基于統(tǒng)一數(shù)字底座的煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)

關(guān)鍵詞：煤礦災(zāi)害預(yù)警；災(zāi)害融合管控平臺(tái)；統(tǒng)一數(shù)字底座；透明地質(zhì)；數(shù)據(jù)集成；三維建模；三維可視化

中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法（試行）》要求建設(shè)融合透明地質(zhì)的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，并具備地質(zhì)數(shù)據(jù)推演、地質(zhì)建模和地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化等功能[1-3]。目前大部分礦井陸續(xù)開展了透明地質(zhì)、災(zāi)害預(yù)警等系統(tǒng)建設(shè)，但各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，缺乏統(tǒng)一數(shù)字底座，距離全礦井災(zāi)害融合管控還有一定距離，主要存在以下問題[4-6]。

1） 透明地質(zhì)、安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、智能通風(fēng)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)多源異構(gòu)（系統(tǒng)異構(gòu)、結(jié)構(gòu)異構(gòu)、語(yǔ)法異構(gòu)、語(yǔ)義異構(gòu)），系統(tǒng)“煙囪林立”，“聯(lián)而不通、通而不暢”現(xiàn)象十分突出，為數(shù)據(jù)融合與挖掘帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。預(yù)警所需數(shù)據(jù)種類繁多、結(jié)構(gòu)不一，分散存儲(chǔ)于多個(gè)信息化系統(tǒng)或電子文檔中；采集接口缺乏統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)信息多采用FTP 進(jìn)行集成，地質(zhì)保障、安全管理等系統(tǒng)信息多采用自定義標(biāo)準(zhǔn)通過上位機(jī)進(jìn)行集成。

2） 基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的安全監(jiān)測(cè)信息數(shù)字底座尚未形成，不具備業(yè)務(wù)和空間2 個(gè)維度信息可視化集成、聯(lián)動(dòng)控制與信息多端同步推送能力。透明地質(zhì)、安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等缺乏統(tǒng)一空間坐標(biāo)，隱蔽致災(zāi)因子、安全監(jiān)測(cè)信息與預(yù)警結(jié)果相互之間聯(lián)系不直觀， 預(yù)警結(jié)果的解釋力不足， 缺乏“ 地質(zhì)構(gòu)造—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)—預(yù)警結(jié)果—避災(zāi)輔助”的系統(tǒng)化、可溯源互饋的可視化表達(dá)手段。

3） 管控平臺(tái)涉及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急控制等系統(tǒng)，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)部分功能重復(fù)，流程不暢，難以集成復(fù)用；目前管控平臺(tái)對(duì)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警等功能的簡(jiǎn)單集成，但各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，平臺(tái)存在核心功能不能全覆蓋，與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間處置流程不能有效銜接，數(shù)字化決策支撐不足等問題。

針對(duì)上述問題，本文從數(shù)據(jù)、功能、流程和可視化等角度，以基于透明地質(zhì)的災(zāi)害融合監(jiān)測(cè)預(yù)警管控為目標(biāo)，研發(fā)基于統(tǒng)一數(shù)字底座的煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)，可為煤礦數(shù)字化防災(zāi)提供參考。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 統(tǒng)一數(shù)字底座內(nèi)涵在智慧城市領(lǐng)域，數(shù)字底座典型特征為融合多源異構(gòu)的空間三維數(shù)據(jù)，建立實(shí)時(shí)映射的信息模型與物聯(lián)感知體系，實(shí)現(xiàn)全要素信息的數(shù)字化和語(yǔ)義化[7]。針對(duì)煤礦管控平臺(tái)，數(shù)字底座目前尚無(wú)統(tǒng)一定義，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[8-11]，統(tǒng)一數(shù)字底座具有以下特征。

1） 在數(shù)據(jù)方面，透明地質(zhì)、井巷工程、安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、綜合平臺(tái)等系統(tǒng)均遵循統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源描述方法， 滿足“ 一詞一義， 一數(shù)一源， 一源多用”。

