基于GIS技術(shù)的非煤地下礦山安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓京增

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì), 山東 濟(jì)南 250199)

0 引言

由于煤礦事故頻發(fā),礦山安全監(jiān)測(cè)的話題越來越引起企業(yè)的關(guān)注[1]。GIS作為多業(yè)務(wù)IP化的地理信息系統(tǒng),可以將其利用在對(duì)非煤地下礦山的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中,通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與GIS技術(shù)的結(jié)合,構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)的預(yù)警系統(tǒng)[2]。在GIS安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)部,可以清晰地展現(xiàn)出非煤礦山的地理位置信息、內(nèi)部通風(fēng)情況和對(duì)人員機(jī)器的跟蹤定位[3]。通過GIS技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單直觀的操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)非煤地下礦山的安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警。其中,引入GIS技術(shù)提供非煤礦山的地理動(dòng)態(tài)信息[4],能夠更好地處理礦山地下的遙感監(jiān)控。因此,本文針對(duì)非煤礦山在地下施工可能遇到的安全隱患,進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì),監(jiān)測(cè)非煤地下礦山環(huán)境,實(shí)現(xiàn)終端對(duì)于礦山內(nèi)部環(huán)境的全面安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

1 基于GIS技術(shù)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

非煤地下礦山的安全檢測(cè)系統(tǒng)需要擁有一個(gè)完備的嵌入式GIS組件和工具庫(kù),用來提供地下礦山的地理數(shù)據(jù),進(jìn)行表達(dá)的工具化處理[5]。其中,選擇INTEL-NEVE嵌入式工業(yè)主板為核心,擴(kuò)展外圍設(shè)備[6]。同時(shí)在嵌入式GIS組件中加入模擬量采集板,實(shí)現(xiàn)對(duì)非煤礦山內(nèi)外環(huán)境信息處理,做到及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)收集。GIS組件的采集板通過RFIDREADER對(duì)地下礦山的整體進(jìn)行初步探測(cè),將探測(cè)的信號(hào)通過RS232開關(guān)輸入板進(jìn)行傳輸,將處理好的數(shù)據(jù)加密發(fā)送到GIS嵌入式工業(yè)主板上。工業(yè)主板通過USB插口與電腦聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)VGA圖像輸出。由于地下礦山地形復(fù)雜,環(huán)境信息量大,因此,需要擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng)。

為了讓GIS組件更好地應(yīng)用于整體的GIS非煤地下礦山的安全檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng),還需要將嵌入式GIS組件和工具庫(kù)合并,共同形成GIS非煤地下礦山安全檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備。工具庫(kù)主要包括Toolbar工具控件、TOCC圖層樹控件、Map實(shí)時(shí)地圖控件和頁(yè)面布局控件。

2 基于GIS技術(shù)的非煤地下礦山安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

2.1 基于GIS技術(shù)實(shí)施數(shù)據(jù)采集

GIS技術(shù)主要是將地圖的空間位置進(jìn)行可視化處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)非煤礦山的環(huán)境監(jiān)測(cè)。如圖1所示,GIS的檢測(cè)圖層模塊針對(duì)地下礦山的有限空間,對(duì)操作的對(duì)象進(jìn)行搜索。人、傳感器、主機(jī)都可以是GIS技術(shù)監(jiān)測(cè)的對(duì)象,通過閱讀器HR6020顯示出實(shí)際的地理位置,顯示人員跟蹤監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。跟蹤的區(qū)域和巷道感應(yīng)到信號(hào)后主動(dòng)發(fā)起通信,在終端上運(yùn)行,GIS軟件界面具體的監(jiān)測(cè)圖層見表1。

圖1 GIS地圖數(shù)據(jù)監(jiān)控圖層

表1 GIS監(jiān)測(cè)圖層

將GIS的架構(gòu)分為處理圖層、綁定數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)結(jié)果3個(gè)部分[7]。其中,位置傳感器信息和濕度傳感器信息可以在安全管理工作人員手中的GIS便攜監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,其他數(shù)據(jù)層可以在日常安全系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行操作。

2.2 礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)處理

通過GIS技術(shù)監(jiān)測(cè)非煤礦山空間位置的相應(yīng)數(shù)據(jù)后,開始對(duì)監(jiān)測(cè)好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8]。由于非煤礦山不存在瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn),不需要對(duì)礦山的易燃?xì)怏w進(jìn)行分析。但與其他礦山相同的元素在于非煤礦山內(nèi)部的空氣流通仍然是地下礦山進(jìn)行實(shí)際操作需要重點(diǎn)關(guān)注的問題,需要對(duì)非煤礦山內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)預(yù)警的數(shù)據(jù)處理[9]。

