基于GIS的礦山突發(fā)災害逃生平臺構建與探討

王韓波，王少娟，孫啟建

(自然資源部第三梯形測量隊，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來，作為我國經(jīng)濟建設的基礎資源行業(yè)——煤炭產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中災害事故卻時有發(fā)生，對井下人員的生命安全構成威脅。如何降低煤礦災害事故的發(fā)生以及事故發(fā)生時指導人員安全撤離成為亟需解決的問題[1]。為此，2011年國家成立中國礦山物聯(lián)網(wǎng)研究中心，構建礦山物聯(lián)網(wǎng)，感知煤礦的日常生產(chǎn)，打造中國現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)[2]。2013年3月28日國家煤礦安監(jiān)局召開了煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設視頻會，構建礦山災害預警及逃生避險系統(tǒng)成為當務之急。本文是基于GIS的礦山物聯(lián)網(wǎng)下開發(fā)的礦山突發(fā)災害逃生平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)的感知設備、GIS的地圖和位置定位及最短路徑導航功能，保障礦井的安全生產(chǎn)。

1 研究現(xiàn)狀以及研究意義

1.1 研究現(xiàn)狀

在我國，隨著GIS技術的快速發(fā)展以及礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺的構建，GIS在礦山生產(chǎn)管理中的應用越來越頻繁。目前國內(nèi)主要的煤礦將GIS技術應用于礦圖管理、礦井生產(chǎn)進度管理、礦山數(shù)據(jù)庫的管理、礦產(chǎn)資源分析與評估等方面。程永義采用ESRI公司組件集ArcObjects和其工具OMD構建了基于GIS的礦井安全管理信息系統(tǒng),實現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)管理中空間數(shù)據(jù)的顯示、查詢、編輯和監(jiān)控分析等功能。楊義輝、馮仁俊等人基于ArcGis Engine技術平臺,構建了礦井災害應急救援系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)可三維展示礦區(qū)井下環(huán)境，為救援工作的展開提供了幫助。孫殿閣、蔣仲安針對我國礦山事故頻發(fā)的現(xiàn)狀,建立了礦山應急求援系統(tǒng),并采用了改進的Djkstra算法[4],實現(xiàn)了最佳救災與避災路線的應用研究。綜上可得,我國對數(shù)字礦山的研究基本停留在煤礦管理、災后救援等方面，而關于礦山井下突發(fā)災害逃生等方面研究就比較少。鑒于當前現(xiàn)狀,建立基于GIS 的礦山物聯(lián)網(wǎng)下的礦山突發(fā)災害逃生平臺是保障煤礦安全生產(chǎn)、井下工人人身安全的有效工具[5]。

1.2 研究意義

我國針對煤礦突發(fā)災害事故的安全工作，大致分為三個階段：一是災害發(fā)生前的監(jiān)督預警，二是災害發(fā)生時的井底工作人員逃生避險，三是災害后的應急救援及調查處理工作。而事故發(fā)生時的井底工作人員逃生避險是安全生產(chǎn)工作的核心，直接決定著事故的危害程度。

建立礦山突發(fā)災害逃生系統(tǒng)的主要意義概括如下：

(1)災害預警。通過井下布設的傳感器傳送的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測井下工作環(huán)境的安全系數(shù)，保障井底工作人員的人身安全。

(2)指導井下被困人員逃生避險。被困人員的逃生救險，直接決定了災害事故的性質。建立完善的逃生救險系統(tǒng)，能在事故發(fā)生的第一時間內(nèi)，通知井下工作人員在最短時間內(nèi)選擇最短路徑逃離災害現(xiàn)場，降低了災害的危害性。

