煤炭信息系統(tǒng)建設與開發(fā)

趙 汀1，2，3，劉 超1，2，3，陳子瞻1，2，3，周鳳英1，2，3，閆 強1，2，3

(1.中國地質(zhì)科學院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037)

煤炭產(chǎn)業(yè)是關系國家經(jīng)濟命脈的基礎產(chǎn)業(yè)，在我國以煤為主的能源消費結構下，既要發(fā)展能源工業(yè)，又要煤炭清潔利用保護環(huán)境，所以科學決策發(fā)展清潔煤炭產(chǎn)業(yè)至關重要，圍繞摸清特種煤資源家底、實現(xiàn)煤炭清潔利用的目標，以全國儲量利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)庫、保障程度數(shù)據(jù)庫以及國內(nèi)外權威網(wǎng)站等相關數(shù)據(jù)為基礎，運用大數(shù)據(jù)分析方法、GIS決策支持模型研發(fā)特種煤信息系統(tǒng)，最終建成國內(nèi)唯一，世界靠前，服務各界用戶的特種煤信息系統(tǒng)，有效支撐油氣與能源基礎性公益性地質(zhì)調(diào)查，以及煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

地理信息系統(tǒng)(GIS)；特種煤；煤炭產(chǎn)業(yè)

煤炭在我國一次性能源消費結構中占比超過三分之二，煤炭產(chǎn)業(yè)是關系國家經(jīng)濟命脈的基礎產(chǎn)業(yè)。未來，煤炭在我國能源消費結構中將持續(xù)下降，但仍占據(jù)主要地位，預計在2030年，我國能源結構中的煤炭占比仍將達50%左右，仍將是我國能源安全的基石。在這種以煤為主的消費結構下，使得我們國家的環(huán)境受到了巨大的挑戰(zhàn)，我們既要發(fā)展能源工業(yè)，又要煤炭清潔利用保護環(huán)境，所以科學決策發(fā)展清潔煤炭產(chǎn)業(yè)至關重要。

目前，國內(nèi)有很多關于動力配煤、電力配煤等方面的軟件，多是通過計算機系統(tǒng)對多種煤進行配比，得出多種所需配煤方案；或是為優(yōu)化管理、提高對生產(chǎn)線管理、人員管理針對煤炭企業(yè)自身建立的信息化設施設備。截至2016年年底，并沒有一套從全國層面以摸清特種煤資源家底、實現(xiàn)煤炭清潔利用為目標，從宏觀上對我國特種煤進行優(yōu)置配化、合理布局的資源信息系統(tǒng)。

在此背景下，以全國儲量利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)庫、保障程度數(shù)據(jù)庫以及國內(nèi)外權威網(wǎng)站等相關數(shù)據(jù)為基礎，再通過大量調(diào)查采樣數(shù)據(jù)摸清特種煤炭資源家底、調(diào)研清潔煤炭工藝流程，運用大數(shù)據(jù)分析方法、GIS決策支持模型研發(fā)特種煤信息系統(tǒng)，最終建成具備查詢與輔助決策功能的特種煤信息系統(tǒng)，科學服務于國土科研、管理機構清潔能源政策和規(guī)劃制定，有效支撐油氣基礎性公益性地質(zhì)調(diào)查，以及煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 概 況

圍繞摸清特種煤資源家底、實現(xiàn)煤炭清潔利用的目標，本系統(tǒng)針對的煤炭種類(特種煤)主要包括優(yōu)質(zhì)煤化工用煤(液化用煤、氣化用煤、焦化用煤)、特殊高元素煤(高鋁煤、高鋰煤、高鎵煤、高鍺煤)、稀缺煤等煤炭資源。

利用GIS技術、大型數(shù)據(jù)庫技術等先進技術手段，分析各項指標抽取技術路線，設計數(shù)學模型，開展系統(tǒng)詳細方案設計，特種煤信息系統(tǒng)主要功能模塊的劃分及開發(fā)，建成國內(nèi)唯一，世界靠前，向社會開放的特種煤信息系統(tǒng)。此系統(tǒng)具備查詢與輔助決策功能，有效服務于國家煤炭清潔利用、產(chǎn)業(yè)升級及生態(tài)文明建設戰(zhàn)略，大力支撐油氣基礎性公益性地質(zhì)調(diào)查，以及煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 特種煤信息系統(tǒng)設計與開發(fā)