非煤礦山通風(fēng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)預(yù)警主要是由風(fēng)流數(shù)據(jù)構(gòu)成,風(fēng)流數(shù)據(jù)主要是對(duì)非煤礦山內(nèi)部相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算,否則分支風(fēng)阻和自然風(fēng)壓條件的相關(guān)數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)椒敲旱V山的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中[10]。一般來說,合理的礦山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)主要是自然風(fēng),但是非煤礦山整體的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)要考慮到地下礦山的巷道設(shè)計(jì)、硐室生產(chǎn)等因素。因此,需要在數(shù)據(jù)庫(kù)建立的過程中對(duì)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié),消除地下工作環(huán)節(jié)的不平衡差異,實(shí)現(xiàn)對(duì)地下礦山安全性的保障。

理論上來看,風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)的方式充分考慮到了通風(fēng)控制系統(tǒng)中按需供風(fēng)分支的需要,具有技術(shù)完備、結(jié)果合理、可以降低通風(fēng)控制實(shí)現(xiàn)難度的優(yōu)點(diǎn)。如上文提到的操作,根據(jù)收集到的檢測(cè)結(jié)果調(diào)整非煤礦山數(shù)據(jù)測(cè)試的所有節(jié)點(diǎn)。具體操作如下:以每個(gè)非煤礦山數(shù)據(jù)測(cè)試的結(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn),其氣壓(節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓)為0,而其所有結(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓則計(jì)算為所求的量,每分支的風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果均大于它的2個(gè)端點(diǎn)的風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果之差。

上文已經(jīng)提到,所收集到的檢測(cè)圖層均為所有非煤礦山數(shù)據(jù)測(cè)試的節(jié)點(diǎn),以每個(gè)非煤礦山數(shù)據(jù)測(cè)試的節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn),若其平均壓強(qiáng)(節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓)為0,再以其他所有節(jié)點(diǎn)的平均風(fēng)壓為所求的量,則每分支的平均風(fēng)壓就相當(dāng)于它的兩端節(jié)點(diǎn)的平均風(fēng)壓之差。而根據(jù)這一關(guān)系和流體力學(xué)的規(guī)律,即可直接構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的矩陣方程。當(dāng)求解各個(gè)節(jié)點(diǎn)的全風(fēng)壓以后,就可再對(duì)各個(gè)分支的分壓比、風(fēng)量以及風(fēng)阻力等加以求解。節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓計(jì)算法就是以節(jié)點(diǎn)的全壓為最基本未知量的風(fēng)網(wǎng)解算方式,節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓與通風(fēng)阻力之間存在以下關(guān)系:

式中,h為節(jié)點(diǎn)之間的通風(fēng)阻力;H d為節(jié)點(diǎn)間的通風(fēng)動(dòng)力;p1、p2為全風(fēng)壓;H r為位壓差。

式中,x1和x2表示標(biāo)高,m;p表示風(fēng)流平均密度,kg/m3。公式(1)又可以改為:

對(duì)于m條分支,n個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)網(wǎng),可依式(3)建立如下A個(gè)方程:

式中,a ij為A矩陣的元素;p i為i節(jié)點(diǎn)間的風(fēng)壓,Pa;H f i-H rj為節(jié)點(diǎn)的位壓差,Pa。

公式(4)為風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)流能量方程。非煤地下礦山的通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)風(fēng)流流動(dòng)連通的設(shè)計(jì),可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山風(fēng)向的測(cè)試,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒敲旱V山通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,解決風(fēng)阻力造成的安全危害。

2.3 礦山預(yù)警數(shù)據(jù)比對(duì)

礦山的預(yù)警數(shù)據(jù)比對(duì)流程如圖2所示。通過風(fēng)網(wǎng)計(jì)算的風(fēng)流數(shù)據(jù)和GIS內(nèi)部對(duì)非煤礦山的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的配對(duì),其中,利用GIS的可視化功能將地下礦山的坡度要素與無線衛(wèi)星顯示的地下礦山的中高程數(shù)據(jù)結(jié)合,以壓縮的航空照相圖片為主,通過GIS中高程數(shù)據(jù)收集整理礦山坡度的線狀要素,實(shí)現(xiàn)對(duì)整體非煤礦山地下影像數(shù)據(jù)的獲取和處理。非煤地下礦山的垂直面的幾何信息由位置分布不規(guī)則的點(diǎn)建模形成,再將提取建模的礦山風(fēng)阻具體點(diǎn)位的位置以高清圖片傳輸。

圖2 非煤礦山數(shù)據(jù)比對(duì)流程

GIS地圖結(jié)合非煤地下礦山工程的實(shí)際情況制作,展示出了非煤地下礦山有可能存在風(fēng)阻的注意目標(biāo)。通過使用較少的點(diǎn)面積展現(xiàn)風(fēng)網(wǎng)計(jì)算的風(fēng)阻力環(huán)境,捕捉不同礦山坡度的風(fēng)速要素,把礦山的數(shù)據(jù)源進(jìn)行精確處理。若出現(xiàn)誤差,則立刻啟動(dòng)警報(bào),實(shí)現(xiàn)對(duì)非煤地下礦山通風(fēng)的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.4 實(shí)現(xiàn)非煤地下礦山監(jiān)測(cè)預(yù)警

