三維GIS在古城煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造中的應(yīng)用

宋維軍 林 增 楊成友

（山東能源臨礦集團(tuán)通防處，山東 臨沂 276017）

1 概述

2016年12月《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案〉的通知》指出：支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)井下有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合、監(jiān)測(cè)監(jiān)控與GIS技術(shù)的有機(jī)融合。在地面統(tǒng)一平臺(tái)上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位、語音廣播和調(diào)度通訊。但日前的煤礦管理監(jiān)控系統(tǒng)多采用二維工控系統(tǒng)，以二維圖表的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與梳理，數(shù)據(jù)表達(dá)不夠形象直觀，且各子系統(tǒng)獨(dú)立顯示，不利于管理。

隨著科技的日新月異，采用更形象生動(dòng)的三維模擬仿真來還原煤礦生產(chǎn)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等過程已成為煤礦管理監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。煤礦三維全景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是數(shù)字化礦山的一個(gè)重要組成部分，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和三維可視化技術(shù)同時(shí)接入各類監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，直觀、實(shí)時(shí)地顯示人員、設(shè)備和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的動(dòng)態(tài)交互，營造身臨其境的氛圍，從而在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中將煤礦的復(fù)雜環(huán)境和生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行還原，具有身臨其境的效果，無論是專業(yè)人員還是非專業(yè)人員都可以很容易地獲得煤礦安全生產(chǎn)的各種實(shí)時(shí)信息。煤礦三維全景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是具備礦山場(chǎng)景模擬和礦山開采業(yè)務(wù)管理信息化功能的全景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，必將成為越來越多煤礦的首選。古城煤礦作為安全監(jiān)控系統(tǒng)示范化礦井，有必要開發(fā)一套技術(shù)創(chuàng)新、穩(wěn)定可靠，符合國家、省局要求的安全監(jiān)控三維聯(lián)動(dòng)平臺(tái)。如圖1所示。

圖1 礦山三維場(chǎng)景模擬圖

2 系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

3 系統(tǒng)功能

（1）集成現(xiàn)有安全監(jiān)控、人員定位、語音廣播系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，為各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用作鋪墊，為大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)提供數(shù)據(jù)資源。如圖3所示。

（2）根據(jù)已有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，建立聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，利用聯(lián)動(dòng)模型、平臺(tái)進(jìn)行綜合評(píng)測(cè)，為可能產(chǎn)生的安全隱患、重大災(zāi)害信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)已發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)的聯(lián)動(dòng)報(bào)警和應(yīng)急處置。

（3）基于可視化動(dòng)態(tài)仿真模擬平臺(tái)，提供圖形巷道編輯工具，可快速繪制，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能：可通過煤礦提供的CAD巷道數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成三維的仿真巷道；3D設(shè)備的掛接：根據(jù)煤礦的實(shí)際情況，可在已生成的3D巷道基礎(chǔ)上，對(duì)巷道中的各類設(shè)備進(jìn)行“掛接”操作。如圖4所示。

圖4 煤礦井下各巷道數(shù)據(jù)圖

（4）數(shù)據(jù)快速接入：系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，煤礦中各監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)和監(jiān)測(cè)值都可以接入到本系統(tǒng)中來。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)值，能最大程度地模擬整個(gè)煤礦井下各大系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作情況。

（5）分級(jí)聯(lián)動(dòng)。利用聯(lián)動(dòng)模型對(duì)事件進(jìn)行分類處理。多系統(tǒng)多業(yè)務(wù)的智能聯(lián)動(dòng)等級(jí)：

① 設(shè)備與設(shè)備：本地級(jí)決策進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，可直接聯(lián)動(dòng)控制本地設(shè)備，上傳決策和控制信息；

② 人與設(shè)備：系統(tǒng)級(jí)決策，利用多系統(tǒng)數(shù)據(jù)和決策模型進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)人和設(shè)備；

③ 人與人：系統(tǒng)級(jí)+人員干預(yù)，人員需要根據(jù)系統(tǒng)級(jí)決策的結(jié)果，根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行專家參與，共同決策進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

（6）三維聯(lián)動(dòng)應(yīng)急救援。三維展示人員位置，可根據(jù)受災(zāi)位置和影響范圍，計(jì)算人員撤離最優(yōu)方案，并以人員干預(yù)設(shè)置路障進(jìn)行應(yīng)急通道方案預(yù)演。發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，彈出提示框，報(bào)警聲音同時(shí)響起，在設(shè)備、地圖上以“警燈報(bào)警”的方式體現(xiàn)出來。同時(shí)，顯示監(jiān)測(cè)值和環(huán)境數(shù)據(jù)，方便定位和處理；結(jié)合人員定位系統(tǒng)，可查看人員的位置、巷道內(nèi)人員情況、人員運(yùn)行軌跡；與井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，在系統(tǒng)中通過點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)位置上的虛擬攝像頭圖標(biāo)，即可顯示實(shí)時(shí)的井下視頻畫面。如圖5所示。