2） 在功能方面，業(yè)務(wù)系統(tǒng)和綜合平臺(tái)遵循統(tǒng)一架構(gòu)和框架體系，功能上應(yīng)減少冗余、避免重復(fù)、互相調(diào)用、無(wú)縫集成。

3） 在流程方面，遵循統(tǒng)一的預(yù)警基礎(chǔ)架構(gòu)，預(yù)警規(guī)則具有一致性，預(yù)警結(jié)果可融合，預(yù)警處置流程可銜接、流轉(zhuǎn)。

4）在可視化方面，各類數(shù)據(jù)能在統(tǒng)一三維底圖上進(jìn)行疊加、展示、交互。

1.2平臺(tái)總體架構(gòu)

基于統(tǒng)一數(shù)字底座的煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用支撐層和應(yīng)用層，如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、解析、交換共享。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層由云基礎(chǔ)設(shè)施和各類數(shù)據(jù)庫(kù)組成：云基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的服務(wù)器、云操作系統(tǒng)等軟硬件基礎(chǔ)資源；數(shù)據(jù)庫(kù)包括瓦斯、水害、火災(zāi)、礦壓、透明地質(zhì)、智能通風(fēng)等專題數(shù)據(jù)庫(kù)和公共數(shù)據(jù)庫(kù)，各數(shù)據(jù)庫(kù)通過統(tǒng)一權(quán)限認(rèn)證機(jī)制下的數(shù)據(jù)模型及接口進(jìn)行共享交互。應(yīng)用支撐層由各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的分析服務(wù)和平臺(tái)提供的基礎(chǔ)服務(wù)構(gòu)成，包括機(jī)理模型服務(wù)、控制模型服務(wù)、云組態(tài)服務(wù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)服務(wù)、空間量算服務(wù)、災(zāi)害仿真服務(wù)、GIS 服務(wù)、消息服務(wù)等，各服務(wù)通過服務(wù)總線進(jìn)行按需發(fā)布。應(yīng)用層為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)全礦井災(zāi)害的集中監(jiān)控、預(yù)（報(bào)）警信息發(fā)布、應(yīng)急處置等。

1.3平臺(tái)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互架構(gòu)

煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互架構(gòu)如圖2 所示。

透明地質(zhì)系統(tǒng)融合礦井鉆孔、生產(chǎn)圖紙、導(dǎo)線成果、三維物探等多源異構(gòu)地質(zhì)資料，構(gòu)建井巷工程、煤層、巖層、斷層、鉆孔、富水區(qū)等真三維精細(xì)模型，并隨采掘生產(chǎn)適時(shí)動(dòng)態(tài)更新。該系統(tǒng)為煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)提供如下支撐[11]：① 提供統(tǒng)一的井巷數(shù)據(jù)來(lái)源。傳統(tǒng)水害、火災(zāi)、礦壓、智能通風(fēng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)多是通過自制CAD轉(zhuǎn)GIS工具，實(shí)現(xiàn)井巷拓?fù)涞纳?、屬性?biāo)注等，進(jìn)而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算、預(yù)警分析等。由于各系統(tǒng)采用的空間坐標(biāo)系不盡相同，圖紙不能疊加，分析結(jié)果不能直接利用。② 提供空間量算服務(wù)。隱蔽致災(zāi)因子是礦井各類災(zāi)害本源，融合透明地質(zhì)的災(zāi)害預(yù)警需考慮采掘位置與構(gòu)造（斷層、采空積水區(qū)等）的時(shí)空位置關(guān)系等。③ 為災(zāi)害預(yù)警分析和融合管控可視化分析提供統(tǒng)一時(shí)空坐標(biāo)系的三維地質(zhì)模型，可揭示井巷工程、地質(zhì)構(gòu)造等空間三維關(guān)系，并支持地質(zhì)屬性查詢等。

