基于GIS系統(tǒng)預(yù)警模型的應(yīng)用

李 漢

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 山西 大同 037003）

1 引言

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)宏泰公司承擔(dān)著晉能控股煤業(yè)集團(tuán)十二座生產(chǎn)礦井的井巷掘進(jìn)工程。在實(shí)際掘進(jìn)中，面臨著業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與GIS圖形數(shù)據(jù)脫節(jié)，因而無法直觀地了解掘進(jìn)進(jìn)程以及掘進(jìn)過程中遇到的各類影響掘進(jìn)進(jìn)度的地質(zhì)問題。

為此研究基于GIS 系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理、圖屬信息關(guān)聯(lián)、空間輔助設(shè)計(jì)等功能，結(jié)合礦井掘進(jìn)生產(chǎn)工作的流程，歸納出10 大類井下掘進(jìn)工程災(zāi)害預(yù)警模型，建立了“基于GIS 系統(tǒng)預(yù)警模型”，達(dá)到了把控掘進(jìn)施工過程、提前預(yù)警掘進(jìn)施工過程中可能遇到的災(zāi)害，減少事故發(fā)生的目的[1]。

2 GIS系統(tǒng)

該GIS系統(tǒng)為具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LRGIS平臺(tái)，LRGIS 平臺(tái)及其協(xié)同編輯服務(wù)為該項(xiàng)目的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

協(xié)同編輯服務(wù)是一種群體協(xié)作的任務(wù)，是一種數(shù)據(jù)協(xié)同，以異步協(xié)同為主，存在部分同步協(xié)同需求。協(xié)作的主體是各業(yè)務(wù)部門的制圖技術(shù)人員，協(xié)作的對(duì)象是采礦、地質(zhì)、測(cè)量數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)共同完成各種圖件的繪制與屬性數(shù)據(jù)管理的任務(wù)。LRGIS平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：

（1）可實(shí)現(xiàn)煤礦GIS數(shù)據(jù)集中管理

基于統(tǒng)一GIS 服務(wù)平臺(tái)、統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的礦圖GIS 數(shù)據(jù)管理模式，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)集成的煤礦GIS 空間數(shù)據(jù)引擎，建立包括地、測(cè)、采、排、機(jī)、運(yùn)、通等專業(yè)的統(tǒng)一GIS數(shù)據(jù)庫。

（2）支持GIS數(shù)據(jù)在線協(xié)同編輯

基于大數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式創(chuàng)新，完成多終端、多人在線的礦圖數(shù)據(jù)錄入及編輯，安全、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)提交，可滿足煤礦地質(zhì)、測(cè)量、機(jī)電、生產(chǎn)管理等專業(yè)同時(shí)在線協(xié)同編輯、多部門協(xié)同辦公等應(yīng)用。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化的礦圖空間數(shù)據(jù)共享技術(shù)

基于統(tǒng)一的礦圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及集中存儲(chǔ)管理的一張圖空間數(shù)據(jù)庫，采用面向服務(wù)架構(gòu)（SOA），實(shí)現(xiàn)了符合OGC國際標(biāo)準(zhǔn)的地理空間數(shù)據(jù)共享接口，可以為生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)的深度挖掘和與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。

3 預(yù)警模型

基于礦井地、測(cè)、采、排、機(jī)、運(yùn)、通專業(yè)GIS圖形數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS 服務(wù)平臺(tái)預(yù)先詳繪并標(biāo)注隱伏地質(zhì)隱患區(qū)位和掘進(jìn)進(jìn)尺生產(chǎn)計(jì)劃，結(jié)合礦井每日實(shí)際進(jìn)尺，模型內(nèi)預(yù)配置每日掘進(jìn)與進(jìn)尺計(jì)劃數(shù)據(jù)、預(yù)算累計(jì)掘進(jìn)和進(jìn)尺數(shù)據(jù)，進(jìn)而與GIS 平臺(tái)中標(biāo)注的隱伏地質(zhì)隱患區(qū)位、掘進(jìn)進(jìn)尺生產(chǎn)計(jì)劃相對(duì)位置進(jìn)行對(duì)比，形成預(yù)測(cè)預(yù)警預(yù)判模型，為及時(shí)、有效、準(zhǔn)確地掘進(jìn)生產(chǎn)活動(dòng)提供了決策依據(jù)，為礦井生產(chǎn)活動(dòng)提供信息化、智能化手段[3]。

結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)與各礦井掘進(jìn)與進(jìn)尺業(yè)務(wù)，整理出10大類預(yù)警預(yù)判類型及其模型預(yù)警判規(guī)則，其中預(yù)警距離可依據(jù)礦山實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，分類情況見表1。

表1 預(yù)警預(yù)測(cè)分類表

（1）地質(zhì)構(gòu)造預(yù)警模型：掘進(jìn)工程與施工巷道地質(zhì)構(gòu)造（斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造、陷落柱、火成巖侵入帶等）相對(duì)值距離小于預(yù)警配置距離，則進(jìn)行構(gòu)造預(yù)警。