特種煤信息系統(tǒng)聚合特種煤資源、產(chǎn)業(yè)等相關數(shù)據(jù)，具體包括構建資源、產(chǎn)業(yè)、市場、環(huán)境、水、電、經(jīng)濟社會、評價指標等九大類數(shù)據(jù)庫(圖1)，并包括特種煤資源動態(tài)評價計算機模型，從地質(zhì)、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面動態(tài)評價特種煤資源可供性。

圖1 全國特種煤信息系統(tǒng)架構圖

運用大數(shù)據(jù)平臺，采用Hadoop、Orcale作為數(shù)據(jù)存儲管理平臺，后端開發(fā)以SpringMVC為軟件框架、BootStrap為前端框架，MyBatis做數(shù)據(jù)持久化，網(wǎng)絡以HTTPS協(xié)議，通過任務調(diào)度系統(tǒng)把數(shù)據(jù)進行可視化，用ArcGIS做空間展示與分析，MapGIS數(shù)字編圖，最后用戶通過統(tǒng)一身份認證的形式進行登錄使用(圖2)。

圖2 特種煤大數(shù)據(jù)平臺軟件架構

本系統(tǒng)主要面向管理機構、企業(yè)用戶、科研人員、金融機構等。其中，管理機構包括政府部門和行業(yè)協(xié)會。政府部門主要包括國土資源部、國家發(fā)展改革委員會、環(huán)境保護部、工業(yè)和信息化部、國家能源局等。企業(yè)用戶包括煤炭生產(chǎn)和銷售企業(yè)，四大下游行業(yè)的企業(yè)，港口和運輸企業(yè)。金融機構包括銀行、證券、保險、基金、信托等。

3 特種煤信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設

通過對特種煤資源、水資源、電力、產(chǎn)業(yè)和社會經(jīng)濟，環(huán)境數(shù)據(jù)等資料文獻及相關書籍的搜集整理，同時大量搜集相關國內(nèi)外權威網(wǎng)站等數(shù)據(jù)，對搜集的數(shù)據(jù)進行詳細的整理，同時根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類別，進行分類處理，對不同數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換，最后進行數(shù)據(jù)錄入，初步構建了特種煤數(shù)據(jù)庫，具體包括資源、產(chǎn)業(yè)、市場、環(huán)境、水、電、經(jīng)濟社會、評價指標等九大類數(shù)據(jù)(圖3)。入庫后要進行校對，及時糾錯，確保數(shù)據(jù)的準確性。根據(jù)用戶的具體需求，將雜亂無序的數(shù)據(jù)經(jīng)過指標梳理、指標編碼、前臺展現(xiàn)等流程，將結構化有序的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給最終用戶。

圖3 特種煤數(shù)據(jù)庫架構

3.1 煤炭資源大數(shù)據(jù)

煤炭資源數(shù)據(jù)包括了煤炭礦山企業(yè)的基本情況、煤質(zhì)煤類、產(chǎn)能等數(shù)據(jù)。 煤炭基本情況數(shù)據(jù)包含了礦井名稱、所屬分公司、礦井性質(zhì)、所屬省市縣、所屬礦區(qū)、成煤期、剩余服務年限、井田面積、開采深度、最新礦井狀態(tài)、最新生產(chǎn)能力、投產(chǎn)時間、開拓方式、可采煤層等?；久嘿|(zhì)數(shù)據(jù)包含了揮發(fā)分Vdaf/%、硫分St，d/%、發(fā)熱量、黏結指數(shù)G、膠質(zhì)層厚度Y/mm等數(shù)據(jù)。詳細煤質(zhì)數(shù)據(jù)(主要為入洗的煤礦的煤質(zhì))包括的指標為內(nèi)水Mad/%、灰分Ad/%、揮發(fā)分Vdaf/%、硫分St，d/%、發(fā)熱量Qnet.ar/(kcal/kg)、灰熔融性ST/℃、哈氏可磨性指數(shù)HGI等信息。