圖5 三維聯(lián)動(dòng)應(yīng)急救援方案設(shè)計(jì)圖

（7）三維通風(fēng)仿真和風(fēng)網(wǎng)解算

① 實(shí)現(xiàn)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)的互聯(lián)互動(dòng)。

② 實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)按需要分風(fēng)仿真及網(wǎng)絡(luò)增阻調(diào)節(jié)功能。

③ 實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算及通風(fēng)動(dòng)態(tài)模擬功能。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是系統(tǒng)的基本功能之一，在巷道貫通、密閉，通風(fēng)設(shè)施構(gòu)筑后，平臺(tái)自動(dòng)對(duì)整個(gè)風(fēng)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行解算，動(dòng)態(tài)模擬調(diào)整后的風(fēng)網(wǎng)分量分配。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算程序如下：

① 建立風(fēng)網(wǎng)模型、設(shè)置各巷道斷面參數(shù)、摩擦系數(shù)和局部阻力；

② 對(duì)風(fēng)網(wǎng)主扇、輔扇和局扇工況點(diǎn)進(jìn)行分析、選型和仿真；

③ 參照測(cè)風(fēng)報(bào)表數(shù)據(jù)，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行分析和校驗(yàn)；

④ 對(duì)模型進(jìn)行修正。

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整的需要，可在現(xiàn)有風(fēng)網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行：

① 模擬新掘井巷的貫通和巷道廢棄；

② 模擬井巷斷面或長度變化；

③ 模擬風(fēng)門個(gè)數(shù)、位置、調(diào)節(jié)量。

（8）實(shí)現(xiàn)粉塵系統(tǒng)功能擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)的互聯(lián)互動(dòng)。一方面可以進(jìn)行塵源跟蹤和粉塵擴(kuò)散仿真。另一方面結(jié)合員工職業(yè)健康評(píng)價(jià)體系，進(jìn)行員工健康管理。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下粉塵濃度，聯(lián)動(dòng)人員位置信息，有效控制噴霧降塵設(shè)備、除塵風(fēng)機(jī)，根據(jù)粉塵濃度對(duì)人員作業(yè)密集地點(diǎn)進(jìn)行廣播通知。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

4.1 三維多系統(tǒng)融合

借助三維圖形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面工業(yè)廣場(chǎng)、井下巷道、綜采工作面、井下設(shè)備、人員等信息的仿真模擬，并將安全監(jiān)控、人員定位、廣播、通風(fēng)、視頻等各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合在一個(gè)三維畫面中，避免各子系統(tǒng)“各自為政”的情況。同時(shí)提供各類子系統(tǒng)信息的查詢界面，為各級(jí)人員了解井下綜合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及空間信息提供便利的手段。

4.2 GIS相關(guān)算法

借助導(dǎo)入的煤礦CAD平面勘測(cè)圖到三維中，獲取深度后繪制出井下立體巷道網(wǎng)絡(luò)，將GIS中與礦井相關(guān)的最短路徑算法應(yīng)用于距離測(cè)量、避災(zāi)路徑，實(shí)現(xiàn)在對(duì)井下真實(shí)三維空間地理信息分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，將井下各類設(shè)備、人員的空間信息與實(shí)時(shí)狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行綜合分析。

4.3 通風(fēng)決策管理

在三維可視化環(huán)境中通過對(duì)風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)阻、通風(fēng)成本等十幾種數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并設(shè)置顏色圖例，幫助用戶快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解譯；支持任意多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)解算，風(fēng)機(jī)調(diào)速、開關(guān)和反風(fēng)模擬。

4.4 塵源跟蹤和健康決策管理

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉塵濃度，并進(jìn)行塵源跟蹤。通過聯(lián)動(dòng)噴霧降塵設(shè)備和人員信息，有效地降低煤礦粉塵危害和提高人員職業(yè)健康指數(shù)。

4.5 聯(lián)動(dòng)模型及分級(jí)聯(lián)動(dòng)

多系統(tǒng)融合后能綜合評(píng)估煤礦生產(chǎn)安全狀況，利用聯(lián)動(dòng)模型自動(dòng)評(píng)估井下安全狀況，根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。在緊急狀況時(shí)根據(jù)聯(lián)動(dòng)模型能自動(dòng)進(jìn)行預(yù)案處置，減少了預(yù)案響應(yīng)時(shí)間，提高了救援的效率。

通過對(duì)古城礦井下環(huán)境及相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，明確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源，收集相關(guān)資料，包括系統(tǒng)的基本信息、配置情況、使用情況、巷道圖紙以及歷史通風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

在明確了數(shù)據(jù)來源及相關(guān)圖紙等必要數(shù)據(jù)以后，確定獲取所需數(shù)據(jù)的方式及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，進(jìn)而開發(fā)針對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的接口程序；同時(shí)，開發(fā)專用于安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)平臺(tái)的三維展示程序。然后針對(duì)古城礦的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開發(fā)基于三維GIS的平臺(tái)測(cè)試版，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和算法的準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，完成項(xiàng)目的功能及性能驗(yàn)證以及工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。目前，三維GIS在古城煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造中得到了廣泛應(yīng)用。