地理信息系统在采矿安全中的设计与实现(1).pdf
工程地质计算机应用工程地质计算机应用 2008年 第1期 总49期 13 地理信息系统在采矿安全中的设计与实现 地理信息系统在采矿安全中的设计与实现 陈 凯 王 娟 李向新 陈 凯 王 娟 李向新（昆明理工大学 地图学与地理信息系统 昆明 650093）【摘要】【摘要】详细研究煤矿安全地理信息系统的结构、功能设计，并具体实现系统功能。【关键词】【关键词】GIS；安全信息；采矿；数据库访问；空间数据库引擎(SDE)；C/S 模式；ODBC；设计；1 前言 1 前言 煤矿安全信息是一种活跃的、动态变化的、与空间位置密切相关的信息,其预测和防治研究是一项系统工程,所涉及的数据信息量十分巨大，科学、高效、实时管理安全信息备受重视。国内煤矿安全研究和管理部门开展了不同程度的研究与系统开发工作,取得了阶段性成果。具体地说,主要进行了以下工作。针对具体煤矿的“一通三防”信息管理,主要包括通风测量、通风设施、防火、防尘、防瓦斯等针对局、矿两级的矿井通风安全报表系统,主要是完成报表填报管理。针对矿井“一通三防”中技术问题的辅助系统,主要功能是矿井通风测量、主要通风机性能测定、通风网络解算、绘制通风系统图、通风网络图、瓦斯等级鉴定等。矿井监测系统以及与之相连接的数据处理系统,井下安全生产监控信息的表达主要以模拟图形为主。但是,很多研究与系统开发工作主要结合不同的专业领域来开展,如数值计算、报表管理、视频图像显示等;并没有结合煤矿安全管理与数据共享的特点从底层设计专用的地理信息系统。这样,系统既不能与动态变化的空间图形信息发生密切的联系,也不能很好地解决数据的完全集成和决策分析。随着网络技术的不断发展,信息共享成为用户的迫切需求,利用 Internet 在 Web 上发布信息,为不同用户提供空间数据查询、联机分析处理与决策等功能是行业地理信息系统发展的一种趋势。采矿行业因其专业需求的复杂性和空间数据的不可预测性导致煤矿地理信息系统应用与开发相对落后,但以空间信息为主的煤矿安全生产信息又离不开 GIS 的管理与应用。而实际生产中,煤矿安全地理信息系统的研究与开发一直没有获得实质性突破,矿井领导与上级主管部门仍无法快速、准确、直观、系统地得到具体煤矿的图文并茂信息。为此,煤矿安全地理信息系统的研究与开发对煤矿生产的安全开采与实时监测管理具有重要的实际意义。2 系统结构与功能设计系统结构与功能设计 煤矿安全地理信息系统是以 GIS 技术支持，实现图形与属性数据统一管理,针对矿井技术人员与领导、集团公司和上级主管部门等不同层次用户开发的计算机系统,具有信息共享、异构数据互访、多用户并发控制、安全信息联机分析处理、实时管理和数据统一存储管理于后台数据库管理系统等特点。系统的结构与功能设计主要涉及用户层、系统应用层与数据库系统层等方面的研究。（1）用户层主要是生产技术层与管理层系统直接面向两层不同的用户。对生产技术层来讲，系统具有科学管理、处理、分析数据并指导生产的功能，同时还具有向上级领导（管理层）汇报工作的功能。对管理层来讲，主要有矿井管理层与集团公司管理层。前者需要该系统为其提供成果数据进行矿井安全管理与决策，后者需要该系统根据实际需求提供各种报表数据、图形数据和实时监测数据，从而实现矿井监督管理和联机分析处理。（2）系统应用层主要由数据管理、分析与决策，实时数据管理等各种功能操作组成。煤矿安全地理信息系统不是简单的数据管理信息系统，它具有通风系统图、安全监测系统图等图件的管理分析，同时实现与属性数据的动态修改与删除等操作，并实现图形与属性信息的远程发布与在线分析。工程地质计算机应用工程地质计算机应用 2008年 第1期 总49期 14 （3）数据库系统层具有数据共享、异构数据互访、多用户并发控制和系统安全保障体系等特点。2.1 矿井安全地理信息系统 矿井安全地理信息系统面向矿井生产技术层它不同于传统数据库系统与 CAD 系统，是一个采集、输入、存储、检索、查询与分析空间数据，并且输出各种安全信息的计算机系统，主要针对空间点线、面等实体及其属性的管理。