基于GIS的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺設(shè)計與實現(xiàn)

龍 杰

（貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550025）

0 引言

煤礦瓦斯事故的發(fā)生除了與開采方式、自然條件、生成工藝等自然或工程因素有關(guān)外，還與煤礦瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理密切相關(guān)［1］。在煤礦信息化高速發(fā)展的當(dāng)下，雖然許多煤礦都實現(xiàn)了對瓦斯、地質(zhì)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動化采集，但是卻在數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析層面表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臏笮?，在?shù)據(jù)的綜合管理上缺少統(tǒng)一的規(guī)范，使得整合不同煤礦的數(shù)據(jù)變得困難。在日常的生產(chǎn)、管理中，瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)對安全生產(chǎn)具有重要意義，通過分析瓦斯涌量，總結(jié)規(guī)律可以指導(dǎo)防突預(yù)測圖的繪制［2］，通過對瓦斯壓力、含量信息的跟蹤可以指導(dǎo)抽采鉆孔的作業(yè)，但數(shù)據(jù)的多源性和管理混亂等問題為煤礦的安全施工帶來隱患［3-4］。隨著信息化和多學(xué)科融合發(fā)展趨勢的推進(jìn)，結(jié)合GIS技術(shù)的煤礦瓦斯系統(tǒng)得以發(fā)展，利用GIS提供的空間分析和屬性檢索功能，能為瓦斯地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、管理提供支撐，有效提高煤礦生產(chǎn)的安全性［4-5］，并在數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)層面得到良好支撐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖形的良好結(jié)合［6-7］。WebGIS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用也讓煤礦瓦斯數(shù)據(jù)的共享交互更加便捷［8］。本文基于GIS 技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺，以期通過信息化手段為煤礦的瓦斯、地質(zhì)、鉆孔等數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理提供助力，為瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的時空規(guī)律分析、狀態(tài)分析等提供數(shù)據(jù)支撐，達(dá)到提升相關(guān)數(shù)據(jù)的日常信息化管理水平的目的。

1 需求分析

軟件系統(tǒng)的開發(fā)流程一般包括需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、編碼、測試和運(yùn)維五個階段。需求分析是研發(fā)的基礎(chǔ)，它確定了系統(tǒng)的功能邊界和建設(shè)目標(biāo)。圍繞瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺的建設(shè)任務(wù)，需要充分考慮如下幾點：

（1）確定建設(shè)目標(biāo)，包括服務(wù)對象、建設(shè)內(nèi)容、展現(xiàn)形式、系統(tǒng)功能、用戶角色等，它是系統(tǒng)設(shè)計、實施、測試、交付的重要依據(jù)，指導(dǎo)了系統(tǒng)整個生命周期的運(yùn)行。

（2）根據(jù)實際生產(chǎn)情況和數(shù)據(jù)使用情況，梳理數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等信息，以指導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯構(gòu)建和數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。

（3）梳理業(yè)務(wù)流程，明確平臺數(shù)據(jù)涉及的管理功能，包括數(shù)據(jù)的錄入形式、數(shù)據(jù)的使用范圍、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式等。

（4）用戶角色的劃分，明確系統(tǒng)在錄入、查詢、使用、管理等方面可能涉及的角色及響應(yīng)權(quán)限。包括：系統(tǒng)管理員、錄入員、普通用戶、技術(shù)人員等。

（5）運(yùn)行環(huán)境和操作界面的確定，包括頁面設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、硬件環(huán)境、軟件環(huán)境等信息的確定，以指導(dǎo)軟件開發(fā)的適配性。

根據(jù)實際的需求調(diào)研和生產(chǎn)應(yīng)用的需要，確定瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫平臺是建立在數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，包括：礦井信息、煤層信息、堅固性系數(shù)信息、放散初速度信息、瓦斯含量點信息、瓦斯壓力點信息等數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的錄入、導(dǎo)出、查詢、空間可視化、用戶管理、文檔管理、文檔檢索等功能，并基于B/S架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，為實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理提供支撐。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)表設(shè)計