智能通風(fēng)系統(tǒng)基于統(tǒng)一數(shù)字底座進(jìn)行通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、通風(fēng)決策分析和通風(fēng)動(dòng)力控制等[12]，并將通風(fēng)隱患、風(fēng)流風(fēng)向、調(diào)控策略和通風(fēng)控制等分析判識(shí)服務(wù)發(fā)布成接口，供其他系統(tǒng)調(diào)用。

各災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)基于統(tǒng)一數(shù)字底座，按需調(diào)用透明地質(zhì)系統(tǒng)提供的空間量算服務(wù)和智能通風(fēng)系統(tǒng)提供的決策支持服務(wù)，開展預(yù)警分析，將預(yù)警結(jié)果、控制策略實(shí)時(shí)推送給煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)，并提供支持實(shí)時(shí)調(diào)用的災(zāi)變仿真與避災(zāi)路線動(dòng)態(tài)規(guī)劃服務(wù)，供煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)按需調(diào)用。

煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)提供統(tǒng)一數(shù)字底座支撐服務(wù)，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)透明地質(zhì)、安全監(jiān)測(cè)、安全管理等數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，為各系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持：構(gòu)建基于透明地質(zhì)的二三維GIS 服務(wù)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一可視化交互分析等提供支撐；提供統(tǒng)一功能與業(yè)務(wù)承載框架，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能相互調(diào)用與流程銜接；集成各單一災(zāi)害、融合災(zāi)害與智能通風(fēng)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警結(jié)果等，實(shí)現(xiàn)多災(zāi)害預(yù)警和報(bào)警等信息的統(tǒng)一發(fā)布；集成災(zāi)害成因機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常判識(shí)別處置策略，形成全礦井多層級(jí)多災(zāi)害協(xié)同控制模型，可根據(jù)預(yù)（報(bào)）警結(jié)果，開展災(zāi)害仿真與避災(zāi)路線分析，并調(diào)用聯(lián)動(dòng)控制方案實(shí)現(xiàn)井上下風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息同步發(fā)布、分級(jí)分區(qū)斷電、通信聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)排水、一鍵撤人、通風(fēng)設(shè)施自動(dòng)控制， 以及應(yīng)急信息發(fā)布、流程管理、信息多端推送等[13-15]。

1.4平臺(tái)功能

基于統(tǒng)一數(shù)字底座的煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)承載瓦斯、水害、火災(zāi)、礦壓、粉塵等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、信息發(fā)布與處置等核心功能[9-10]。平臺(tái)以“井田地質(zhì)—井巷工程—區(qū)域場(chǎng)所”空間線和“瓦斯、水害、火災(zāi)、礦壓、粉塵、通風(fēng)”業(yè)務(wù)線2 條主線，按照“ 隱蔽致災(zāi)因素—安全監(jiān)測(cè)—安全管理—災(zāi)害預(yù)警—仿真規(guī)劃—協(xié)同控制”的災(zāi)害管控鏈路進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，如圖3 所示。平臺(tái)以井巷工程為統(tǒng)一可視化載體，支持從全礦到局部場(chǎng)景信息的分層、分類、分級(jí)鉆取與交互。分層是指根據(jù)空間位置、業(yè)務(wù)類別和元素類型等構(gòu)建專題圖層。分類是指按照“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”和“瓦斯、水害、火災(zāi)、礦壓、粉塵”等業(yè)務(wù)進(jìn)行展示與交互。分級(jí)是指按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警等級(jí)、預(yù)警等級(jí)進(jìn)行元素控制。

2平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1災(zāi)害數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和同一描述對(duì)象下的語(yǔ)義統(tǒng)一表達(dá)是開展多災(zāi)害融合管控的基礎(chǔ)。因此制定透明地質(zhì)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、智能通風(fēng)、預(yù)警處置等數(shù)據(jù)采集同步交互標(biāo)準(zhǔn)，以及元數(shù)據(jù)描述規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)代碼集，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換共享信息模型，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多災(zāi)種系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，如圖4 所示。

