基于GIS的煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江成玉 李春輝 蘇恒瑜

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州省貴陽市,550003;2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南省昆明市,650093;3.貴州省礦山安全科學(xué)研究院,貴州省貴陽市,550025)

礦井火災(zāi)是煤礦重大災(zāi)害之一。由于井下空間相對封閉,礦井發(fā)生火災(zāi)后,火勢發(fā)展迅速,影響范圍廣,危害嚴(yán)重。近年來,我國許多煤礦因?yàn)榛馂?zāi)問題導(dǎo)致大量煤炭資源凍結(jié),同時(shí)由于火災(zāi)破壞了煤層合理的開拓部署和開采順序,給礦井帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。礦井火災(zāi)已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)與發(fā)展的重要因素。

礦井火災(zāi)救援行動(dòng)的有效性取決于救災(zāi)人員對煤礦火災(zāi)能否迅速、準(zhǔn)確、果斷的決策并且施以科學(xué)合理的救援措施。然而,隨著煤礦開采強(qiáng)度、開采范圍和開采深度越來越大,通風(fēng)系統(tǒng)日益復(fù)雜,如果救援管理?xiàng)l件不完善,一旦發(fā)生火災(zāi),如救災(zāi)人員不能及時(shí)了解火情及其動(dòng)態(tài)發(fā)展,往往貽誤救災(zāi)時(shí)機(jī),使災(zāi)害范圍擴(kuò)大,將嚴(yán)重危及礦工的生命安全。為解決這一問題,采用新的技術(shù)手段,提高救災(zāi)決策的及時(shí)性和可靠性已經(jīng)成為完善煤礦火災(zāi)救援體系的重要條件。地理信息系統(tǒng)(GIS,GeographicaL information System)是以地理空間數(shù)據(jù)庫(Geospatial Dababase)為基礎(chǔ),在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下描述、存儲、分析和輸出空間信息,采用地理模型分析方法,適時(shí)提供多種空間的動(dòng)態(tài)地理信息。對于礦井火災(zāi)具有涉及數(shù)據(jù)多、信息量大、時(shí)效性要求高,且多數(shù)信息具有三維立體空間定位需求的特性,將GIS應(yīng)用于煤礦火災(zāi)的救援管理中對提高煤礦火災(zāi)應(yīng)急救援水平至關(guān)重要。

1 火災(zāi)救援管理系統(tǒng)對GIS的需求

建立基于GIS的煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)救援的可視化,為救援人員提供可靠及時(shí)的井下信息,并為救災(zāi)行動(dòng)提供正確有效的決策支持,將火災(zāi)對礦井和人員的傷害影響降低到最低程度。GIS是一種決策支持系統(tǒng),是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理科學(xué)、測繪學(xué)、遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的新興交叉學(xué)科。地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的一個(gè)技術(shù)系統(tǒng),是具有信息采集、信息管理、信息分析、信息存儲、預(yù)測預(yù)報(bào)、空間分析、分析決策和動(dòng)態(tài)模擬等功能的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。

GIS具有3個(gè)特征:(1)具有信息的采集、管理、分析和輸出多種地理信息的能力,具有空間性和動(dòng)態(tài)性特征。(2)GIS由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)管理,并由計(jì)算機(jī)程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地理分析方法,作用空間數(shù)據(jù),產(chǎn)生有用信息,完成人類難以完成的任務(wù)。(3)GIS的重要特征是它由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持,因此可以使地理信息系統(tǒng)能夠快速、精確、綜合地對復(fù)雜的地理系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過程的動(dòng)態(tài)分析。GIS的諸多功能不但可以為救援決策者提供井下井巷參數(shù)、通風(fēng)設(shè)施和參數(shù)、設(shè)備及其參數(shù)的基礎(chǔ)信息,還可以為救災(zāi)人員提供合理準(zhǔn)確的救災(zāi)應(yīng)急預(yù)案。同時(shí),GIS具有強(qiáng)大的可視化功能,對救援人員了解火災(zāi)范圍、火災(zāi)動(dòng)態(tài)以及礦工動(dòng)態(tài)提供技術(shù)支持,大幅度減少火災(zāi)對礦井造成的損失,對提高煤礦的安全生產(chǎn)和保障礦工的生命安全具有重大意義。