(3)輔助救援人員決策，有助于展開救援工作，清理事故現(xiàn)場。

(4)有助于災害事故后有關人員的調查工作。

2 平臺構建的總體設計

礦山突發(fā)災害逃生平臺是基于礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺上，以煤礦井下巷道安全生產(chǎn)礦圖為研究背景，采用C#開發(fā)語言，在.NET平臺開發(fā)環(huán)境中[6]，利用ArcGIS控件和Oracle數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對礦山井下安全環(huán)境實時監(jiān)測，并在井下發(fā)生災害事故時，指導井下工作人員選擇最有效的逃生路徑，安全撤離災害現(xiàn)場，降低事故造成的危害。通過煤礦的井下安全生產(chǎn)圖和巷道數(shù)據(jù)，采用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法生成井下逃生最短路徑，通過礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺下布置的無線傳感網(wǎng)絡第一時間通知井下工作人員，提高災害突發(fā)時井下工作人員的逃生速度，保障了井下作業(yè)人員的人生安全，保證煤炭企業(yè)日常安全生產(chǎn)，還可以進行空間信息檢索與分析，便于有關部門及時救援，提供輔助決策服務。圖1為平臺總體設計框架圖。

圖1 平臺總體設計框架圖

3 平臺數(shù)據(jù)庫的建設

礦山突發(fā)災害逃生平臺數(shù)據(jù)建庫是一個復雜龐大的工程。根據(jù)系統(tǒng)功能目的及研究內(nèi)容，建立適合于礦山突發(fā)災害逃生基礎項目信息的數(shù)據(jù)庫，便于系統(tǒng)的管理與實施。建立適用于地理數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫，將大量、零散的成果地理數(shù)據(jù)通過地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型進行組織與存儲，對數(shù)據(jù)進行維護，防止數(shù)據(jù)丟失，同時滿足各用戶對系統(tǒng)的應用與數(shù)據(jù)操作，營造高效穩(wěn)定的運行環(huán)境。

3.1 數(shù)據(jù)庫的結構設計

數(shù)據(jù)庫的結構設計應依據(jù)系統(tǒng)需求分析以及系統(tǒng)所要存儲的數(shù)據(jù)結構特點。礦山突發(fā)災害逃生平臺是建立在GIS地理信息庫上，應考慮GIS存儲的數(shù)據(jù)特點。因此，將數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)分為兩類：(1)空間邏輯數(shù)據(jù)(2)煤礦生產(chǎn)實體數(shù)據(jù)。空間邏輯數(shù)據(jù)指的是與空間分布有直接關聯(lián)的數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)是指用基本數(shù)據(jù)結構來表示自然世界的數(shù)據(jù)，以坐標和拓撲關系的形式存儲；屬性數(shù)據(jù)是描述地理實體質量和數(shù)量特征的數(shù)據(jù)。由于空間邏輯數(shù)據(jù)分為兩類，故本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，兩者之間可通過唯一標識碼聯(lián)系在一起。如區(qū)域的ID號。煤礦生產(chǎn)實體數(shù)據(jù)是指諸如礦井年產(chǎn)量、礦井生產(chǎn)總值等與煤礦日常生產(chǎn)相關聯(lián)的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫的概念設計

實體-關系(E-R)方法是描述現(xiàn)實世界概念結構模型的有效方法，是表示概念模型的一種方式，用各種框圖去表示出來[7]。構成E-R圖的基本要素是實體、屬性和聯(lián)系。而現(xiàn)實世界就是由實體組成的基本對象以及它們之間的聯(lián)系構成的，一般通過E-R圖的方式表達[8]。由系統(tǒng)的功能需求及數(shù)據(jù)庫設計的目標，設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R圖，包括礦井基礎信息數(shù)據(jù)庫E-R圖、礦井設備信息數(shù)據(jù)庫E-R圖、煤礦區(qū)域信息數(shù)據(jù)庫E-R圖、礦井排水系統(tǒng)E-R圖以及煤礦災害信息數(shù)據(jù)庫E-R圖等。圖2為礦井人員信息實體E-R圖。