2.1.1透明地質(zhì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與服務(wù)集成

透明地質(zhì)系統(tǒng)主要提供井巷工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型數(shù)據(jù)和空間量算服務(wù)等，透明地質(zhì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與服務(wù)集成架構(gòu)如圖5 所示。① 井巷工程數(shù)據(jù)，主要包括巷道屬性、巷道拐點(diǎn)坐標(biāo)等。通過制定井巷工程數(shù)據(jù)交互規(guī)范，采用Web API 進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。② 地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，包括模型文件和模型屬性。模型文件由描述模型三角面坐標(biāo)的obj 文件、模型三維坐標(biāo)與紋理二維坐標(biāo)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的mtl 文件和jpg 格式的紋理文件構(gòu)成，通過FTP 進(jìn)行集成。模型屬性信息包括斷層類型、斷層傾角等，通過Web API 集成。③ 空間量算服務(wù)，包括任意2 個(gè)地質(zhì)要素間的最短距離計(jì)算、任意坐標(biāo)與地質(zhì)要素間的最短距離計(jì)算、任意要素與指定要素類型間的最短距離計(jì)算等?？臻g量算服務(wù)由透明地質(zhì)系統(tǒng)發(fā)布成Web API接口，供各業(yè)務(wù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)用。

2.1.2災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)集成

災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)集成的核心包括統(tǒng)一區(qū)域編碼、統(tǒng)一預(yù)警事件和統(tǒng)一預(yù)警等級(jí)等。統(tǒng)一預(yù)警區(qū)域指一個(gè)預(yù)警地點(diǎn)或?qū)ο笤诓煌瑯I(yè)務(wù)系統(tǒng)有相同的編碼標(biāo)志；統(tǒng)一預(yù)警事件指預(yù)警事件的始止時(shí)間、單次預(yù)警事件的界限、預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警結(jié)果描述等需具有規(guī)范性，擁有統(tǒng)一約定；統(tǒng)一預(yù)警等級(jí)指各個(gè)災(zāi)害的預(yù)警分級(jí)含義、預(yù)警顏色所代表的預(yù)警相對(duì)危害程度等具有一致性?；诮y(tǒng)一的預(yù)警信息描述規(guī)范，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)按照Web API 的形式及時(shí)將預(yù)警信息推送給煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)。

2.1.3安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多是以“點(diǎn)、類型、值”的形式進(jìn)行采集存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)量與上級(jí)設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備與監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)量與地點(diǎn)等時(shí)空關(guān)系缺失，不利于基于多測(cè)點(diǎn)的時(shí)空關(guān)聯(lián)挖掘分析。因此本文參考EIP模型，基于“場(chǎng)景—模型—對(duì)象—屬性”層級(jí)構(gòu)建數(shù)據(jù)對(duì)象模型[16-17]，如圖6 所示。

1） 屬性：具體監(jiān)測(cè)的物理量或擬合而成的具備物理意義的虛擬量，如通風(fēng)機(jī)開停等。每種屬性包含順序、讀寫屬性（靜態(tài)屬性、可寫屬性、可讀屬性）、重要性（一般、重要、核心、內(nèi)部屬性）、類別（靜態(tài)屬性、一般屬性、運(yùn)行指示屬性、控制類屬性、故障指示類屬性）、屬性名、類型（瓦斯、溫度等）和值域等。

2） 對(duì)象：用來(lái)描述具備相同屬性的集合，包括虛擬對(duì)象和物理對(duì)象等。

3） 模型：用來(lái)描述具有相同對(duì)象的集合，如1 套通風(fēng)系統(tǒng)等。

4） 場(chǎng)景：用來(lái)描述具有相同空間或業(yè)務(wù)關(guān)系的集合，由多個(gè)模型或?qū)ο蠼M成，如工作面瓦斯災(zāi)害監(jiān)控場(chǎng)景等。

根據(jù)上述關(guān)系描述可知，1 個(gè)模型可包含多個(gè)對(duì)象，1 個(gè)對(duì)象可包含多個(gè)屬性；不同的對(duì)象可以有相同的屬性，不同的模型可以有相同的對(duì)象。將存在于不同對(duì)象或模型中的相同屬性或?qū)ο蠖x為公共屬性和公共對(duì)象。

