鈾尾礦庫(kù)安全及地理信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研發(fā)

胡良才，李哲輝，郭大平，李玉雷，張 寧

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

鈾尾礦庫(kù)是鈾礦山的重要基礎(chǔ)性工程，也是重大的放射性危險(xiǎn)源[1]。尾礦庫(kù)壩體一旦失事，庫(kù)內(nèi)貯存的尾礦、水將以泥石流形式涌出，快速?zèng)_泄向下游，不僅嚴(yán)重威脅下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]，還可能使下游環(huán)境受到放射性污染。地理信息具有隨時(shí)空變化的特征[4]，鈾尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度、水面面積等數(shù)據(jù)是重要的危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)，全面掌握尾礦庫(kù)安全信息及周圍地理環(huán)境等信息是保障尾礦庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，是制定尾礦庫(kù)政策的依據(jù)。

據(jù)國(guó)家安監(jiān)總局《關(guān)于印發(fā)開(kāi)展尾礦庫(kù)專項(xiàng)整治活動(dòng)工作方案的通知》要求，中國(guó)部署了尾礦庫(kù)專項(xiàng)整治活動(dòng)，針對(duì)安監(jiān)總局管轄范圍內(nèi)的所有尾礦庫(kù)(不含鈾尾礦庫(kù))，開(kāi)發(fā)建立了基本情況數(shù)據(jù)庫(kù)[5-7]；但各行業(yè)未單獨(dú)建立某行業(yè)內(nèi)的尾礦庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

中國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)建成年代較早，采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)先進(jìn)性未得到有效體現(xiàn)。為保障鈾尾礦(渣)庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鈾尾礦(渣)庫(kù)安全監(jiān)管的科學(xué)化、信息化，有必要基于先進(jìn)信息化水平，采用適宜的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，研發(fā)核工業(yè)鈾尾礦庫(kù)(渣)安全及地理信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)是建立鈾尾礦(渣)庫(kù)信息管理平臺(tái)，安全存儲(chǔ)、便捷管理及方便查詢鈾尾礦(渣)庫(kù)基礎(chǔ)信息，分析尾礦(渣)庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)、分布情況等，提升鈾尾礦(渣)庫(kù)安全監(jiān)管信息化水平，保障鈾尾礦(渣)庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為便于使用及維護(hù)，系統(tǒng)還包括如下具體目標(biāo)：1)易用性好，方便數(shù)據(jù)錄入、修改、查詢、統(tǒng)計(jì)分析、制圖制表、導(dǎo)出；2)具有可擴(kuò)展性；3)安全性高，對(duì)用戶進(jìn)行分級(jí)授權(quán)。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式及環(huán)境

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式包括瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，簡(jiǎn)稱B/S)和客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server，簡(jiǎn)稱C/S)模式。B/S開(kāi)發(fā)模式具有系統(tǒng)開(kāi)發(fā)維護(hù)成本低、開(kāi)放性和擴(kuò)展性良好、界面友好、信息系統(tǒng)集成性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。核工業(yè)鈾尾礦(渣)庫(kù)安全及地理信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用B/S模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可單機(jī)運(yùn)行，也具備接入中核集團(tuán)專用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的功能。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Table 1 System software development environment

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的重要分支，是現(xiàn)代信息科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與信息管理的核心。核工業(yè)鈾尾礦(渣)庫(kù)安全及地理信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和蒼穹三維地理信息平臺(tái)(KQGIS 3D)為支撐進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并集成了眾多先進(jìn)的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)[10-11]，以更好地保持系統(tǒng)整體安全性及技術(shù)先進(jìn)性。

