采煤塌陷地動態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計

王少卿，蔡德水，李新舉

(1.山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東 泰安 271018；2.濟寧市國土資源局，山東 濟寧 272017)

0 引言

礦產資源作為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要儲備資源，對推動城市化建設、基礎設施建設和國防安全起著重要的作用[1]。煤炭是我國的主要能源，占能源消耗的70%以上，在今后相當長的時期內煤炭仍將是我國的第一能源。2014年調查國有與地方煤礦萬噸采煤塌陷率為0.24hm2，由此可見礦山開采塌陷是十分嚴重的，地表沉降塌陷及礦區(qū)采空區(qū)變形觀測迫在眉睫。這種由地下開采引起的損害已不僅僅是個環(huán)境問題，而且影響到礦區(qū)城市的社會穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展[2]。目前我國的大部分礦山依然采用人工的監(jiān)測手段，不僅周期長，其精度受人為因素影響較大，并且耗費大量的人力和物力，制約了礦山的生產和發(fā)展[3]。

現(xiàn)有的塌陷地監(jiān)管系統(tǒng)存在一些不足：系統(tǒng)功能較為單一，僅包括圖像的顯示、分析、校準和查詢統(tǒng)計的功能[4]，或者單純開發(fā)一個GIS應用程序[5]，地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)更新不及時；塌陷區(qū)土地復墾項目沒有一個統(tǒng)一的平臺來進行管理，項目進度無從查看，嚴重拖慢項目進展，不利于礦區(qū)發(fā)展[6]；國土系統(tǒng)各市縣、各部門中存在大量自有的，封閉式架構的管理系統(tǒng)，容易導致信息溝通不暢、部門業(yè)務無法協(xié)同、工作效率低下等問題[7]。

針對上述不足，充分考慮塌陷地監(jiān)管系統(tǒng)中的用戶需求和系統(tǒng)功能[8]，設計一個塌陷地監(jiān)測管理系統(tǒng),利用ArcGISEngine10.2和VisualStudio2010進行監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)對礦區(qū)地表沉降數(shù)據(jù)的定時采集、自動快速傳輸、實時人工處理、監(jiān)測信息可視化以及統(tǒng)一管理、項目全過程管理、塌陷預測警報的功能[9]，有利于相關部門和礦山企業(yè)科學、快速作出判斷，有效減少發(fā)生事故的可能性[3]。

1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的選擇

ArcGIS Engine是一個創(chuàng)建定制的GIS桌面應用程序的開發(fā)產品，可根據(jù)用戶要求定制開發(fā)特定功能的GIS程序。該系統(tǒng)開發(fā)語言選擇.NET平臺下的C#語言，C#語言簡單易學，通用性好，而且目前極其成熟的.NET4.0FrameWork為 C#語言增加了更多的功能[10]。所以筆者選擇的是ArcGISEngine10.2版本以及VisualStudio2010作為開發(fā)平臺。Arc SDE是ArcGIS的空間數(shù)據(jù)庫引擎，Arc SDE將空間數(shù)據(jù)和相關的屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一放在工業(yè)標準的DBMS下進行管理,支持多用戶并發(fā)訪問操作[11]。經(jīng)過綜合考慮，DBMS選擇微軟的SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。SQL Server經(jīng)過多代發(fā)展，已經(jīng)衍生出不同的版本，適合各類企業(yè)使用。因此，該系統(tǒng)采用Arc SDE作為空間數(shù)據(jù)庫引擎，DBMS選擇與Visual Studio配套的MS SQL Server2008。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境見圖1。

表1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

2 系統(tǒng)總體結構

2.1 系統(tǒng)目標

該系統(tǒng)的設計要達到幾個目標：①數(shù)據(jù)處理中心工作人員能高效地對塌陷地監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行日常管理，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析、更新；②系統(tǒng)能夠實時查詢塌陷情況，定時更新的數(shù)據(jù)以及存儲的歷史數(shù)據(jù)；③統(tǒng)計出圖功能，生成各種沉降等值線圖、塌陷地監(jiān)測點分布圖等圖件[11]，并能自動生成各種統(tǒng)計報表；④能夠對塌陷地整治項目進行全過程管理，隨時查看項目進度，提高效率；⑤管理系統(tǒng)用戶的功能，包括用戶權限、用戶角色管理的功能。