（2）巷道貫通預(yù)警模型：模型內(nèi)預(yù)錄貫通巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，與當(dāng)前巷道累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若兩者相對(duì)距離小于預(yù)警配置距離，則進(jìn)行巷道貫通預(yù)警。

（3）小煤柱臨空硐室預(yù)警模型：通過GIS服務(wù)平臺(tái)獲取掘進(jìn)巷道開口位置至小煤柱臨空硐室最小直線距離，與當(dāng)前巷道累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若兩者相對(duì)距離小于預(yù)警配置距離，則進(jìn)行小煤柱臨空硐室預(yù)警。

（4）過空巷預(yù)警模型：通過GIS服務(wù)平臺(tái)獲取最近過空巷道位置至當(dāng)前掘進(jìn)施工巷開口最小直線距離，與施工巷道累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若兩者相對(duì)距離小于預(yù)警配置距離，則進(jìn)行過空巷預(yù)警。

（5）采空區(qū)預(yù)警模型：通過GIS 服務(wù)平臺(tái)繪制、標(biāo)注、獲取周邊采空區(qū)區(qū)位信息，依次對(duì)比當(dāng)前掘進(jìn)進(jìn)尺施工巷開口位置至以上采空區(qū)最小直線距離，若相對(duì)距離小于預(yù)警配置距離，則進(jìn)行采空區(qū)預(yù)警。

（6）積水區(qū)預(yù)警模型：通過GIS 服務(wù)平臺(tái)繪制、標(biāo)注、獲取周邊積水區(qū)區(qū)位信息，依次對(duì)比當(dāng)前掘進(jìn)進(jìn)尺施工巷開口位置至以上周邊采空區(qū)最小直線距離，若相對(duì)距離小于預(yù)警配置距離，則進(jìn)行積水區(qū)預(yù)警，若在積水區(qū)內(nèi)部預(yù)警邏輯要考慮積水區(qū)的長(zhǎng)度。

（7）有掘必探預(yù)警模型：通過根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)探距、進(jìn)尺、安全距離進(jìn)行預(yù)警，進(jìn)尺和最近一次探距進(jìn)行計(jì)算，如果小于安全距離進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)每日上報(bào)實(shí)際報(bào)表中的最近一次探距和近期累計(jì)進(jìn)尺（自探距時(shí)間開始累計(jì)）差值如果小于安全距離，進(jìn)行預(yù)警顯示預(yù)警信息。

（8）超長(zhǎng)距離供風(fēng)預(yù)警：超長(zhǎng)距離供風(fēng)局部通風(fēng)機(jī)所在位置供風(fēng)距離超過1 000 m，則進(jìn)行持續(xù)進(jìn)行預(yù)警。如果局部通風(fēng)機(jī)在巷道外部，風(fēng)機(jī)距離巷道開口里程與巷道掘進(jìn)米數(shù)之和大于1 000 m，則預(yù)警。如局部通風(fēng)機(jī)在巷道內(nèi)部，截止目前巷道掘進(jìn)里程與通風(fēng)機(jī)距離巷道開口里程差值大于1 000 m，提示預(yù)警。

（9）超長(zhǎng)距離供電預(yù)警模型：移動(dòng)變電站所供電距離超過1 000 m，則進(jìn)行預(yù)警。重新部署移動(dòng)變電站之后如超過1 000 m 還要繼續(xù)預(yù)警。如果移動(dòng)變電站在巷道外部，距離巷道開口里程與巷道掘進(jìn)里程之和大于1 000 m，提示預(yù)警消息。如果移動(dòng)變電站在巷道內(nèi)部，巷道掘進(jìn)里程與距離巷道開口里程差值大于1 000 m，提示預(yù)警消息。（移動(dòng)變電站位置會(huì)發(fā)生變化調(diào)整是多條記錄，所以計(jì)算距離以移動(dòng)變電站最新布置時(shí)間進(jìn)行獲取數(shù)據(jù)）

（10）采掘交鋒預(yù)警模型：巷道掘進(jìn)施工中，當(dāng)掘進(jìn)位置與當(dāng)前相鄰回采位置相對(duì)交鋒距離小于特定預(yù)警值時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

4 基于GIS系統(tǒng)預(yù)警模型的架構(gòu)及功能

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用系統(tǒng)基于B/S、C/S 混合模式，前端界面采用JQuery、EasyUI、ECharts、帆軟報(bào)表等進(jìn)行展示，后端的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)使用EntityFramework，前后端通過AJAX進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，一張圖采用LRGIS 地圖服務(wù)進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)包含支撐層、數(shù)據(jù)層、GIS 平臺(tái)層、服務(wù)層、接口層、業(yè)務(wù)層（見圖1）。

圖1 基于GIS系統(tǒng)的預(yù)警模型架構(gòu)

（1）支撐層

支撐層是系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行分析的基礎(chǔ)，包括軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、掃描設(shè)備等，是系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境支撐。

（2）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與輸入輸出交換中心，它包括GIS空間數(shù)據(jù)與掘進(jìn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（3）GIS平臺(tái)層