MySQL是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)[12]，用來(lái)存放系統(tǒng)表、字典表、附件表、尾礦庫(kù)各項(xiàng)屬性信息表。KQGIS 3D是由中國(guó)企業(yè)自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化地理信息系統(tǒng)，支持三維模型、矢量、影像、數(shù)字高程模型、傾斜攝影、點(diǎn)云等各種數(shù)據(jù)類型，支持海量三維地理信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、檢索、分析等，系統(tǒng)安全可靠，使用方便，全面支持國(guó)產(chǎn)化環(huán)境。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部包含3級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從大到小分別為工作空間、數(shù)據(jù)集和要素類，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化與加速，增強(qiáng)用戶在三維地理信息系統(tǒng)中的操作體驗(yàn)。蒼穹三維地理信息系統(tǒng)提供多語(yǔ)言、跨平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)組件，支持C++、JavaScript、Java、.Net等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，支持桌面、網(wǎng)頁(yè)等多平臺(tái)開(kāi)發(fā)[13]。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體框架按照五層結(jié)構(gòu)表達(dá)，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用層、用戶層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig. 1 System architecture diagram

基礎(chǔ)設(shè)施層提供資源池，為系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件和軟件基礎(chǔ)支撐環(huán)境。平臺(tái)服務(wù)層采用國(guó)產(chǎn)的蒼穹三維地理信息系統(tǒng)提供服務(wù)、引擎及各類服務(wù)組件，負(fù)責(zé)對(duì)基礎(chǔ)物理資源、數(shù)據(jù)資源、開(kāi)發(fā)環(huán)境、通用資源、應(yīng)用服務(wù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理、監(jiān)控與調(diào)度。數(shù)據(jù)資源層包含涉及到的所有數(shù)據(jù)，如尾礦庫(kù)基本信息、企業(yè)信息、工程信息等安全信息，以及尾礦庫(kù)周邊影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等地理信息。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與管理，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用層即為開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。用戶層位于應(yīng)用層上部，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或單機(jī)使用鈾尾礦(渣)庫(kù)信息查詢、附件管理、三維導(dǎo)覽、三維分析等服務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還考慮到與尾礦(渣)庫(kù)其他管理部門的數(shù)據(jù)共享情況，并考慮遠(yuǎn)期目標(biāo)的需要，留出相應(yīng)模型的分析接口，便于接入模型進(jìn)行分析。

3 系統(tǒng)主要功能

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括尾礦庫(kù)信息管理、三維地理信息分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)維護(hù)與管理4個(gè)功能模塊，可實(shí)現(xiàn)鈾尾礦(渣)庫(kù)基礎(chǔ)信息的新增、修改、導(dǎo)出等功能，分析展示尾礦庫(kù)安全狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等，還可基于三維地理信息系統(tǒng)進(jìn)行距離、高程、面積等的量測(cè)、坐標(biāo)標(biāo)注、地形分析、淹沒(méi)分析等。

3.1 信息管理模塊

信息管理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾尾礦(渣)庫(kù)安全信息數(shù)據(jù)，包括基本信息、企業(yè)信息、工程信息等數(shù)據(jù)的新增、修改、刪除、查詢、展示、導(dǎo)出等功能。系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)導(dǎo)入口，可以批量導(dǎo)入尾礦(渣)庫(kù)信息，還具有一鍵生成報(bào)表的功能。

系統(tǒng)具有地圖導(dǎo)航功能，可通過(guò)點(diǎn)擊系統(tǒng)主界面上尾礦庫(kù)分布圖中的尾礦(渣)庫(kù)名稱查詢尾礦庫(kù)(渣)信息，亦可通過(guò)輸入尾礦庫(kù)(渣)名稱、運(yùn)營(yíng)企業(yè)名稱等信息進(jìn)行查詢，還可通過(guò)輸入尾礦庫(kù)坐標(biāo)進(jìn)行精確定位查詢。

基本信息包含尾礦庫(kù)區(qū)域位置、經(jīng)緯度、建設(shè)時(shí)間等。尾礦庫(kù)基本信息如圖2所示。

圖2 尾礦庫(kù)基本信息Fig. 2 General information of tailings pond

3.2 三維地理信息分析模塊

尾礦庫(kù)三維地理信息包括尾礦庫(kù)地形、干灘長(zhǎng)度、水面面積等。系統(tǒng)基于蒼穹三維地理信息系統(tǒng)進(jìn)行尾礦庫(kù)三維地理信息管理分析。系統(tǒng)支持矢量、模型、影像、高程、傾斜攝影、視頻等多種數(shù)據(jù)類型，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一入庫(kù)管理，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)管理，能夠流暢地存儲(chǔ)和讀取大數(shù)據(jù)量的地理信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持三維場(chǎng)景中的空間查詢和屬性查詢：點(diǎn)、線、面、體的空間查詢，屬性字段查詢；支持多種格式導(dǎo)出，包括高清圖片、視頻等。