總體看，我國煤炭資源豐富，煤類齊全，但各煤類數(shù)量和地理分布差異較大。我國南方以高變質(zhì)無煙煤為主，但含硫分過高。北方以中低變質(zhì)煙煤和褐煤為主；而氣煤-貧瘦煤儲量較少，尤其質(zhì)量好的肥煤、焦煤和瘦煤更少。低階煤(包括褐煤、長焰煤、不黏煤、弱黏煤)主要分布在我國西北和華北，儲量排前三的是陜西、內(nèi)蒙古和新疆。其中褐煤，主要分布在內(nèi)蒙古東部、云南中西部和黑龍江東部地區(qū)，這三省的褐煤保有儲量占全國的96%。遼寧、河北、廣西、山東、吉林、甘肅、四川、新疆等省(區(qū))有少量分布。

中變質(zhì)煙煤(包括氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤)除上海、福建、海南、香港和臺灣外，其余各省都有賦存。其中，保有儲量小于1億t的有北京、廣東、西藏；保有儲量在1億～5億t的有天津、湖北、廣西、浙江；保有儲量在5億～10億t的有江西、甘肅、湖南、吉林；保有儲量在20億～50億t的有寧夏、云南、江蘇、青海、四川、遼寧；保有儲量在50億～100億t的有黑龍江、河北、新疆、河南、內(nèi)蒙古、陜西；保有儲量大于100億t的有山西、安徽、山東和貴州。特別是山西省，不僅儲量很豐富，而且質(zhì)量好，品種齊全，氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤都占有相當大的比例，是我國煉焦用煤的主要基地。

高變質(zhì)煤(包括無煙煤和貧煤)廣泛分布在我國中南、西南、華東南部和山西、河南等地區(qū)。從資源數(shù)量看，我國高變質(zhì)煤主要分布在山西和貴州兩省。山西集中分布在晉東南地區(qū)，貴州集中分布在黔中一帶。兩省高變質(zhì)煤儲量約占全國同類煤的75%。

3.2 水資源大數(shù)據(jù)

當前煤炭產(chǎn)業(yè)對水資源的管理與優(yōu)化比較薄弱，水資源是煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要條件，精心選擇少數(shù)煤水組合條件好的局部地區(qū)對發(fā)展規(guī)劃煤炭產(chǎn)業(yè)起決定作用，因此水資源數(shù)據(jù)的搜集緊密關系著本系統(tǒng)的實用性。水資源數(shù)據(jù)搜集了全國各省市水資源情況，包括基本情況、降水量總量、平均降水量、水資源量、供水量、耗水量、水價等信息。同時編制了全國水資源供應現(xiàn)狀圖、全國煤炭資源、煤化工企業(yè)與水資源分布圖系列圖件。

從流域看，各大流域的水資源分布與地區(qū)分布大體一致，水資源最為豐富的是南方長江區(qū)、西南諸河以及珠江區(qū)，而遼河、海河和黃河區(qū)的水資源普遍匱乏。 從各地區(qū)分布看，總體表現(xiàn)為南方多，北方少，東部多，西部少，山區(qū)多，平原少[1]。我國西藏的水資源總量最大，其次是四川、廣東、云南、廣西、湖南、江西和黑龍江。

3.3 產(chǎn)業(yè)類大數(shù)據(jù)

產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)包括了國內(nèi)煤化工企業(yè)(已建、在建和擬建)的基本情況、產(chǎn)能、投資額、建設階段、工藝路徑、煤炭來源、產(chǎn)品、產(chǎn)量、銷售額、利潤、繳稅額、利稅、噸產(chǎn)品綜合生產(chǎn)成本、噸產(chǎn)品銷售價格、噸產(chǎn)品耗煤量、噸產(chǎn)品耗水量等信息。

煤化工產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀與我國煤炭資源布局相同，主要分布在我國西北和北方，南方地區(qū)主要分布在貴州和安徽。國內(nèi)煤化工企業(yè)(包括已建成、在建和擬建)共有189家，其中絕大多數(shù)分布在內(nèi)蒙古、新疆、陜西、山西等重要產(chǎn)煤大省。