4 平臺功能模塊的建設

礦山突發(fā)災害逃生平臺需要能夠做到：(1)能實時監(jiān)測井下環(huán)境，處理井下傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在災害事故發(fā)生前做到預警；(2)按照煤礦井底巷道數(shù)據(jù)，在災害發(fā)生時第一時間生成逃生最短路徑，并傳輸?shù)骄鹿ぷ魅藛T終端，盡可能減少事故造成的人員和財產(chǎn)損失；(3)系統(tǒng)終端可根據(jù)從手持無線WiFi客戶端傳輸來的數(shù)據(jù)自動生成最短路徑，并返回到客戶端。

圖2 礦井人員信息實體E-R圖

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的需要和設計的思路，將礦山突發(fā)災害逃生平臺分為以下模塊：信息管理模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、災害事故預測模塊、實時預警模塊、應急逃生模塊、地圖管理模塊。各功能模塊相互獨立而又彼此聯(lián)系，為保障系統(tǒng)正常運行協(xié)調工作。如圖3所示為平臺功能結構圖。

圖3 平臺功能結構圖

4.1 信息管理模塊

信息管理模塊包括人員信息管理、設備信息管理、區(qū)域信息管理、分站信息管理、權限管理和礦井信息管理。信息管理模塊主要是以數(shù)據(jù)庫技術為支撐，通過錄入井下人員信息、設備信息、區(qū)域信息、分站信息、礦井基本信息，構建平臺運行環(huán)境。

4.2 環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊包括井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、溫度監(jiān)測、突水透水監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測模塊以礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺里的傳感網(wǎng)絡為框架，通過井下AP基站設置的傳感器采集來各項數(shù)據(jù)，處理分析后反饋給系統(tǒng)的預警模塊，實現(xiàn)了實時監(jiān)測井下環(huán)境變化。

4.3 事故預測模塊

事故預測模塊包括災害事故信息、災害相關知識、災害事故預測、災害結果輸出。該模塊主要是對煤礦地質條件、生產(chǎn)條件及事故信息進行分析，預測和控制煤礦安全事故的發(fā)生，以便于在災害發(fā)生時及時通知井下人員，減輕事故災害程度。

4.4 實時預警模塊

實時預警模塊是通過環(huán)境監(jiān)測模塊提供的井下環(huán)境動態(tài)變化，結合災害事故相關知識，設定臨界值，當達到或超過臨界值時，自動發(fā)出預警信號，告知井下工作人員逃生。

4.5 應急逃生模塊

應急逃生模塊包括應急定位中心、應急預案、災害應急資料和最短路徑逃生。其中，最短路徑逃生功能是礦山突發(fā)災害逃生系統(tǒng)的核心。

4.6 地圖管理模塊

地圖管理模塊包括礦圖管理、地圖操作和輸出。礦圖管理實現(xiàn)了對礦井地圖信息的實時更新；地圖操作兼容了ArcGIS對電子地圖的操作功能；地圖輸出提供了地圖的打印功能。

5 平臺建設的關鍵技術

5.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺技術

礦山中如何部署感知設備，是礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺和關鍵。感知層網(wǎng)絡為無線傳感器網(wǎng)絡，經(jīng)無線網(wǎng)關分段接入骨干網(wǎng)[9]。調度指揮控制中心以太網(wǎng)，設計為I/O服務器和數(shù)據(jù)服務器集群，并建立相應的操作員站，完成礦山各系統(tǒng)的監(jiān)控、人員安全感知、設備健康狀態(tài)感知。將礦山布置傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)感知礦山安全，利用無線節(jié)點的特點和無線網(wǎng)絡覆蓋廣的優(yōu)勢，將礦山的設備環(huán)境信息與井下工作人員定位信息及時地傳輸給地面監(jiān)控中心。井下無線系統(tǒng)的拓撲結構主要是靠本安型分支交換機去管理無線基站，然后再由光纖連接到井下骨干網(wǎng)絡中。在井上部分，需加入語音管理服務器用于構建無線語音監(jiān)控平臺、加入定位服務器提供定位信息，以及加入web服務器等，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的管理與信息處理[10]。