所以，設計的整個系統(tǒng)的功能有：GIS基本的功能，數(shù)據(jù)管理功能，實時查詢塌陷情況功能，項目全過程管理功能，預測預警功能，用戶管理功能，出圖功能，以及數(shù)據(jù)實時傳輸更新功能。

2.2 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)總體分為①UI界面(人機交互界面)。②基礎軟硬件層，提供硬件設施(服務器、電線、電纜、計算機等)，基礎軟件(計算機操作系統(tǒng)、服務器操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡，以及相應基礎應用軟件)。③框架服務層(安全體系和標準規(guī)范體系等)。④監(jiān)測系統(tǒng)層：基本功能模塊，查詢功能模塊，用戶管理模塊(管理數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)功能的添加刪除)預測預警模塊，項目全過程管理模塊，決策支持模塊，統(tǒng)計出圖模塊。⑤數(shù)據(jù)支持層(提供數(shù)據(jù)支持，存儲數(shù)據(jù))?？傮w架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.3 系統(tǒng)運行流程

(1)數(shù)據(jù)采集：采集實地監(jiān)測站(點)等實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，人工下載相應的數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)處理：采集后的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，通過人工方式進行處理。

(3)數(shù)據(jù)入庫：處理后的數(shù)據(jù)按照屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)分別錄入相應數(shù)據(jù)庫，進行更新操作。

(4)其他功能：監(jiān)管部門、礦山企業(yè)用戶通過人機交互界面使用監(jiān)測管理系統(tǒng)，對塌陷情況進行查詢，同時可以實現(xiàn)基本的GIS功能；如果想對任意監(jiān)測站(點)進行塌陷情況分析預測，可使用預測預警模塊進行預測，通過設置經(jīng)驗值的閾值實現(xiàn)預警功能[12]；管理員可通過管理員界面進入，對系統(tǒng)進行日常維護，對用戶進行添加、刪除、修改信息操作，通過項目全過程管理模塊可以對各個項目情況進行隨時查看，統(tǒng)計塌陷地面積，打印各種圖表等可以通過統(tǒng)計出圖模塊進行操作(圖2)。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2.4 數(shù)據(jù)源的選擇

需要的塌陷地監(jiān)測數(shù)據(jù)有：

實時數(shù)據(jù)：遙感數(shù)據(jù)，InSar數(shù)據(jù)，外業(yè)觀測數(shù)據(jù)(全站儀，水準儀)，監(jiān)測網(wǎng)絡平差觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)測網(wǎng)絡移動變形值數(shù)據(jù)。

人工處理數(shù)據(jù)：表面位移分析數(shù)據(jù)，形變速率數(shù)據(jù)，斷面變形分析數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)，InSar數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)。

歷史數(shù)據(jù)：遙感數(shù)據(jù)，InSar數(shù)據(jù)，外業(yè)觀測數(shù)據(jù)，基本信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操作日志數(shù)據(jù)，監(jiān)測網(wǎng)絡基本信息數(shù)據(jù)，地質開采資料[7]。野外實地調查拍攝的塌陷區(qū)樣片、國土資源局、各相關單位發(fā)布的年份統(tǒng)計資料等[13]。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)界面

監(jiān)測系統(tǒng)界面左側是目錄樹，可以查看各個子模塊里的詳細信息，在系統(tǒng)界面最上方是各個系統(tǒng)子模塊按鈕，系統(tǒng)基本功能在各個系統(tǒng)子模塊按鈕下方；系統(tǒng)界面中部是地圖視圖，用來展示功能的詳細信息。系統(tǒng)界面詳見圖3。

圖3 系統(tǒng)界面圖

3.2 基本功能模塊

縮小、放大、平移、區(qū)域縮放、鷹眼。該模塊目的是實現(xiàn)GIS基本功能，例如添加刪除、放大、縮小、漫游等地圖操作功能。鷹眼功能方便用戶隨時了解當前圖形縮放區(qū)域在整個地圖中的位置。

3.3 查詢功能模塊

實時查詢塌陷情況，查詢歷史塌陷情況、屬性和空間查詢。通過與實地監(jiān)測設備的連接(井下傳感器、水準儀、全站儀)，或者從指定網(wǎng)址下載的InSar數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)進行人工處理分析傳輸至數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫訪問實時監(jiān)測數(shù)據(jù)或者歷史數(shù)據(jù)，能夠實時查詢塌陷地的塌陷情況，分為省、市、縣(區(qū))3個級別，點擊界面上的相應級別圖標，就可以顯示相應的信息，如監(jiān)測站(點)位置、編號、實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)等。