根據(jù)以上定義，設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)對(duì)象模型的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成架構(gòu)，如圖7 所示。

采集適配器通過指定的采集頻率獲取數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為內(nèi)存數(shù)據(jù)集合，然后根據(jù)定義數(shù)據(jù)＞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)＞其他數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)特征將內(nèi)存數(shù)據(jù)提交到消息隊(duì)列集群中。解析軟件通過加載數(shù)據(jù)對(duì)象模型進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到模型的轉(zhuǎn)換，并將解析后的模型數(shù)據(jù)推送到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)消息隊(duì)列。入庫(kù)軟件根據(jù)存儲(chǔ)策略進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)。根據(jù)數(shù)據(jù)特性將數(shù)據(jù)劃分為熱數(shù)據(jù)、溫?cái)?shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)：熱數(shù)據(jù)為訪問密度大、價(jià)值密度高、數(shù)據(jù)規(guī)模相對(duì)小的數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、近3 d 采樣數(shù)據(jù)等，存儲(chǔ)到Redis中；溫?cái)?shù)據(jù)為訪問密度一般、價(jià)值密度大、數(shù)據(jù)規(guī)模一般的數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)等，存儲(chǔ)到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中；冷數(shù)據(jù)為訪問密度低、價(jià)值密度低、數(shù)據(jù)規(guī)模大的數(shù)據(jù)，如密采數(shù)據(jù)、快照數(shù)據(jù)等，存儲(chǔ)到HBase中。

2.2井巷工程三維參數(shù)化建模技術(shù)

井巷工程三維參數(shù)化建模是實(shí)現(xiàn)基于透明地質(zhì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的井巷工程自動(dòng)更新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于PostGIS+GeoServer+OpenLayers+Three.js 開源框架，綜合利用相交運(yùn)算、最近鄰運(yùn)算、最短路徑運(yùn)算、緩沖區(qū)算法等，從巷道拓?fù)潢P(guān)系生成、巷道三維模型生成和要素空間關(guān)系生成等方面進(jìn)行井巷工程三維參數(shù)化建模[18-19]，如圖8 所示。

2.2.1巷道拓?fù)潢P(guān)系生成

巷道拓?fù)渖稍砣鐖D9 所示。① 基于從透明地質(zhì)系統(tǒng)獲取的井巷數(shù)據(jù)，根據(jù)巷道開始節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置、結(jié)束節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置等提取與每一條巷道相交的巷道。② 進(jìn)一步提取相交巷道的端點(diǎn)與拐點(diǎn)，然后使用端點(diǎn)與拐點(diǎn)的集合對(duì)巷道進(jìn)行打斷，并將打斷后的巷道分別保存拓?fù)浔怼＂?通過PostGIS 插件自帶的算法，生成巷道拓?fù)鋽?shù)據(jù)。④ 對(duì)于透明地質(zhì)中缺失的巷道其他屬性信息，通過開發(fā)GIS 維護(hù)組件，進(jìn)行巷道屬性補(bǔ)全。⑤ 將補(bǔ)全后完整的巷道拓?fù)潢P(guān)系及屬性信息發(fā)布成標(biāo)準(zhǔn)接口，供各業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。

2.2.2巷道三維模型生成

巷道三維模型生成基本原理：首先基于巷道屬性數(shù)據(jù)及巷道高程數(shù)據(jù)，在巷道二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上生成巷道三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后通過計(jì)算最小巷道夾角實(shí)現(xiàn)巷道分段，生成巷道內(nèi)角模型，并采用中線二分方法簡(jiǎn)化拓?fù)?，避免巷道接頭錯(cuò)位；最后通過緩沖區(qū)算法生成巷道邊線，并基于巷道高度、緩存半徑等進(jìn)行UV 貼圖，建立完整巷道內(nèi)壁模型。