5.2 礦山突發(fā)災害實時監(jiān)控和預警模塊

該模塊是整個平臺的核心，包括人員實時定位、實時越界預警、超員預警、井下瓦斯預警、井下突水預警和井下火災預警等功能。人員實時定位功能可以在平臺上顯示井下作業(yè)人員的實時位置。當?shù)V山災害發(fā)生時，通過井下無線傳感網(wǎng)絡定位人員、出口和事故點，確定災害類型和發(fā)生地點，后在系統(tǒng)顯示出逃生路線，同時配合顯示應急預案、作業(yè)規(guī)程及各單位部門聯(lián)系表等信息。實時越界預警功能是按煤礦種類設置，各礦種分為各自的活動范圍和絕對禁入?yún)^(qū)域，通過設置有效距離臨界值來進行預警。超員預警功能是通過起止時刻、人員總數(shù)、工作異常人員總數(shù)，來計算超出人員總數(shù)，若大于臨界值，則報警。井下瓦斯預警是通過國家安全規(guī)范，求得該礦井安全生產(chǎn)時瓦斯預警值，設為上線，若超過則報警。

5.3 Dijkstra算法實現(xiàn)最短路徑

該算法具體思路是在給定的有向圖中,從指定的地點起，找到至圖中任意一點的最短路徑；實現(xiàn)目的是為求出賦權圖中任意兩結點之間的最短路徑；實現(xiàn)步驟是每次以一個結點為源點,重復執(zhí)行Dijkstra算法n次。算法的總體描述如下:

5.3.1 問題描述：在無向圖G=(V,B)中，假設每條邊B[i]的長度為W[i]，找到由頂點V0到其余各點的最短路徑。

5.3.2 按路徑長度遞增次序產(chǎn)生最短路徑算法，把V分成兩組：

(1)M：已求出最短路徑的頂點的集合；

(2)V-M=N：尚未確定最短路徑的頂點集合。

將T中頂點按最短路徑遞增的次序加入到S中，保證①從源點V0到S中各頂點的最短路徑長度都不大于從到中任何頂點的最短路徑長度。②每個頂點對應一個距離權值。M中頂點：從V0到此頂點的最短路徑長度。N中頂點：從V0到此頂點的只包括N中頂點作中間頂點的最短路徑長度。

5.3.3 算法具體步驟如下：

(1)算法初始令M={V0}，N={其余頂點}，T中頂點對應的距離值：

若存在，d(V0,Vi)為弧上的權值。

若不存在，d(V0,Vi)為∞

(2)從N中選取一個其距離值為最小的頂點W且不在M中，加入M；

(3)對其余N中頂點的距離值進行修改：若加進W作中間頂點，從V0到Vi的距離值縮短，則修改此距離值。

重復上述步驟(2)、(3)，直到M中包含所有頂點，即W=Vi為止。

6 平臺實現(xiàn)和應用

平臺歷經(jīng)1年開發(fā)，目前已經(jīng)運行良好。由于系統(tǒng)采用模塊設計，平臺具有良好的兼容性和擴張性，具有良好的市場前景，目前我們正在進一步完善該系統(tǒng)，以滿足更多用戶的需求。平臺運行成果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 平臺登錄界面示意圖

圖5 平臺主界面示意圖

圖6 平臺人員實時監(jiān)控示意圖

7 結 論

本文通過對國內(nèi)外礦山災害事故頻發(fā)的現(xiàn)狀及礦山物聯(lián)網(wǎng)技術在煤礦的應用現(xiàn)狀進行研究，將礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺和地理信息系統(tǒng)GIS技術，與煤礦生產(chǎn)相結合，建立礦山突發(fā)災害逃生平臺。就目前平臺總結，還有不少不足：(1)由于礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺技術還不夠完善，系統(tǒng)中人員位置實時定位以及信息實時傳輸?shù)难芯窟€不夠，位置有些誤差。(2)對最短路徑功能的應用還需進步研究，爭取以后實現(xiàn)三維可視化。

圖7 井下實時預警示意圖