數(shù)據(jù)庫表設(shè)計是支撐管理平臺正常運(yùn)作和高效運(yùn)作的重要部分，數(shù)據(jù)表的邏輯關(guān)聯(lián)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率和功能模塊的操作方式，設(shè)計上緊圍繞需求分析中明確的業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)功能展開。對于煤礦管理而言，通常是采用煤礦、礦井、煤層再至具體參數(shù)信息，這樣的邏輯軸來實現(xiàn)對瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢，因此在設(shè)計上充分考慮用戶的使用習(xí)慣和客觀需要，以構(gòu)建數(shù)據(jù)規(guī)范為目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)表設(shè)計。

以煤層信息表為核心，用礦井對象的主鍵屬性來構(gòu)建礦井到煤層的一對多關(guān)系；通過煤層的主鍵屬性來串聯(lián)煤層信息到各個具體參數(shù)表的一對多關(guān)系。系統(tǒng)共分設(shè)了瓦斯含量點信息表、瓦斯壓力點信息表、放散初速度信息表、工業(yè)分析信息表等六張參數(shù)表，涵蓋了從礦井到煤層、煤層到鉆孔、地質(zhì)等生產(chǎn)上主要涉及的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)。科學(xué)地梳理和設(shè)計相關(guān)的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)表是決定系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理規(guī)范性的關(guān)鍵，通過整合業(yè)務(wù)需要和日常管理的需求，整理出的數(shù)據(jù)表邏輯設(shè)計如圖1所示。

圖1 瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)表邏輯設(shè)計圖

除上述介紹的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)表外，本文還圍繞信息系統(tǒng)本身的管理需要設(shè)計了相關(guān)的系統(tǒng)表，包括用戶信息表、部門表、角色表、崗位表等，用以支撐系統(tǒng)在權(quán)限管理上的多方位綜合管理需要；操作日志表、登陸日志表用以加強(qiáng)系統(tǒng)的操作監(jiān)控能力，滿足系統(tǒng)對加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性管理的需要；錄入信息表、文檔存儲表等用來追溯數(shù)據(jù)的錄入、上傳行為。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，自上而下分為：展示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層。①展示層，采用Java-Script 語言進(jìn)行開發(fā)，利用開源的WebGIS 框架，為用戶提供良好的數(shù)據(jù)可視化服務(wù)，通過提供空間查詢、屬性查詢、文件瀏覽、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)檢出等功能來滿足用戶的信息化管理需要；②邏輯層，處理用戶與后臺數(shù)據(jù)之間的操作邏輯，在此層包裝常用的數(shù)據(jù)分析模型、業(yè)務(wù)處理邏輯和數(shù)據(jù)審核邏輯等，簡化日常的業(yè)務(wù)處理操作；③數(shù)據(jù)層，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，通過整合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，提供對多源數(shù)據(jù)的綜合管理能力。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

礦井邊界數(shù)據(jù)、瓦斯含量點、瓦斯壓力點具有空間坐標(biāo)信息，因此，可以基于WebGIS 框架構(gòu)建出一個具有空間可視化能力的地理信息系統(tǒng)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，可以讓管理者直觀地了解到數(shù)據(jù)的空間分布情況。瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)通常會附有與作業(yè)過程和檢查驗收相關(guān)的PDF、DWG、XLS 等格式的文檔數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)存儲上為了支撐多源數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)檢索等功能，系統(tǒng)引入MinIO 對象存儲系統(tǒng)，結(jié)合MySQL 數(shù)據(jù)庫可以到達(dá)對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的快速查詢、瀏覽和下載。

在前文設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，開發(fā)出了具體的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)管理平臺，其核心功能如下：