針對(duì)巷道中膠帶等設(shè)備，利用建模軟件建立典型設(shè)備圖元，開發(fā)設(shè)備位置、姿態(tài)與巷道內(nèi)壁自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與三維巷道的貼合。

2.2.3要素空間關(guān)系生成

井下要素主要包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、井巷工程、地質(zhì)體、關(guān)鍵位置（如膠帶機(jī)機(jī)頭）等。擁有統(tǒng)一時(shí)空坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)是構(gòu)建各要素空間關(guān)系的基礎(chǔ)。針對(duì)自帶坐標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、關(guān)鍵位置，采用多參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

目前大多數(shù)井下設(shè)備、關(guān)鍵位置均缺乏三維坐標(biāo)，因此開發(fā)專業(yè)維護(hù)組件對(duì)各要素在井巷工程中的位置進(jìn)行人工綁定，然后通過坐標(biāo)生成算法，賦予其坐標(biāo)。在生成各要素空間關(guān)系時(shí)，一方面井下各要素都實(shí)際只存在于巷道中、相互間只能通過巷道聯(lián)系，另一方面用戶在繪制巷道與布置設(shè)備、關(guān)鍵位置時(shí)，既可能為了查看方便將要素放置在巷道外，也可能為了美觀不按照真實(shí)距離比例繪制巷道與布置要素。因此按照以下方法進(jìn)行要素空間關(guān)系生成處理：① 生成設(shè)備、關(guān)鍵位置與巷道的關(guān)系時(shí)，首先取與分析對(duì)象（設(shè)備或關(guān)鍵位置）相交的巷道作為所在巷道，若沒有相交的巷道，取距離最近的巷道作為所在巷道。② 生成設(shè)備與關(guān)鍵位置的關(guān)系時(shí)，先取設(shè)備與關(guān)鍵位置在鄰近巷道上的最近點(diǎn)作為實(shí)際存在點(diǎn)，再獲取2 個(gè)最近點(diǎn)的最短路徑，并取最短路徑的長(zhǎng)度作為設(shè)備與關(guān)鍵位置的實(shí)際距離。

2.3基于輕量級(jí)WebGL的地質(zhì)體三維可視化技術(shù)

地質(zhì)體的Web 端應(yīng)用主要包括三維可視化和剖切2 個(gè)部分。在可視化方面，地質(zhì)體三維精細(xì)模型通常面片數(shù)據(jù)量龐大、貼圖分辨率高，存在B/S 端加載緩慢、交互卡頓等缺點(diǎn)，本文綜合利用“模型壓縮+瀏覽器端緩存+渲染調(diào)度策略優(yōu)化”的策略實(shí)現(xiàn)基于WebGL 的地質(zhì)體三維可視化[20-21]。

1） 模型壓縮。glb 格式相對(duì)于obj 格式，具有文件數(shù)更少的特點(diǎn)；draco 是一種用于壓縮和解壓縮三維幾何網(wǎng)格和點(diǎn)云的算法庫(kù)，可在不嚴(yán)重影響視覺效果的前提下減小模型體積。因此可先將obj 格式轉(zhuǎn)換為glb 格式，再采用draco 算法庫(kù)中的相關(guān)算法對(duì)glb 格式進(jìn)行壓縮，減少模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

2） 瀏覽器端緩存。利用瀏覽器內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)IndexedDB 將已下載至瀏覽器的模型進(jìn)行本地緩存，在模型沒有更新時(shí)，二次打開網(wǎng)頁(yè)直接調(diào)用本地模型，而無(wú)需從服務(wù)器二次下載。

3） 渲染調(diào)度策略優(yōu)化。對(duì)模型進(jìn)行拆解、建表存儲(chǔ)，并分類標(biāo)志其重要性，通過遞歸算法以重要性排序依次加載模型，在最重要的部分模型已加載完畢后直接渲染展示，未加載模型以空白模型填充占位，待后臺(tái)加載完畢后再渲染替換，實(shí)現(xiàn)在不損失功能性的前提下減少用戶等待時(shí)間。