从地理信息系统角度讲，矿井安全地理信息系统主要包括图形数据库系统与属性数据库系统，前者主要输入、存储、查询图形数据（如:点、线、面及其拓扑关系等）,还具有图形的分析与输出等功能;而属性数据库系统主要完成图形实体的属性数据输入与管理、各种报表的管理与输出等。但是两者并不是孤立的，图形数据与属性数据间通过数据接口和数据库服务器实现动态连接。从数据管理角度，系统主要由通防数据管理通风预警预测数据管理和实时数据管理组成，它为通风系统图、防尘系统图等图件的绘制提供了分数据与属性，如巷道风速、瓦斯含量等。图形数据库管理系统主要由矿井通风系统图通风系统立体示意图、通风网络图、矿井防尘系统和安全监测系统图等各种专业图件的绘制、管理分析、打印等功能模块组成;同时具有通用 GIS 系统的各种功能（如:放大、缩小、修改、删除、移动、旋转、复制等）。系统主要包括数据输入、图形编辑、图形设置、图形显示、专业操作、数据输出、检索查询 模型分析和专业图例库等。属性数据管理系统主包括通风管理、瓦斯管理、防尘管理、灭火等管理、防治水管理等数据输入、管理、打印输出等。总体结功能设计如图 1。2.2 基于 Internet 的采矿安全地理信息系统 基于 Internet 的煤矿安全地理信息系统是建立在矿井安全地理信息系统的基础上，以 ActiveX、Java 和 ASP（Active Server Pages）等技术为支持，基于 Web 技术实现矿井安全信息的实时监测与远程管理，采用部分基于客户端 WebGIS 处理模型实现矢量图形的远程发布与管理，如图 2。具体功能如下：工程地质计算机应用工程地质计算机应用 2008年 第1期 总49期 15（1）实现集团公司有关领导（如董事长，总经理总工程师，安监局长以及分管安全生产其他领导，通风处和其他有关处室）和上级主管部门领导通过浏览器对煤矿通风系统和安全监测系统运行情况等进行实时查看与监督管理;实现对煤矿通风环境重大隐患的网上报警，例如瓦斯超限、风速超限、风量不足、温度超限与主扇风机运行故障等;结合历史监测数据和相应的图表做出准确的分析判断，并给出相应的反馈信息和决策。（2）通风处实现通风系统图、报表等资料的远程管理，实现报表的自动传输、自动汇总，实现通防安全信息管理的无纸化办公。（3）矿领导和兄弟单位可以通过浏览器获取本月图形和数据报表。矿领导从图形、报表或监测数据中及时做出准确分析与判断，并发现问题快速做出响应决策。3 系统实现与应用系统实现与应用 工程地质计算机应用工程地质计算机应用 2008年 第1期 总49期 16 系统的实现使煤矿安全生产管理跃上了一个新的台阶，对属于传统企业的煤炭工业进行了现代化改造，使我国的煤矿安全生产技术及管理水平与国家的信息化步伐同步;异构数据的相互利用（即开放数据互联）、信息共享为图形的自动生成提供基础数据，减少了数据管理人员与矿山绘图人员的大量工作;安全信息实时在线分析处理减少了大部分资料的报送环节;监测数据的联机分析处理为煤矿的安全开采起到了实时监督作用，避免了安全隐患的发生。该系统现已经在枣庄矿业集团与西部六矿得到了应用，并取得了良好的应用效果，如图 3、图 4。4 采矿安全地理信息系统数据库的选择 采矿安全地理信息系统数据库的选择 基于程序的访问数据库的几种方法如下：(1)专用的数据库访问工具：如 Power Builder，Delphi 等，它偏向于对数据库中数据的管理和显示，具有限的计算功能.既不适于用它来开发 GIS 应用系统，也难以将它们的数据操纵功能与现有的GIS 应用系统紧密结合。(2)嵌入数据库语言的常规语言：各数据库厂家为了让用户程序能直接访问自已的数据库，基本上都提供了专有的面向 C 语言的预编译头和静态库，如 OPEN CLIENT 和 ORACLE 的 PRO*C。(3)开放数据库互连性应用编程接口(open database connectivity application programming interface，简称 ODBCAPI)2,3。它是微软(Microsoft)公司提出的数据库访问形式.