基于GIS的大型煤炭企業(yè)儲量圖形管理系統(tǒng)設計技術(shù)

陳漢章

(神華信息技術(shù)有限公司，北京 100011)

大型煤炭企業(yè)煤炭資源具有分布廣、數(shù)量大、管理層級多的特點，采用傳統(tǒng)方式難以滿足管理需求。煤炭資源管理的信息化建設對于提升企業(yè)的精細化管理水平，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，意義重大[1]。目前煤炭企業(yè)采用的傳統(tǒng)儲量管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了各礦井儲量信息向集團總部的匯總填報，但是由于缺少儲量位置分布信息及隨時間變化信息，存在以下問題：①礦井儲量管理用戶層面，缺少儲量制圖、輔助計算等功能，無法滿足儲量日常業(yè)務需求；②集團儲量管理層面，儲量算量、繪圖方法缺少統(tǒng)一規(guī)范，各礦井儲量信息填報存在湊數(shù)問題，難以保證數(shù)據(jù)準確性；③企業(yè)經(jīng)營分析層面由于缺少礦圖信息，無法有效對礦權(quán)規(guī)劃、開采計劃等決策提供支撐[2]。煤炭資源的賦存、變化情況都有具體的空間位置，因此基于地理信息系統(tǒng)建設儲量圖形管理系統(tǒng)，真實反映煤炭資源儲量變化，是解決大型煤炭企業(yè)資源精細化管理問題的有效手段。

1 儲量圖形管理系統(tǒng)設計

1.1 設計思路

根據(jù)《生產(chǎn)礦井儲量管理規(guī)程(試行)》規(guī)定，生產(chǎn)礦井儲量管理工作的主要任務是“定期測算并上報儲量的變化及開采、損失情況，為礦井生產(chǎn)建設提供技術(shù)依據(jù)；進行儲量報損、注銷、地質(zhì)及水文地質(zhì)損失、轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入的呈報和審批工作”等[3]。實際工作中，各級別保有儲量，儲量的開采與損失，儲量增減等均應在儲量圖、損失量圖中圈定、計算并標注。鑒于煤礦儲量均基于位置圖形進行管理，本文基于GIS海量空間數(shù)據(jù)管理、圖形屬性結(jié)合、反映空間位置變化等特性，提出了“以圖管礦，以圖管量、圖數(shù)一致、動態(tài)管理”的儲量圖形管理系統(tǒng)解決方案，滿足大型煤炭企業(yè)多層級儲量圖形化管理業(yè)務問題[4]。

煤炭企業(yè)傳統(tǒng)儲量管理、上報流程如圖1所示：儲量管理人員手工管理儲量損失量臺賬，使用CAD工具制儲量圖、損失量圖等圖件，進行儲量計算，根據(jù)計算結(jié)果手工編制儲量報表。使用傳統(tǒng)儲量填報系統(tǒng)填報信息，由礦領導審核后，匯總至集團總部，供集團領導與管理人員統(tǒng)計查看。

儲量圖形管理系統(tǒng)解決方案：用戶基于GIS圖形編輯平臺完成儲量、損失量、動用量圈定，輔助進行儲量計算，并利用GIS圖屬關聯(lián)實現(xiàn)儲量、損失量臺賬與對應圖形關聯(lián)，制圖完成后，動態(tài)匯總生成儲量報表；利用GIS空間庫存儲管理儲量圖形數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)各礦井空間數(shù)據(jù)與集團空間數(shù)據(jù)的同步，實現(xiàn)礦→公司→集團基于礦圖的儲量審批，保證儲量數(shù)據(jù)準確性；基于時態(tài)GIS和GIS礦圖發(fā)布，各級儲量管理人員可實時動態(tài)查看儲量變化情況?；谏鲜鏊枷耄蓪崿F(xiàn)真實準確、實時動態(tài)管理儲量信息，達到“以圖管礦、以圖管量、圖數(shù)一致、動態(tài)管理”的目的。

圖1 儲量圖形管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)儲量填報系統(tǒng)業(yè)務流程對比

1.2 技術(shù)架構(gòu)設計

建立大型煤炭企業(yè)儲量圖形管理系統(tǒng)，首先要建立儲量數(shù)據(jù)標準，統(tǒng)一儲量管理業(yè)務流程，制定企業(yè)儲量礦圖規(guī)范，將各類儲量業(yè)務數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一地理空間參考，相同的屬性結(jié)構(gòu)納入GIS空間數(shù)據(jù)庫進行管理。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)示意圖