3.4 預測預警模塊

該模塊分為以下幾部分：預測參數(shù)管理、預測結果顯示、預警警報。

(1)預測參數(shù)管理：預測參數(shù)管理是由管理員實現(xiàn)的，可以對參數(shù)進行添加、刪除、編輯，這幾個按鈕在系統(tǒng)界面下方。

(2)預測結果顯示：在預測模型的選擇上，該系統(tǒng)采用吳侃的開采沉陷時序一體化計算機實施模型(以下沉為例)，設某一工作面在ts時刻起開始回采，到te時刻結束，開采速度為v，要預計地表點P在t時刻的下沉。則P點在t時刻的下沉wpt(x，y)，采用疊加的方法求得：

Wpt(x,y)=∑wit(x,y)=∑wio(x,y)(1-egi(t-tt))

(i=1,2,…,m)

式中：m為切分的平行于工作面的小矩形工作面數(shù)目；ti為第i個小矩形工作面的開采時刻；gi為采深，同理可求得其他移動變形值[14]。輸入?yún)?shù)之后各個監(jiān)測點的塌陷預測結果；在預測預警模塊中通過調用提前編寫好的概率積分法的模型，選擇相應的監(jiān)測站點，輸入?yún)?shù)，用計算機進行運算得到開采沉陷的下沉等曲線圖。選擇的參數(shù)有：控制數(shù)據(jù)(工作面?zhèn)€數(shù)、預計點個數(shù)等)，工作面數(shù)據(jù)(開采時間數(shù)據(jù)、采厚、回采速度等)、預計點數(shù)據(jù)(預計點坐標、預計方向)[14]。

(3)預警警報：預警警報由塌陷地監(jiān)測系統(tǒng)對變形位移信息分析，根據(jù)地表位移信息之間響應關系的經(jīng)驗值進行決策預警。通過設置經(jīng)驗值的閾值，可以設置多級閾值，多級閾值對應不同解決措施：正常施工，采取加固措施，停止施工并立即警報[15]。報警時間可以設置警報持續(xù)時間[15]，可以手動取消報警，也可以自動取消報警。警報子系統(tǒng)根據(jù)預報分析軟件可以自動通過無線網(wǎng)絡、手機、廣播等手段向煤礦企業(yè)、當?shù)卣劝l(fā)布危險警報信息[12]。

3.5 項目全過程管理模塊

每個項目下都有5個步驟：分別是項目踏勘，項目可行性研究分析[16]，土地復墾規(guī)劃設計[17]、施工、竣工驗收。

(1)項目踏勘：土地破壞程度(塌陷類型、積水狀況)，土地穩(wěn)定性(地形坡度、地下水埋深)，土地質量(灌排條件、土層厚度、土壤質地、土壤鹽分)，工程適宜性(道路通達性、田地平整度)[18]。

(2)可行性研究分析：項目概況(要求包括名稱、建設地點、報告編制單位、項目建設背景、規(guī)模、范圍、內容、目標、周期)，項目建設地概況(自然資源、社會經(jīng)濟條件，土地利用、基礎設施情況)，資金狀況(投資估算、投資規(guī)模、資金來源、財務分析)，效益分析(經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境)[19]。

(3)規(guī)劃設計：井下開采范圍與地質條件，確定規(guī)劃區(qū)域范圍；確定規(guī)劃時間；選擇土地利用方向與復墾工程措施；制定分類、分區(qū)、分期復墾方案；復墾規(guī)劃方案的優(yōu)化論證；投資效益預測；關于影響復墾工程實施的相關問題與解決方法說明。

(4)施工：制定實施方案、公告，同時對施工質量，施工進度進行監(jiān)督。

(5)竣工驗收：項目承擔人竣工驗收要寫出自查報告并提交初驗申請至初驗部門，初驗部門在經(jīng)過實地初驗后寫出初驗意見，合格的轉交給終驗部門，由終驗部門進行終驗，終驗合格的，頒發(fā)合格證或下發(fā)批準文件。該模塊包括自查報告提交，初驗申請?zhí)峤唬躜灪细?，終驗合格。

3.6 系統(tǒng)管理模塊

該模塊分為以下幾部分：用戶管理、角色管理、系統(tǒng)菜單管理、密碼修改、操作日志管理。

(1)用戶管理：系統(tǒng)的使用者是國土資源部門用戶和礦山企業(yè)用戶。國土資源用戶分為廳級用戶、部門用戶、辦公室用戶以及個人用戶。礦山企業(yè)用戶分為部門用戶、辦公室用戶和個人用戶。用戶管理模塊實現(xiàn)的是添加、刪除用戶，編輯、查詢用戶信息。