3.4 市場類、電力類等大數(shù)據(jù)

市場類數(shù)據(jù)包括國內(nèi)外權威機構發(fā)布的相關企業(yè)的規(guī)模、結構、布局、股權信息。

電力數(shù)據(jù)包括省份、電廠名稱、經(jīng)度、緯度、發(fā)電裝機容量(kW)、發(fā)電量(萬kW·h)、利用小時、廠用電率、發(fā)電標準煤耗、供電耗用原煤量、發(fā)電耗用原煤量等數(shù)據(jù)。

社會經(jīng)濟類數(shù)據(jù)包括人口規(guī)模、流動人口、老齡化率、基礎設施、城市化率、年齡構成、城市消費力、GDP、居民收入支出、利用GIS系統(tǒng)實現(xiàn)地理邊界的可視化。

環(huán)境數(shù)據(jù)主要指空氣質(zhì)量情況，包括空氣質(zhì)量指數(shù)、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO、PM10等信息。

總之，本數(shù)據(jù)庫為特種煤資源信息系統(tǒng)建設框架提供有力支持，為煤化工產(chǎn)業(yè)布局和規(guī)劃提供單要素和多要素的數(shù)據(jù)支撐。本數(shù)據(jù)庫嚴格按照數(shù)據(jù)庫物理模型和參照完整性規(guī)則，錄入數(shù)據(jù)，控制質(zhì)量。

4 特種煤信息系統(tǒng)主要應用場景

運用大數(shù)據(jù)分析方法、GIS決策支持模型啟動建設特種煤信息系統(tǒng)，空間展示中國特種煤資源分布、煤化工產(chǎn)業(yè)環(huán)境生態(tài)功能區(qū)等信息，系統(tǒng)查詢不同爐型適應的煤炭資源，基本建成具備查詢與輔助決策功能的特種煤信息系統(tǒng)，為煤化工產(chǎn)業(yè)布局以及特種煤的開發(fā)利用提供單要素及多要素支持，有效支撐油氣基礎性公益性地質(zhì)調(diào)查及煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務于國家煤炭清潔利用與產(chǎn)業(yè)升級戰(zhàn)略。

系統(tǒng)模塊功能主要包括資源、產(chǎn)業(yè)、環(huán)境承載力三部分系統(tǒng)可以快速動態(tài)評價特種煤資源家底，從全國級-省級-市級-縣級不同尺度進行特種煤資源信息查詢，通過用戶給定的條件，最小單元查詢到礦區(qū)級，不僅輸出空間分布，并且能綜合分析提取出煤炭資源儲量、煤質(zhì)參數(shù)區(qū)間、煤種、利用現(xiàn)狀、市場價格等信息，還能統(tǒng)計出一個地區(qū)特種煤炭資源的資源儲量、產(chǎn)能等，也可以根據(jù)空間分析和空間傳遞原理，可以實現(xiàn)特種煤產(chǎn)地和消費地之間的多種配置和最短路徑分析，達到節(jié)約運輸時間和運輸費用的目的(圖4)。在目前突出的資源環(huán)境約束、嚴峻的節(jié)能減排形勢下，解決好煤化工產(chǎn)業(yè)的環(huán)境影響問題是該產(chǎn)業(yè)獲得持續(xù)性發(fā)展的必需條件[2]，環(huán)境承載力模塊主要包括水資源承載力和溫室氣體兩部分。

圖4 特種煤信息系統(tǒng)主要功能模塊的劃分

4.1 基于GIS的特種煤空間信息查詢

特種煤資源空間分布查詢涵蓋資源稟賦、資源類型、應用GIS技術將中國已查明的煤炭礦產(chǎn)地的空間位置標注在1∶500萬的地圖上，系統(tǒng)可以快速動態(tài)評價特種煤資源家底，從全國級-省級-礦區(qū)級不同尺度進行特種煤資源信息查詢與空間分布情況，通過用戶給定的條件，最小單元查詢到礦區(qū)級，用戶還可以通過鼠標縮放，查看礦產(chǎn)地周邊地理特征、交通信息、工業(yè)園區(qū)等信息，分多個層次分級展示不同的數(shù)據(jù)層級，逐級渲染，地物表達遵循國家地理信息標準圖例，同時針對特種煤特殊的專題要素如煤化工企業(yè)、電力企業(yè)、制作特殊圖例展示。