儲量圖形系統(tǒng)整體分為數(shù)據(jù)層和應用層：數(shù)據(jù)層主要包括中心數(shù)據(jù)庫和客戶端數(shù)據(jù)庫：中心數(shù)據(jù)庫部署在企業(yè)總部，分為空間數(shù)據(jù)庫和關系型業(yè)務數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了各礦井采掘工程平面圖，儲量圖等圖形及業(yè)務信息全集團統(tǒng)一集中存儲，滿足儲量圖形管理的同時為企業(yè)規(guī)劃設計、生產(chǎn)管理各環(huán)節(jié)提供決策依據(jù)；客戶端數(shù)據(jù)庫分布在各煤礦，存儲礦井空間信息。數(shù)據(jù)層實現(xiàn)儲量空間數(shù)據(jù)的高效、集中、統(tǒng)一存儲。

應用層分為礦山儲量圖形模塊和遠程儲量模塊。企業(yè)總部部署遠程儲量模塊，采用B/S架構(gòu)，基于時態(tài)GIS平臺、報表平臺、統(tǒng)一身份認證等實現(xiàn)儲量統(tǒng)計分析、礦圖瀏覽、數(shù)據(jù)審核等功能，供企業(yè)總部和二級公司使用[5]；各煤礦部署礦山儲量圖形模塊，該模塊為基于組件式GIS開發(fā)框架的C/S客戶端，實現(xiàn)了儲量計算、制圖、信息上報等功能供煤礦儲量用戶使用[6]。煤礦數(shù)據(jù)存儲在客戶端空間數(shù)據(jù)庫中，并通過空間數(shù)據(jù)同步技術(shù)復制到集團總部的空間數(shù)據(jù)庫中，遠程儲量管理模塊讀取集團總部的空間數(shù)據(jù)庫和關系型業(yè)務數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進行儲量圖件和數(shù)據(jù)展示。通過應用層礦山儲量圖形模塊、遠程儲量管理模塊兩級部署方式，滿足大型煤炭企業(yè)各級管理人員儲量管理業(yè)務需求。

2 關鍵技術(shù)實現(xiàn)

建立煤炭企業(yè)統(tǒng)一的儲量圖形管理系統(tǒng)實現(xiàn)分級管理需求，有以下技術(shù)問題需要解決。在數(shù)據(jù)層面：規(guī)范數(shù)據(jù)標準，完成海量空間數(shù)據(jù)的收集和處理從而保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；企業(yè)下屬礦井分布廣，要解決跨地域的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲問題；為保證數(shù)據(jù)一致性、及時性，需要實現(xiàn)礦井客戶端空間庫與總部中心空間數(shù)據(jù)庫的同步更新機制。在應用層面：煤礦人員習慣使用傳統(tǒng)AutoCAD軟件“命令行”+“菜單”操作方式進行礦圖繪制，而GIS平臺編輯功能相對復雜，如何在GIS平臺上實現(xiàn)這些操作功能以滿足煤礦用戶的習慣是平臺層需要解決問題；如何實現(xiàn)快速、豐富的展示效果，給用戶提供必要的儲量圖形分析功能，并能展示與時間相關的空間信息變化情況[7]。本文儲量圖形管理系統(tǒng)基于GIS平臺，研究解決上述兩方面問題的關鍵技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)層關鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.1.1 數(shù)據(jù)標準規(guī)范與數(shù)據(jù)處理

各種儲量相關礦圖是礦井儲量管理的主要成果，是儲量管理中的重要基礎資料。為了規(guī)范儲量管理工作，同時確保儲量圖形管理系統(tǒng)能夠順利推廣，依據(jù)煤炭相關制圖標準，結(jié)合煤炭企業(yè)生產(chǎn)實際制定《礦山儲量圖形規(guī)范》企業(yè)標準，統(tǒng)一企業(yè)內(nèi)各類儲量相關圖件圖件制作的標準。該標準包括分類標準、命名規(guī)范、上報周期規(guī)范、編碼標準、分層標準、要素屬性標準、符號化標準等[8]。受篇幅限制，本文主要介紹“命名規(guī)范及上報標準”：儲量相關圖件包含礦井資源儲量計算圖、礦井損失量計算圖、礦井采掘(剝)工程平面圖、礦井三量計算圖。4類圖件命名、上報級別、頻率、用途、適用范圍見表1。