2 火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建立一個(gè)合理的完整的地理系統(tǒng)不僅需要軟硬件,更需要人進(jìn)行系統(tǒng)組織、管理、維護(hù)、數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)擴(kuò)展完善和應(yīng)用程序開發(fā),并靈活的采用地理分析模型提取多種信息,為研究和決策服務(wù)。本文建立的煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)以GIS為開發(fā)平臺,實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)庫的結(jié)合,采用可視化編程語言面向管理決策者,目的在于一旦發(fā)生火災(zāi),可以將礦井內(nèi)部火災(zāi)和人員的動(dòng)態(tài)信息及時(shí)準(zhǔn)確的傳達(dá)給管理人員,以便決策者迅速、準(zhǔn)確、合理的啟動(dòng)火災(zāi)救援緊急預(yù)案,將火災(zāi)造成的損害程度降到最低。根據(jù)對煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的要求分析和開發(fā)目標(biāo),將系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為5大塊,即消防管理模塊、矢量礦圖模塊、火災(zāi)救援管理模塊、基本信息模塊以及系統(tǒng)操作控制模塊。模塊結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊圖

(1)基本信息模塊。本模塊是煤礦火災(zāi)管理救援系統(tǒng)的的基礎(chǔ),它采集、儲存、維護(hù)和管理著關(guān)于煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的詳細(xì)資料,主要由相關(guān)數(shù)據(jù)庫和地物屬性分布來構(gòu)成,為煤礦的火災(zāi)救援提供真實(shí)、可靠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。基本信息模塊包括礦井情況數(shù)據(jù)庫、煤層基本信息數(shù)據(jù)庫、國家法律安全規(guī)程、通風(fēng)信息數(shù)據(jù)庫、火災(zāi)類型級別數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)的輸入和修改。一旦煤礦發(fā)生火災(zāi),管理人員可以及時(shí)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù),為火災(zāi)的救援提供最基本的信息數(shù)據(jù),保障救援行動(dòng)的順利進(jìn)行。

(2)消防資源管理模塊。本模塊將是進(jìn)行火災(zāi)救援行動(dòng)的有力后勤保障,主要囊括了有關(guān)火災(zāi)救援所需的人力、物力資源以及壓風(fēng)自救和通訊設(shè)備,能夠?yàn)闋幦【仍A得寶貴時(shí)間,將火災(zāi)對資源和人員的損害降到最低。主要內(nèi)容包括礦區(qū)消防器材裝備情況、應(yīng)急救援專家和隊(duì)伍數(shù)據(jù)庫、井下消防設(shè)備分布數(shù)據(jù)庫、井下反風(fēng)裝置分布信息、井下壓風(fēng)自救分布數(shù)據(jù)庫和井下通訊電話分布數(shù)據(jù)庫。煤礦發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候,管理人員可以在調(diào)集救援專家隊(duì)伍、消防器材的同時(shí),展開自救行動(dòng),盡可能的保障礦工的生命安全。

(3)矢量礦圖模塊。本模塊對實(shí)現(xiàn)火災(zāi)救援行動(dòng)的可視化具有重要作用。煤礦井下發(fā)生火災(zāi)時(shí),管理人員可以及時(shí)調(diào)用采掘工程圖和通風(fēng)系統(tǒng)圖,確定火源發(fā)生地點(diǎn),以及由于火災(zāi)產(chǎn)生的火風(fēng)壓造成的風(fēng)流紊亂對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響,及時(shí)把握火情及其動(dòng)態(tài)影響,同時(shí)可以盡可能地利用通訊設(shè)備,指導(dǎo)礦工沿避災(zāi)路線進(jìn)行自救,實(shí)現(xiàn)對井下作業(yè)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該模塊主要包括煤層采掘工程圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖、避災(zāi)逃生線路圖以及人員定位動(dòng)態(tài)監(jiān)控圖。