GIS平臺(tái)層是通過空間數(shù)據(jù)引擎將數(shù)據(jù)層各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和管理，基于LRGIS 提供分布式協(xié)同圖屬處理功能，將各類數(shù)據(jù)依據(jù)各自天然的共同空間特征進(jìn)行聚合管理，為上層應(yīng)用提供GIS 數(shù)據(jù)管理和分析等支持。

（4）服務(wù)層

服務(wù)層是將GIS平臺(tái)的各類功能和模塊按照服務(wù)的模式進(jìn)行封裝，從而將GIS 系統(tǒng)的各種能力開放給外部使用。

（5）接口層

接口層是通過功能模塊、不同服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)提供的服務(wù)分別以SOAP、REST 等常見的服務(wù)協(xié)議進(jìn)行封裝，從而提供標(biāo)準(zhǔn)的各類GIS、業(yè)務(wù)功能服務(wù)接口。

（6）業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層是通過整個(gè)服務(wù)平臺(tái)提供的各類數(shù)據(jù)服務(wù)、專業(yè)功能及分析模塊，結(jié)合礦山掘進(jìn)工程的具體業(yè)務(wù)，面向用戶提供調(diào)度、安全等相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

4.2 GIS地圖瀏覽

（1）地圖服務(wù)

系統(tǒng)基于統(tǒng)一的GIS 平臺(tái)、統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)庫以網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的方式，提供遙感影像地圖和地、采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、設(shè)計(jì)等各類專業(yè)生產(chǎn)礦圖的復(fù)合管理。

（2）礦區(qū)導(dǎo)航

將遙感影像與生產(chǎn)礦圖融合，宏觀展示涉及礦井的分布情況。另可通過點(diǎn)擊方式，查詢項(xiàng)目部基本概況、現(xiàn)施工工程、預(yù)測(cè)預(yù)警等詳細(xì)信息（見圖2）。

圖2 基于GIS掘進(jìn)巷道推進(jìn)度展示

4.3 巷道數(shù)據(jù)瀏覽

基于GIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)空間數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)信息與采掘狀態(tài)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、直接服務(wù)于礦山安全生產(chǎn)指揮與決策。

（1）巷道基本信息查詢

展示巷道基本信息包含名稱、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、現(xiàn)掘長(zhǎng)度、斷面（掘高、掘?qū)挘?、巷道巖性、掘進(jìn)類型、狀態(tài)、掘進(jìn)開始、掘進(jìn)結(jié)束等數(shù)據(jù)。

（2）巷道生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢

展示巷道月進(jìn)尺、日進(jìn)尺數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)用戶填報(bào)數(shù)據(jù)在圖形上通過不同顏色展示日、月的進(jìn)尺數(shù)據(jù)。

（3）巷道使用風(fēng)機(jī)展示

展示巷道使用風(fēng)機(jī)的型號(hào)、風(fēng)筒直徑、瓦斯檢查分析數(shù)據(jù)、工作面風(fēng)量、巷道貫通數(shù)據(jù)。

（4）巷道水文地質(zhì)信息展示

展示巷道水文地質(zhì)信息，包含水文地質(zhì)基本情況、水文地質(zhì)分析等數(shù)據(jù)。

（5）巷道頂?shù)装鍘r性特征等信息展示

展示巷道頂?shù)装鍘r性特征、巖性評(píng)價(jià)、巷道兩幫巖性及評(píng)價(jià)，巷道可能遇到的構(gòu)造信息數(shù)據(jù)[4]。

4.4 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)瀏覽

（1）調(diào)度及項(xiàng)目部值班跟班帶班情況

展示領(lǐng)導(dǎo)、調(diào)度員、項(xiàng)目部干部值班、帶班、跟班人員數(shù)量及詳細(xì)信息。

（2）項(xiàng)目部進(jìn)尺情況

以柱狀圖顯示各個(gè)項(xiàng)目部及隊(duì)組的進(jìn)尺信息、形成計(jì)劃進(jìn)尺與實(shí)際進(jìn)尺對(duì)比情況分析。

（3）預(yù)測(cè)預(yù)警

通過示意圖方式展示預(yù)警模型包含的各類預(yù)警信息，為安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)（見圖3）。

圖3 預(yù)測(cè)預(yù)警可視化展示

5 應(yīng)用效果

基于GIS系統(tǒng)的預(yù)警模型在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)宏泰工程礦建有限責(zé)任公司應(yīng)用后，優(yōu)化了公司現(xiàn)有的管控模式，降低了管理成本，提高了管理效能，增加了公司整體經(jīng)濟(jì)效益；2021 年節(jié)省人力成本64.2 萬元，節(jié)約GIS軟件成本56萬元。

6 結(jié)束語

基于GIS 系統(tǒng)預(yù)警模型的應(yīng)用，形成了具有我國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)先進(jìn)化、智能化的礦井建設(shè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空間信息技術(shù)、專用數(shù)據(jù)處理技術(shù)的集成開發(fā)和應(yīng)用。成果將逐步在集團(tuán)公司甚至整個(gè)煤炭行業(yè)進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨部門、跨專業(yè)的共享信息、共享知識(shí)、共享應(yīng)用的集成決策支持平臺(tái)[5]。