表1 儲量相關圖件分類及上報周期規(guī)范

大型煤炭企業(yè)原始礦圖及儲量臺賬數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)實施階段需要將礦圖數(shù)據(jù)按照《儲量圖形編制規(guī)范》進行數(shù)據(jù)處理和標準化。為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，需制定數(shù)據(jù)加工處理流程及質(zhì)量管理標準。礦圖數(shù)據(jù)處理經(jīng)過資料收集、數(shù)據(jù)檢查、坐標校正、屬性數(shù)據(jù)提取錄入、格式轉(zhuǎn)換、成果入庫、用戶接收確認等多個環(huán)節(jié)，由質(zhì)量管理人員負責過程質(zhì)量管理、系統(tǒng)開發(fā)人員進行數(shù)據(jù)合規(guī)性檢查、最終礦井用戶進行業(yè)務確認，多個環(huán)節(jié)控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證了系統(tǒng)中原始儲量礦圖信息的準確性。

2.1.2 基于空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲應用

大型煤炭企業(yè)具有礦井分布廣的特點，礦井的原始礦圖均為平面投影，如果采用投影坐標系，各礦井投影帶號均不相同，按投影的方式進行數(shù)據(jù)存儲會造成一類要素按分帶分為不同的圖層，為企業(yè)總部信息統(tǒng)計帶來困難。為此，在企業(yè)總部空間數(shù)據(jù)采用經(jīng)緯度實現(xiàn)同一類要素單表存儲，而不是以投影坐標分表存儲[9]。各礦的礦圖以高斯克呂格3度帶投影進行處理，各礦空間數(shù)據(jù)入空間庫需要轉(zhuǎn)換經(jīng)緯度后進行存儲，同時保存帶號，坐標范圍等信息；數(shù)據(jù)展現(xiàn)時，需要從空間庫讀取空間數(shù)據(jù)和帶號等信息，動態(tài)投影轉(zhuǎn)換為平面坐標系方式展現(xiàn)，保證各礦礦圖展現(xiàn)與原始坐標系一致。采用該技術(shù)手段實現(xiàn)了煤炭企業(yè)各區(qū)域礦圖集中存儲，準確展現(xiàn)的同時，可高效提取礦圖屬性信息，實現(xiàn)煤炭企業(yè)總部、二級公司、礦井數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.1.3 基于多版本空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)增量更新

煤炭企業(yè)各類儲量礦圖數(shù)據(jù)集中存儲在企業(yè)總部部署的中心空間數(shù)據(jù)庫中，中心空間庫存儲了各礦井數(shù)據(jù)，作為主版本，各礦井客戶端數(shù)據(jù)庫中存儲空間數(shù)據(jù)副版本[10]。中心空間數(shù)據(jù)庫采用商業(yè)空間數(shù)據(jù)引擎與ORACLE數(shù)據(jù)庫進行存儲，支持海量空間數(shù)據(jù)存儲訪問；客戶端數(shù)據(jù)庫采用基于Acess的小型空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，容量為10GB，支持礦井用戶離線編輯礦圖?；诎姹镜臄?shù)據(jù)增量更新流程如圖3所示：①礦井每次提交完成后，礦端副版本與中心端主版本數(shù)據(jù)一致；②礦井用戶每月編輯礦端副版本礦圖數(shù)據(jù)，所有對地理要素的增加、刪除、合并等編輯操作均在單獨的增量變化表中存儲；③礦井用戶完成編輯后，提交審核，發(fā)起向集團中心庫中主版本同步，將要素增量變化表數(shù)據(jù)上傳至中心空間數(shù)據(jù)庫；④中心庫主版本根據(jù)礦井編號，礦井增量變化表數(shù)據(jù)，對中心庫版本進行更新，保證中心庫該礦井數(shù)據(jù)與礦端副版本數(shù)據(jù)一致；⑤中心庫返回更新成功信息，礦端副版本中增量變化表數(shù)據(jù)合并入副版本，更新完畢。

圖3 空間數(shù)據(jù)增量更新技術(shù)原理

由于采用了版本技術(shù)，礦井向集團提交時采用增量更新方式，只更新發(fā)生變動的圖形要素，減少數(shù)據(jù)更新量，保證了數(shù)據(jù)更新效率。同時，采用版本機制，可支持多人同時協(xié)同編輯提交數(shù)據(jù)。

2.2 應用層關鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.2.1 基于時態(tài)GIS的儲量動態(tài)變化

儲量監(jiān)管需要跟蹤分析資源隨時間的空間變化情況，為此引入了時態(tài)GIS技術(shù)。系統(tǒng)中所有空間數(shù)據(jù)存儲采用了記錄級的時間戳，在地理要素記錄發(fā)生變化事件時，將當前要素記錄標記時間戳，然后復制出新的變化后要素記錄并更新為新的時間戳，從而可以查到每個地理要素的時序視圖[11]。該方法實現(xiàn)了時態(tài)GIS的同時，減少了冗余數(shù)據(jù)的存儲(不變化的數(shù)據(jù)不增加冗余存儲)，查詢效率較高。系統(tǒng)具有歷史回朔功能，某煤礦單一煤層2017年上半年和2017年下半年開采與保有儲量塊段變化情況如圖4所示。