(4)火災(zāi)救援管理模塊。它是煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的核心,具有維護(hù)和管理煤礦火災(zāi)應(yīng)急救援的基本功能,也是具體實(shí)施救援時(shí)的決策依據(jù),主要內(nèi)容包括:火災(zāi)應(yīng)急救援預(yù)案、滅火技術(shù)和方法數(shù)據(jù)庫、火災(zāi)歷史記錄數(shù)據(jù)庫、國家和地區(qū)救援基地點(diǎn)、模擬管理和實(shí)戰(zhàn)管理(煤礦發(fā)生火災(zāi)后,管理人員可以根據(jù)火災(zāi)類型、級別和規(guī)模計(jì)算所需的后備力量,為救災(zāi)決策者提供輔助決策信息,決策者可以根據(jù)火災(zāi)所需以最佳路徑調(diào)集救災(zāi)人員)、社會聯(lián)動(dòng)資源數(shù)據(jù)庫(醫(yī)療救助機(jī)構(gòu)、油料站信息、滅火器材供應(yīng)點(diǎn)、武警部隊(duì)信息、汽車修理等),為提高火災(zāi)應(yīng)急救援的反應(yīng)速度和救災(zāi)能力,以知識庫的形式向決策者提供火災(zāi)滅火的技術(shù)和方法、救災(zāi)設(shè)備和救災(zāi)專家,以及社會聯(lián)動(dòng)資源等,以便決策者啟用合理正確的火災(zāi)應(yīng)急救援預(yù)案,全面的指導(dǎo)救援行動(dòng)的開展,將火災(zāi)事故對礦山和礦工造成的損害降到最低。

(5)系統(tǒng)操作控制模塊。本模塊是火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的控制中心。它主要以知識庫和數(shù)據(jù)庫的形式構(gòu)建系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境,為人機(jī)交互對話提供良好的視圖界面。可以根據(jù)礦山管理人員的登錄級別限制其使用權(quán)限,它主要包括圖層控制、文件和對象編輯、視圖操作、屬性編輯和系統(tǒng)的登錄與管理。同時(shí)它還可以對采掘工程圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖、井下消防設(shè)備分布、人員定位監(jiān)控進(jìn)行可視化顯示、放大、縮小、移動(dòng)等基本操作。對火災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行精確定位和火情動(dòng)態(tài)影響顯示。

2.2 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)功能需求的分析下進(jìn)行GIS系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。GIS的系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)由5大模塊組成,用以滿足火災(zāi)救援系統(tǒng)的需求。數(shù)據(jù)源由4個(gè)數(shù)據(jù)庫組成,空間數(shù)據(jù)庫儲存空間位置及所在的地理信息,屬性數(shù)據(jù)庫存儲與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系不緊密的屬性信息,包括變量、級別、數(shù)量特征和名稱等,時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲由于地理實(shí)體的時(shí)間變化或數(shù)據(jù)采集的時(shí)間變化而采集到的數(shù)據(jù),有些空間數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化相對較慢,可以忽略。對于大多數(shù)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用來說,時(shí)態(tài)屬性數(shù)據(jù)和專題屬性數(shù)據(jù)共同構(gòu)成屬性特征數(shù)據(jù),而空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)構(gòu)成地理數(shù)據(jù)。知識數(shù)據(jù)庫存儲國家政策、經(jīng)驗(yàn)知識、解題技巧與模型以及書本和資料中的各種知識等。通過系統(tǒng)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)火災(zāi)救援管理系統(tǒng)地理信息和屬性信息的無縫連接煤礦火災(zāi)求援管理系統(tǒng)框架見圖2。