地質(zhì)體在線剖切可直觀展示隱蔽致災(zāi)因素的空間關(guān)系，包括“面切”和“體切”等功能。在Web 端，利用模型材質(zhì)判定的方法，讓鼠標(biāo)標(biāo)點(diǎn)區(qū)域切割掉的部分完全透明，實(shí)現(xiàn)快速剖切?！懊媲小睍r(shí)將2 個(gè)點(diǎn)生成的連續(xù)線段作為切割路線，保留隱藏地質(zhì)體剖面材質(zhì)，并通過重新計(jì)算賦值在剖面模型上。“體切”時(shí)將鼠標(biāo)點(diǎn)選的閉合區(qū)域進(jìn)行切割，將閉合區(qū)域外的部分進(jìn)行隱藏，同時(shí)通過閉合區(qū)域的多面計(jì)算，補(bǔ)上切割的紋理材質(zhì)。

2.4預(yù)警事件協(xié)同處置機(jī)制

為提高災(zāi)害預(yù)警及處置的準(zhǔn)確性和可靠性，避免控制指令沖突，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程銜接，設(shè)計(jì)各系統(tǒng)災(zāi)害預(yù)警事件協(xié)同處置機(jī)制，如圖10 所示。首先將單一災(zāi)害預(yù)警結(jié)果和聯(lián)動(dòng)控制策略上傳至融合預(yù)警系統(tǒng)；其次融合預(yù)警系統(tǒng)對(duì)其綜合分析形成災(zāi)害聯(lián)動(dòng)處理策略，并通過數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)與智能通風(fēng)系統(tǒng)的信息共享并將其推送給煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)；然后智能通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)獲取的信息生成通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制方案，并將方案發(fā)送給煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)；最后經(jīng)管理人員確認(rèn)后，由平臺(tái)通過Web API 接口、數(shù)據(jù)庫(kù)表數(shù)據(jù)共享、PLC/OPC 接口等方式實(shí)現(xiàn)控制命令下發(fā)、信息推送等。

3平臺(tái)應(yīng)用

3.1煤礦概況

基于統(tǒng)一數(shù)字底座的煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)在國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司麥垛山煤礦進(jìn)行了應(yīng)用。麥垛山煤礦多種致災(zāi)因素并存，礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層屬于容易自燃煤層。礦井分別建設(shè)有透明地質(zhì)系統(tǒng)、水害預(yù)警系統(tǒng)、火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、礦壓預(yù)警系統(tǒng)、重大災(zāi)害融合預(yù)警系統(tǒng)和智能通風(fēng)系統(tǒng)等。

3.2應(yīng)用效果

1） 礦井災(zāi)害全要素信息融合集成。利用災(zāi)害數(shù)據(jù)融合技術(shù)，制定了礦山物聯(lián)網(wǎng)信息10 類800 余項(xiàng)核心元數(shù)據(jù)，20 余類數(shù)據(jù)對(duì)象模型，覆蓋透明地質(zhì)、安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、協(xié)同處置等信息的數(shù)據(jù)共享規(guī)范，研發(fā)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近30 個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集與融合共享。利用井巷工程三維參數(shù)化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦井井巷工程自動(dòng)上圖、同步更新。利用基于輕量級(jí)WebGL 的地質(zhì)體三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地層、巖層、斷層、鉆孔、采空區(qū)等三維模型分層渲染，具備模型拆解、屬性查詢功能，支持在線剖切功能，能直觀表達(dá)井巷工程與構(gòu)造空間三維關(guān)系，如圖11 所示。

2） 災(zāi)害可視化管控。從空間和業(yè)務(wù)2 條線構(gòu)建了分區(qū)、分類和分級(jí)圖層，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)、隱患、安全監(jiān)測(cè)、微震能量事件、災(zāi)害預(yù)警、人員分布等信息的“一圖清”；同時(shí)針對(duì)采掘重點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了工作面災(zāi)害預(yù)警信息、基礎(chǔ)信息、生產(chǎn)信息、人員定位信息、隱患信息、存續(xù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)信息和相關(guān)技術(shù)資料等的綜合集成。