(2)角色管理：通過對不同層次用戶操作權限的分配，可以保證不同角色擁有不同權限的操作； 這幾個按鈕在界面下方，該模塊只能由各級管理員實現(xiàn)?？v向上部門可以修改自己下屬辦公室的信息，但在橫向上，不同部門，不同辦公室無權修改其他部門以及其下屬辦公室的用戶內容；錄入的個人信息至少要包含以下信息：姓名、性別、出生年月、所屬部門/辦公室；部門的錄入信息只要名稱即可，辦公室錄入的基本信息要求有所屬部門、辦公室名稱。

(3)其他功能：包括菜單管理、密碼修改、操作日志管理。菜單管理是對系統(tǒng)功能進行添加、刪除，查詢各個模塊的子功能，該模塊只能由管理員實現(xiàn)；密碼修改是所有用戶都可以實現(xiàn)的。系統(tǒng)操作日志管理功能，用于保存系統(tǒng)日常運行時的操作日志數(shù)據(jù)，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時維修人員查看，快速修復系統(tǒng)，另外，還可以增加、刪除預測模型的參數(shù)類型。

3.7 統(tǒng)計出圖模塊

(1)統(tǒng)計功能：該模塊統(tǒng)計塌陷地面積，以及通過對比塌陷前的遙感影像圖，識別出塌陷區(qū)域塌陷前土地類型?？梢允?、市、縣為單位，統(tǒng)計省級塌陷地面積，市級塌陷地面積，縣級塌陷地面積。

(2)出圖功能：沉降等值線圖、塌陷預測圖、塌陷區(qū)域塌陷前土地類型、塌陷歷史數(shù)據(jù)。塌陷地土地復墾項目基本信息等數(shù)據(jù)進行出圖打印，打印出圖功能可以導出圖片，CAD文件，Excel表格并且可以實現(xiàn)地圖裁剪功能[20]。

3.8 數(shù)據(jù)實時采集更新功能

為實現(xiàn)動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息，設計了符合工業(yè)標準的數(shù)據(jù)傳輸模式。整個流程分為數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)處理分析—數(shù)據(jù)入庫4部分。

(1)數(shù)據(jù)采集：InSar數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)，地面監(jiān)測數(shù)據(jù)[水準儀、全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)(高程、高差數(shù)據(jù)、監(jiān)測點水平移動值、監(jiān)測沉降值等)]，礦井下傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)(巖移數(shù)據(jù)等)，InSar數(shù)據(jù)，遙感影像數(shù)據(jù)從相應網(wǎng)站下載，GPS接收機負責定位監(jiān)測點。

傳感器：GPS接收機，GPS大地測量型天線，井下傳感器。在數(shù)據(jù)傳輸部分，采用無線數(shù)據(jù)傳輸和有線數(shù)據(jù)傳輸2種方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸:①無線傳輸，每個地表監(jiān)測點為一個數(shù)據(jù)采集點，將監(jiān)測點對應的井下傳感器數(shù)據(jù)進行打包傳遞給串口服務器，通過無線網(wǎng)橋的方式把打包的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)中繼中心，數(shù)據(jù)中繼中心再把各個監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理中心處理分析[21]。②有線傳輸， 傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過地表監(jiān)測點打包，通過光纜傳輸，串口服務器進行信號轉換，轉換成網(wǎng)絡信號并通過網(wǎng)口傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進行處理分析[21]。

(2)數(shù)據(jù)處理：(原始數(shù)據(jù)采集后處理、數(shù)據(jù)檢驗、數(shù)據(jù)分析、預警)變形監(jiān)測軟件處理GPS數(shù)據(jù)，先由變形監(jiān)測軟件實時處理監(jiān)測點和基準站觀測數(shù)據(jù)解算出各監(jiān)測點與基準站之間的相對空間位移變形量。