4.2 煤化工產(chǎn)業(yè)動態(tài)分析

通過關鍵字查詢，輸入煤化工企業(yè)名稱，該系統(tǒng)不僅能快速定位并空間展示查詢的企業(yè)，同時提供該企業(yè)基本信息，包括項目名稱、所在盟市縣、業(yè)主、產(chǎn)能、投資額、建設階段、投產(chǎn)時間、工藝路徑、煤炭來源、產(chǎn)品、產(chǎn)能等信息。同時系統(tǒng)設定了省市下拉框，用戶可以自行限定區(qū)域查詢。用戶可根據(jù)需求對所提供的煤化工企業(yè)信息進行保存、提取、導出、打印。

4.3 配煤分析

用戶通過關鍵字查詢，快速定位并空間展示所需的煤質(zhì)要求的煤炭資源所在地，為煤化工企業(yè)用戶提供最佳煤炭資源，提供多種解決方案。關鍵字查詢分別按水分、灰分、揮發(fā)分、灰熔點等基本煤質(zhì)要求設置，同時分別對各指標進行上下限限制，用戶根據(jù)自己的用煤需求靈活配置，滿足配合煤質(zhì)質(zhì)量要求，計算出設定范圍內(nèi)允許的全部配方，自動給出成本最低的配煤方案，也可以列出所有配煤方案，精確定位復合用戶要求的煤炭礦區(qū)位置，并具有保存、提取、導出、打印煤炭礦區(qū)屬性的功能。

5 結 語

特種煤信息系統(tǒng)嚴格按照軟件工程的科學研發(fā)流程，在設計階段緊跟國家的經(jīng)濟發(fā)展目標、產(chǎn)業(yè)的需求，針對性的設計各功能模塊，更能有效支撐油氣與能源基礎性公益性地質(zhì)調(diào)查，以及煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從宏觀上對我國特種煤炭資源進行優(yōu)化配置，填補了特種煤資源信息化的空白，并為國家能源消費結構優(yōu)化、煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供基礎信息和數(shù)據(jù)的支撐，最終為保障我國能源安全，推進資源節(jié)約型、生態(tài)文明型、環(huán)境友好型社會的建設，起到現(xiàn)實而重要的意義。

[1] 謝克昌.煤炭資源與水資源[M].北京：科學出版社，2015：40-43.

[2] 李莉，宋嶺.區(qū)域煤化工產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構建思路初探——以新疆為例[J].地域研究與開發(fā)，2010，29(2)：29-33.

Development and application of China special coal information system

ZHAO Ting1，2，3，LIU Chao1，2，3，CHEN Zizhan1，2，3，ZHOU Fengying1，2，3，YAN Qiang2，3

(1.Research Center for Global Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Beijing 100037，China)

The coal industry is a basic industry related to national economic lifelines，under the structure of China's energy consumption is dominated by coal，not only to the development of the energy industry，but also to clean utilization of coal for protect the environment，so it is essential to make scientific decision for the development of clean coal industry.In order to find out the special coal’s resources，and to achieve the goal of clean utilization of coal，based on national reserve utilization survey database，the degree of protection of the database as well as domestic and international authoritative website and other related data，use large data analysis methods，GIS decision support model for the development of special coal information system.Finally，built special coal information system of the only domestic，the top of world，and service users from all，and it is effective support for geological survey of oil & energy and gas and the development of the coal industry.

geographic information system(GIS)；special coal；the coal industry

2017-03-20 責任編輯：宋菲

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項目“全國特種煤資源綜合評價與信息系統(tǒng)建設”資助(編號：DD20160189)；地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項目“能源安全綜合研究與動態(tài)跟蹤評價”資助(編號：DD20160084)

趙汀(1975-)，男，博士，碩士生導師，主要從事數(shù)學地質(zhì)和資源評價研究工作，E-mail：771899460@qq.com。

F407.21；TP311

A

1004-4051(2017)07-0057-04