它通过确保所有的应用系统遵循标准的调用层接口，提供对特定数据源命令进行解释的驱动程序来保持应用系统的互用性。这样的应用系统是开放的，只要有相应数据源的 ODBC 的驱动，它就无需改变代码而可访问相应的数据库。在确定访问数据库的方式时，ODBCAPI 的开放性的优势是不言而喻的，但这种方式在效率上不如第二种访问形式.应说明的是：ODBC SQL 语法分为 3 层，即最小层、核心层和扩展层，尽管目前的大型数据库都能支持到扩展层，但为了保证应用系统的开放性，在具体编程实现时，尽量只使用最小层和核心层的语法。5 结论结论 (1)C/S 模式为目前网络平台 GIS 的首选，将 GIS 功能与数据库访问分层实现有利于保护现有的开发成果；(2)将数据请求层放在客户端和以 ODBC 作为数据库的访问方式保证了应用系统的开放性，其访问可跨越数据系统和操作系统平台；(3)实例表明，应用系统的反应速度更多取决于服务器的性能，而不是 ODBC 的效率。（下转第 6 页）工程地质计算机应用工程地质计算机应用 2008 年 第 1 期 总 49 期 6 统采用了基于三维可视化引擎的多元数据一体化显示策略，支持地表 DEM 数据、遥感影像数据、地质图、地质体三维边界、地质体内部属性以及工程体等数据的集成显示。同时，可对各种地学数据显示参数如绘制场景灯光、材质、模型大小、颜色、宽度、透明度等进行个性化设置。还可对模型进行平移、缩放、任意方向拉伸、旋转等交互操作。此外，系统实现了对模型数据沿任意方向剖切的功能，并支持体内部三维动态推进显示。针对目前工程开挖的特点，系统还提供了基于三维模型的隧道、洞室开挖模拟及漫游功能。4 结 论 4 结 论 随着我国工程建设的迅猛发展，工程勘察深度及广度得以不断拓展，为了更有效、更直观地考察地下地质体的各类特征，迫切需要对其三维形态进行比较准确有效地把握，因此，基于三维 GIS 技术的三维工程勘察信息系统应运而生。该系统主要利用钻孔、岩土体测试数据、工程设计图件等数据，构建地质体三维边界模型、地质体内部属性模型、工程体构筑物模型。通过实际应用检验，表明该系统基本满足工程勘察三维数据处理及模型建立的要求。但是，为了更好地发挥三维 GIS 的优势，该系统在专业方法分析等方面还有待于进一步加强。参考文献参考文献 1 张时忠.Info-Geotech 工程勘察管理信息系统开发方法J.地质科技情报,2001,20(3):105-109 2 包世泰,夏斌,蒋鹏,等.基于 GIS 的地质勘察信息系统设计与实现J.地理与地理信息科学,2004,20(4):31-35 3 潘懋,方裕,屈红刚.三维地质建模若干基本问题探讨J.地理与地理信息科学,2007,23(3):1-5 4 屈红刚,潘懋,王勇,等.基于含拓扑剖面的三维地质建模J.北京大学学报(自然科学版),2006,42(6):717-723 5 吕广宪,潘懋,王占刚,等.面向体数据的虚拟八叉树模型研究J.计算机应用,2006,26(12):2 856-2859 6 吕广宪,潘懋,吴焕萍,等.面向真三维地学建模的海量虚拟八叉树模型研究J.北京大学学报(自然科学版),2007,43(4):496-501 （上接第 16 页）参考文献 参考文献 1 谢旭阳,杜红兵,周心权,等.基于 INTERNET 的煤矿安全信息管理系统 J .矿业安全与环保,2001,28(3):325 2 陈开岩,陈发明.矿井通风测量数据处理方法的集成与应用J .中国矿业大学学报,2002,31(6):6002603.3 王德明,王俊,周福宝.基于面向对象技术开发的矿井通风图形系统J .煤炭学报,2000,25(5):5072511 4 胡亚非,张为荣,刘颀.煤矿主通风机在线监测与通讯系统在老矿井改造中的应用J .流体机械,2001,29(6):39-41 5 陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论M.北京:科学出版社,1999 6 Signor R,Creamer J,Stegman M O;侯雪萍译.开放式数据库互连 ODBC 方案集粹.北京：电子工业出版社,1995.12