三維地理信息模塊支持三維場(chǎng)景中多種分析功能，包括基本測(cè)量：坐標(biāo)、水平距離、垂直距離、直線距離、地表距離、投影面積、地表面積、坡度；通用分析：通視分析、視域分析、控高分析、雷達(dá)分析、陰影分析；支持地形分析：等高線、坡度、填挖方、無(wú)源水淹、有源水淹等。通過(guò)上述功能，可直接標(biāo)注尾礦庫(kù)特征點(diǎn)坐標(biāo)，量測(cè)壩體長(zhǎng)度、高度、尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度、水面面積、占地面積等，還可分析尾礦庫(kù)下游地形，為應(yīng)急救援、逃生提供指導(dǎo)。系統(tǒng)還可模擬各種自然天氣，多角度立體展示鈾尾礦(渣)庫(kù)。系統(tǒng)尾礦庫(kù)占地面積量測(cè)功能如圖3所示。

圖3 尾礦庫(kù)占地面積量測(cè)Fig. 3 Measuring area of tailings pond

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊可對(duì)尾礦庫(kù)安全狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、壩高、總庫(kù)容等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以圖表形式展示，直觀展示尾礦庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析情況。尾礦庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)分析如圖4所示。

圖4 鈾尾礦庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)分布Fig. 4 Operation state of uranium tailings pond

3.4 系統(tǒng)維護(hù)與管理模塊

3.4.1 系統(tǒng)登錄

系統(tǒng)管理員為用戶分配用戶名及密碼，用戶登錄后進(jìn)入系統(tǒng)主界面。大部分工作都在主窗口進(jìn)行，主界面采用Windows界面風(fēng)格、單文檔窗口結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)潔、方便、風(fēng)格一致為設(shè)計(jì)原則。

3.4.2 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)按照樹(shù)形結(jié)構(gòu)管理，實(shí)現(xiàn)用戶管理、角色管理、菜單管理、機(jī)構(gòu)管理、數(shù)據(jù)源配置、尾礦庫(kù)字典新增、修改、刪除等功能。管理員可為當(dāng)前系統(tǒng)新增、修改、刪除用戶信息，設(shè)置用戶角色(圖5)。

圖5 用戶管理樹(shù)狀圖Fig. 5 User management dendrogram

系統(tǒng)用戶角色分為系統(tǒng)管理員、上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、普通用戶等。管理員擁有整個(gè)系統(tǒng)所有功能的最高權(quán)限，負(fù)責(zé)系統(tǒng)用戶賬號(hào)的管理及尾礦庫(kù)信息的維護(hù)。上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)可使用界面展示菜單中所有功能及查看所有尾礦庫(kù)信息。普通用戶可查看所轄范圍內(nèi)尾礦庫(kù)的基本信息。不同用戶具有不同級(jí)別權(quán)限，可最大程度保證數(shù)據(jù)信息安全。

4 結(jié)論

基于國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的大型三維地理信息平臺(tái)，采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，研發(fā)了核工業(yè)鈾尾礦(渣)庫(kù)安全及地理信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)功能豐富、操作簡(jiǎn)便、界面友好、安全性高，有可靠的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)安全保障，可實(shí)現(xiàn)尾礦(渣)庫(kù)安全及地理信息的快捷查詢、管理及輸出。該系統(tǒng)對(duì)于全面掌握鈾尾礦(渣)庫(kù)基本情況，提升鈾尾礦(渣)庫(kù)安全預(yù)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急處理能力，保障鈾尾礦(渣)庫(kù)安全運(yùn)行具有重要意義。