圖4 基于時態(tài)GIS的儲量動態(tài)變化展示

2.2.2 基于組件式GIS開發(fā)的圖形編輯平臺

礦山技術(shù)人員制圖普遍使用AutoCAD軟件，為貼近用戶習慣，礦山儲量圖形模塊設計引入了組件式GIS開發(fā)技術(shù)，如圖5所示，自底向上共有五層，每一層自行開發(fā)了類庫和組件庫。實現(xiàn)了許多底層編輯、操作、控制功能。在此框架基礎上開發(fā)了類似AutoCAD的命令行+菜單多種操作編輯方式，滿足用戶使用習慣?？蚣茉O計為跨平臺，目前能夠跨GIS平臺使用。 組件式GIS框架支持快速、靈活界面功能搭建[12]。

由圖5可知，儲量圖形管理系統(tǒng)礦山儲量模塊除了有和GIS和CAD類似的菜單欄、圖層窗口、地圖窗口，還增加了命令窗口和特性窗口，命令窗口能夠執(zhí)行輸入的命令，展示命令執(zhí)行過程中的提示信息，并記錄命令執(zhí)行的歷史，特性窗口用于展示、修改要素屬性。常用編輯命令與AutoCAD類似，界面操作最大程度符合用戶操作習慣。

2.2.3 基于開源GIS的礦圖發(fā)布與展示

煤礦采掘工程平面圖、儲量圖內(nèi)容豐富，符號復雜，為實現(xiàn)礦圖遠程發(fā)布與高效展示，儲量遠程監(jiān)管模塊基于GeoServer作為地圖服務發(fā)布和管理平臺，實現(xiàn)礦圖的配置，優(yōu)化和發(fā)布，并為遠程圖件展示提供服務接口，同時支持遠程圖件客戶端展示的API請求[13]。

系統(tǒng)客戶端展示層面基于Openlayers技術(shù)，能夠加載儲量數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)頁展示儲量信息和采損信息，具有豐富的展示效果：①符號渲染：針對礦山儲量業(yè)務，提供專業(yè)圖形符號庫，生動準確地展示了儲量信息；②查詢檢索：基于屬性和空間位置進行查詢，實現(xiàn)了對儲量塊段，采動范圍的查詢及定位；③地理處理：調(diào)用地理處理服務，實現(xiàn)面積測量，距離測量等功能運算[14]。

圖5 組件式GIS開發(fā)框架與效果展示

3 應用實例

本文提出的設計思路與關鍵技術(shù)已在原神華集團實際應用，基于圖形遠程動態(tài)監(jiān)管五十余家礦井數(shù)百個煤層一千余個工作面儲量信息。建立了《儲量圖形編制規(guī)范》，將規(guī)范的儲量管理計算方法、管理流程固化在系統(tǒng)中，解決了儲量管理缺乏規(guī)范，隨意性較大的問題；各級資源儲量用戶可以及時、準確、高效的了解和掌握資源儲量動態(tài)信息，從技術(shù)上避免儲量造假，從而加強資源管理力度；通過儲量圖形系統(tǒng)建設構(gòu)建了煤炭企業(yè)空間數(shù)據(jù)庫，收集儲量專題數(shù)據(jù)和煤礦部分基礎地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了企業(yè)總部-二級公司-礦井的礦圖空間數(shù)據(jù)的集中存儲、分級共享，并為國家重點研發(fā)計劃項目“煤礦智能開采安全技術(shù)與裝備研發(fā)”(2017YFC0804300)提供了基礎數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

根據(jù)大型煤炭企業(yè)儲量管理的需求，本文提出了基于GIS礦圖實現(xiàn)礦山儲量日常管理與煤炭企業(yè)總部儲量遠程監(jiān)管的設計思路，對儲量管理相關的空間數(shù)據(jù)更新、存儲、共享，時態(tài)GIS與空間數(shù)據(jù)服務發(fā)布等關鍵技術(shù)進行了探討和研究，形成了一套適合煤炭企業(yè)實際應用的“以圖管礦、以圖管量”解決方案。實踐證明，基于GIS的儲量管理圖形系統(tǒng)的管理思路和方法可以有效解決大型煤炭企業(yè)資源管理信息化水平低、數(shù)據(jù)不準確、應用效果不佳等問題，有效強化了煤炭資源回采率監(jiān)管，為國有資產(chǎn)的保值增值提供了強有力的技術(shù)支撐。