（1）數(shù)據(jù)的錄入、審核：平臺提供日常的數(shù)據(jù)管理功能，在數(shù)據(jù)的錄入、導(dǎo)出上，考慮到作業(yè)人員的批量操作需要，提供了數(shù)據(jù)模板，可支撐作業(yè)人員的批量導(dǎo)入操作，并提供對多源數(shù)據(jù)的管理能力，支持多種文檔格式的上傳、查詢,包括：CAD、PDF、WORD、EXCEL 等文檔，并在用戶權(quán)限的允許下支持?jǐn)?shù)據(jù)的下載和常用文檔格式的在線預(yù)覽功能；數(shù)據(jù)的審核功能主要交由管理員角色來完成，對于管理員而言，有權(quán)決定錄入數(shù)據(jù)的合規(guī)性，即判斷錄入的數(shù)據(jù)是否資料齊全、錄入完整、符合系統(tǒng)的采集需要，對于通過審核的數(shù)據(jù)條目將能夠在角色權(quán)限范圍內(nèi)提供查詢，對于審核不過的數(shù)據(jù)，管理員可以施行刪除、退回或者修改等操作指令。

（2）空間查詢：系統(tǒng)提供多種空間查詢方式。空間范圍查詢：用戶通過交互式操作在地圖上繪制多邊形以觸發(fā)檢索條件，該方法能幫助用戶快速勾畫出興趣區(qū)，并查詢出范圍內(nèi)的礦井、瓦斯含量點和瓦斯壓力點數(shù)據(jù)；空間關(guān)聯(lián)性查詢：用戶通過下拉框的形式選擇感興趣的礦井，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)視野到對應(yīng)礦井的空間范圍處并標(biāo)識出礦井邊界范圍，得益于數(shù)據(jù)表的邏輯設(shè)計，用戶可以在地圖上通過點擊、選擇等交互式操作行為查詢到礦井范圍內(nèi)涉及的煤層、瓦斯點信息；條件查詢：同樣得益于數(shù)據(jù)表在邏輯設(shè)計上的有效關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)在支持傳統(tǒng)的屬性查詢能力外，還可以實現(xiàn)對查詢到的瓦斯含量點數(shù)據(jù)、瓦斯壓力點數(shù)據(jù)的空間可視化操作，可以算作是對系統(tǒng)空間關(guān)聯(lián)性查詢的逆向操作。

（3）細(xì)粒度的權(quán)限管理能力：系統(tǒng)考慮到了基于角色、基于部門、基于用戶、基于崗位等多方面權(quán)限控制行為，可以在管理員角色下實現(xiàn)權(quán)限的動態(tài)配置，包括對數(shù)據(jù)錄入、文檔上傳、數(shù)據(jù)查詢、文檔下載等操作行為的有效管理，同時，考慮到數(shù)據(jù)管理的規(guī)范性和防止惡意的數(shù)據(jù)查詢、錄入行為，在傳統(tǒng)的角色權(quán)限管理的基礎(chǔ)上額外增設(shè)了基于行政區(qū)化的權(quán)限控制能力，管理員能通過鄉(xiāng)鎮(zhèn)、區(qū)縣或者省份的空間范圍來限制用戶的數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。

圖3 屬性查詢

圖4 批量管理

4 結(jié)語

本文在著眼于瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)規(guī)范化管理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索了GIS技術(shù)在煤礦行業(yè)的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化方面的有效融合，并取得了如下成果：

（1）將GIS 技術(shù)與瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和分析需要進(jìn)行結(jié)合，有效補(bǔ)足了瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化和查詢能力，同時提升了數(shù)據(jù)的分析維度，為用戶的宏觀分析和決策提供了良好支撐。

（2）對復(fù)雜的瓦斯、地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理，將日常生產(chǎn)和業(yè)務(wù)相關(guān)的礦井、煤層、鉆孔及多種地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化的建庫建表，實現(xiàn)了對多礦井、多煤層的空間查詢、關(guān)聯(lián)查詢、復(fù)合查詢、瀏覽等功能，極大豐富和方便了用戶對瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的日常管理能力，提高了管理效率。

（3）通過對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的認(rèn)真分類整理，在數(shù)據(jù)管理上實現(xiàn)了對多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢和多源數(shù)據(jù)的錄入、導(dǎo)出等操作。

本系統(tǒng)已投入實際的生產(chǎn)工作中，為煤礦瓦斯的安全生產(chǎn)和有效治理提供了有力支撐。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)的不斷延伸，探索基于4D 地理信息系統(tǒng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的深度融合在瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)管理方面的應(yīng)用，勢在必行。