數(shù)據(jù)采集后處理：通過礦區(qū)井內布設的傳感器，礦區(qū)井上設置的水準儀，全站儀實時傳輸數(shù)據(jù)，在相關網(wǎng)站下載InSar數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)，通過人工方式進行原始數(shù)據(jù)采集后處理，實現(xiàn)對實時采集的數(shù)據(jù)進行初步轉換處理；數(shù)據(jù)檢驗，主要對采集數(shù)據(jù)進行邏輯合理性判讀和篩選，對明顯錯誤的數(shù)據(jù)進行刪除，以免影響數(shù)據(jù)分析的結果；數(shù)據(jù)分析，主要功能有表面位移分析、形變速率分析、斷面變形分析等[21]。

(3)數(shù)據(jù)入庫：存儲進設計好的數(shù)據(jù)庫。

4 討論

礦區(qū)塌陷地監(jiān)測管理系統(tǒng)初步設計完成，但是系統(tǒng)的建設是一個龐大且復雜的過程，該系統(tǒng)初步設計之后還有幾個需要討論的問題：

4.1 數(shù)據(jù)傳輸方案有待討論

雖然設計了數(shù)據(jù)傳輸方案，但是目前只有礦區(qū)內傳感器可以實現(xiàn)實時自動傳輸數(shù)據(jù)，礦區(qū)內其余監(jiān)測設備如水準儀、全站儀，目前還必須要人工進行數(shù)據(jù)采集，勢必會影響監(jiān)測管理系統(tǒng)的使用。數(shù)據(jù)的傳輸方案中具體的事項還未敲定，例如傳感器布置，無線傳輸與有線傳輸如何分配，該采用何種通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡需要的硬件設施，傳輸軟件的設計等。

4.2 數(shù)據(jù)的備份與恢復

該系統(tǒng)中系統(tǒng)管理模塊為提高系統(tǒng)的安全性，設置了不同的訪問權限，保證了系統(tǒng)縱向和橫向上各層次信息不會被隨意修改，并且建立安全體系，有效防止對該系統(tǒng)的惡意攻擊。但是，針對一些決策失誤，操作不當?shù)纫鸬囊馔馊缯`刪數(shù)據(jù)，還沒有建立一個有效的數(shù)據(jù)備份恢復功能。

4.3 預測模型的參數(shù)選擇

關于參數(shù)的選擇，要根據(jù)塌陷地的實際情況來決定，例如拐點偏移距L、影響角正切tgα、沉陷系數(shù)p、影響半徑r及水平移動系數(shù)i等這些預計參數(shù)，需要礦體地質賦存條件、巖體力學參數(shù)和采礦方法、影響半徑r、地表監(jiān)測點最大下沉值Xmax、礦體垂線采厚m在豎直方向投影長度、水平移動最大值Z0、下沉最大值X0等參數(shù)來計算[22]，應該依據(jù)精度要求來進行預計參數(shù)的選擇。

4.4 與現(xiàn)有單位基礎設施的對接

該文設計的是一個獨立的系統(tǒng)，與目標企事業(yè)單位的基礎設施的對接必不可少。建設好的系統(tǒng)封裝為標準的服務在現(xiàn)有的服務總線上注冊即可供其他業(yè)務系統(tǒng)調用，建好的系統(tǒng)就可以使用在服務總線上注冊的數(shù)據(jù)存儲更新等服務。所以，在系統(tǒng)發(fā)展過程中，要與目標單位溝通，使用何種服務總線、軟件架構、開發(fā)平臺。

5 結論

此次采煤塌陷地監(jiān)測管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下功能和目標：

(1)管理層能高效地對礦井塌陷情況進行日常管理，主要包括塌陷地監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入、瀏覽、查詢、編輯、更新。

(2)系統(tǒng)能從空間上對塌陷地數(shù)據(jù)進行可視化管理，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫與屬性庫的自由訪問。

(3)生成各種沉降等值線圖、塌陷地監(jiān)測點分布圖等圖件，并能自動生成各種統(tǒng)計報表并輸出，例如塌陷地土地復墾項目相關文件打印，及時更新潛在塌陷安全隱患監(jiān)測數(shù)據(jù)及危險源實時傳輸?shù)谋O(jiān)控數(shù)據(jù)以及處理后的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

(4)能夠對采煤塌陷地沉陷情況進行預測，并設計預警功能，設置不同閾值，對應不同解決措施。

(5)塌陷地監(jiān)測數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)脑O計，采用無線和有線混合使用的方式，因地制宜。

(6)對塌陷地土地復墾項目進行全過程管理，隨時查詢項目進度，提高項目進展速度。

(7)實現(xiàn)了用戶管理，權限管理，系統(tǒng)菜單管理的功能，一定程度上保證了系統(tǒng)的安全性。