3） 典型異常事件輔助溯源。通過統(tǒng)一數(shù)字底座建立了井巷工程、人員定位、井下機(jī)車等要素的時(shí)空關(guān)系，進(jìn)而建立了定位基站、一氧化碳傳感器等設(shè)備的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)一氧化碳超限報(bào)警時(shí)，可自動(dòng)調(diào)用時(shí)空分析算法服務(wù)，自動(dòng)判識(shí)是否是機(jī)車通過導(dǎo)致的一氧化碳超限。同時(shí)通過建立的時(shí)空關(guān)系，建立了多傳感器監(jiān)測(cè)值異常邏輯判識(shí)模型，可自動(dòng)輔助識(shí)別傳感器監(jiān)測(cè)值長(zhǎng)期不變、傳感器誤報(bào)警等異常。

4） 風(fēng)險(xiǎn)事件數(shù)字化處置。平臺(tái)整合了水害、火災(zāi)、礦壓等災(zāi)害聯(lián)動(dòng)控制策略，構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)事件數(shù)字化處置流程。當(dāng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到異常時(shí)，可根據(jù)統(tǒng)一數(shù)字底座自動(dòng)定位事發(fā)地點(diǎn)，并根據(jù)災(zāi)害類型調(diào)用災(zāi)害仿真接口推演出災(zāi)害影響范圍；同時(shí)根據(jù)仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)井下實(shí)時(shí)人員所處區(qū)域的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)志；根據(jù)災(zāi)害仿真結(jié)果和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行逃生路徑規(guī)劃，并通過井下廣播進(jìn)行信息推送；根據(jù)災(zāi)害聯(lián)動(dòng)控制策略，經(jīng)人工確認(rèn)后，可執(zhí)行安全監(jiān)控、井下廣播、人員定位和智能通風(fēng)等系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備控制命令的發(fā)送。

4結(jié)論

1） 基于統(tǒng)一數(shù)字底座，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)一致、信息疊加、功能復(fù)用、流程銜接的煤礦災(zāi)害融合管控平臺(tái)，建立了平臺(tái)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互架構(gòu)，以“井田地質(zhì)—井巷工程—區(qū)域場(chǎng)所”空間線和“瓦斯、水害、火災(zāi)、礦壓、粉塵、通風(fēng)”業(yè)務(wù)線構(gòu)建了“隱蔽致災(zāi)因素—安全監(jiān)測(cè)—安全管理—災(zāi)害預(yù)警—仿真規(guī)劃—協(xié)同控制”的災(zāi)害管控鏈路。

2） 利用Web API 和FIP 接口對(duì)包括井巷工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型數(shù)據(jù)和空間量算服務(wù)的透明地質(zhì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與服務(wù)進(jìn)行集成，基于統(tǒng)一的預(yù)警信息描述規(guī)范對(duì)災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，通過“場(chǎng)景—模型—對(duì)象—屬性”層級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對(duì)象模型對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，解決了數(shù)據(jù)一致性難題。

3） 根據(jù)透明地質(zhì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從巷道拓?fù)潢P(guān)系生成、巷道三維模型生成和要素空間關(guān)系生成等方面進(jìn)行井巷工程三維參數(shù)化建模，并采用模型壓縮、瀏覽器端緩存和渲染調(diào)度策略優(yōu)化實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體模型在Web 端快速渲染，為災(zāi)害信息的統(tǒng)一可視化提供了載體。

4） 建立了逐級(jí)確認(rèn)的預(yù)警事件協(xié)同處置機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警處置流程的自動(dòng)銜接，提升了預(yù)警的可靠性。

5） 應(yīng)用效果表明，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了礦井災(zāi)害全要素信息融合集成、災(zāi)害可視化管控、典型異常事件輔助溯源和風(fēng)險(xiǎn)事件數(shù)字化處置等，提升了礦井防災(zāi)、減災(zāi)能力。