本模塊可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào),并且當(dāng)監(jiān)測(cè)到問題時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào),提醒用戶檢查礦山井下環(huán)境。另外,該模塊還可以顯示出測(cè)點(diǎn)最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),供用戶分析使用。本模塊主要包括:報(bào)警信號(hào)識(shí)別、報(bào)警監(jiān)測(cè)和輸送路線的標(biāo)記。過程操作如圖3所示。

圖3 GIS監(jiān)測(cè)預(yù)警過程

打開監(jiān)測(cè)模塊,進(jìn)入監(jiān)測(cè)模塊的界面。開啟GIS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行模擬:若地下礦山的工作人員發(fā)出求救信號(hào),則迅速識(shí)別具體方位,將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面主機(jī),主機(jī)再輸送安全逃離路線,直到感應(yīng)器識(shí)別無人,解除警報(bào),完成GIS監(jiān)測(cè)預(yù)警處理。

3 測(cè)試試驗(yàn)

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的基于GIS技術(shù)的非煤地下礦山的全方位安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的有效性,通過灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

采用相同礦山的技術(shù)設(shè)備與工作人員,結(jié)合本系統(tǒng)的功能需求,基于GIS技術(shù)對(duì)非煤礦山的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。硬件的文件管理組件、視圖模擬分析器、查詢數(shù)據(jù)庫(kù)以及安全預(yù)測(cè)的應(yīng)急決策欄目工具欄,根據(jù)系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和重新錄入的操作。

礦山的地圖管理模塊分層顯示電子地圖,系統(tǒng)中劃分集中管理的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)系統(tǒng)劃分的對(duì)象所在圖層獲取對(duì)象類型,確定其主代碼,利用GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)處理,對(duì)實(shí)際地圖瀏覽空間數(shù)據(jù),包括井巷和監(jiān)測(cè)裝備,對(duì)圖形進(jìn)行放大、縮小、增加、修改、刪除操作。非煤地下礦山地圖的空間分析疊加通訊系統(tǒng),通過GIS技術(shù)對(duì)圖層進(jìn)行掃描,生成疏散路徑。在GIS的安全性系統(tǒng)內(nèi)部,各地理地形圖屬性之間的關(guān)聯(lián)完整錄入到相應(yīng)的程序中,一旦出現(xiàn)危機(jī)信號(hào),立刻啟動(dòng)報(bào)警裝置。

設(shè)備準(zhǔn)備就緒后采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)某礦山進(jìn)行安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。選擇地下礦山的-300 m、-303 m、-268 m為安全評(píng)價(jià)區(qū),建立判斷矩陣后計(jì)算出各元素的相對(duì)權(quán)重。然后分別選擇各安全評(píng)價(jià)區(qū)平面,將其安全現(xiàn)狀采用層次分析法計(jì)算得到歸一化后的權(quán)重向量代入改進(jìn)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式中。求出不同地理位置的指標(biāo)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想值灰色關(guān)聯(lián)度矩陣的關(guān)聯(lián)度,GIS系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度越接近理想狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度,說明系統(tǒng)的安全性能越好。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過灰色關(guān)聯(lián)分析法的系統(tǒng)調(diào)試之后,基于GIS系統(tǒng)的適用性測(cè)試結(jié)果見表2。

灰色關(guān)聯(lián)度探測(cè)方法下計(jì)算的數(shù)值越接近理想的關(guān)聯(lián)度,則安全探測(cè)預(yù)警的效果越好。由表2可知,該礦-300 m的工作面安全現(xiàn)狀最優(yōu),-303 m工作面安全狀況次優(yōu),比起前者,礦山最淺的-268 m工作面安全狀況最差。但整體上來說,測(cè)試的基于GIS技術(shù)的非煤地下礦山安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度基本與理想關(guān)聯(lián)度貼合,因此,間接證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)方法具有一定的效果。

表2 GIS系統(tǒng)的適用性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

GIS技術(shù)被應(yīng)用于非煤地下礦山安全檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,以其獨(dú)特的地理建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)安全和工作人員人身安全的重要保障。通過GIS計(jì)算機(jī)硬件的構(gòu)建和GIS技術(shù)相關(guān)軟件的構(gòu)建,共同實(shí)現(xiàn)非煤地下礦山數(shù)據(jù)的高效傳輸、收集,并對(duì)此進(jìn)行探查和監(jiān)測(cè)預(yù)警。

由于學(xué)術(shù)水平有限,以及存在非煤礦山場(chǎng)所、設(shè)備的差異,在試驗(yàn)的準(zhǔn)備和操作中還有不足,希望能在后續(xù)的研究中繼續(xù)精進(jìn)技術(shù),為國(guó)內(nèi)非煤地下礦山安全監(jiān)測(cè)預(yù)警工作貢獻(xiàn)力量。