3 火災(zāi)救援管理系統(tǒng)的開發(fā)

本系統(tǒng)的運(yùn)行操作系統(tǒng)為windows98、2000、XP,采用SuperMap組件式GIS軟件SuperMap Object 5.0作為開發(fā)平臺建立礦井火災(zāi)應(yīng)急求援管理系統(tǒng),它易于開發(fā),并實(shí)現(xiàn)了與流行開發(fā)程序設(shè)計(jì)語言(如VC、VB、Delphi、)的無縫集成,SuperMap組件式GIS以標(biāo)準(zhǔn)ActiveX控件的形式提供了GIS的全部功能。基于GIS的礦井火災(zāi)救援管理系統(tǒng)采用的SuperMap Object的開發(fā)平臺具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

(1)功能強(qiáng)大。Super Map Objects提供了11個(gè)控件、170多個(gè)可編程對象和3000多個(gè)二次開發(fā)接口,二次開發(fā)能力強(qiáng)大,封裝粒度適中。

(2)高度的可伸縮性。Super Map Objects是全組件式GIS開發(fā)平臺,各個(gè)GIS組件可以像搭積木一樣靈活的分拆和組合。

(3)高性能的數(shù)據(jù)庫訪問引擎。Super Map Objects內(nèi)置了SuperMap GIS最新空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)——Super Map SDX+。

(4)面向?qū)ο笈c面向拓?fù)湎嘟Y(jié)合。Super Map Objects支持以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和面向?qū)ο髢煞N方式來組織空間數(shù)據(jù),更兼有二者之長,為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)組織提供了更多的選擇,有利于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)難度。

Visual Basic、VisualC++、Delphi、Visual C.NET、Visual Basic.NET、Visual C++、ASP.NET等流行的開發(fā)工具均可以結(jié)合SuperMap Object進(jìn)行二次開發(fā),本系統(tǒng)采用了目前最為流行的開發(fā)工具——Visual C++作為系統(tǒng)的開發(fā)工具。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Microsoft SQL Server 2005,SQL Server界面友好,使用方便,與VB、VC、Delphi等高級開發(fā)語言結(jié)合較為密切。

基于GIS的煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng)需要在收集我國煤礦火災(zāi)詳細(xì)資料的基礎(chǔ)上,分析我國煤礦目前所具備的火災(zāi)救援技術(shù)、方法,以及救援預(yù)案等條件下,針對煤層具有自燃傾向性的煤礦進(jìn)行聯(lián)合開發(fā),以便更進(jìn)一步完善系統(tǒng),滿足煤礦火災(zāi)救援的要求。該系統(tǒng)的成功研發(fā)將有助于解決我國煤礦火災(zāi)救援系統(tǒng)不完善的現(xiàn)狀,將火災(zāi)對礦山和礦工造成的損害降低到最低。

4 結(jié)語

基于GIS的煤礦火災(zāi)救援管理系統(tǒng),是在為了有效解決因我國煤礦火災(zāi)造成大量資源凍結(jié)和嚴(yán)重危及礦工生命安全問題的思路下進(jìn)行開發(fā)的,尤其對煤層具有自燃傾向性的煤礦而言,建立該系統(tǒng)將對其礦井火災(zāi)的救援行動(dòng)具有重大意義。該系統(tǒng)將GIS信息技術(shù)應(yīng)用到煤礦火災(zāi)救援管理中,并采用Super Map全組件式軟件作為開發(fā)平臺,為礦山火災(zāi)的救援行動(dòng)開辟了新的途徑,該系統(tǒng)的可視化平臺為煤礦火災(zāi)的救援行動(dòng)提供了新的手段,使救援決策者能更加準(zhǔn)確、及時(shí)、合理的做出決策,從而啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案,不但可以提高了救援行動(dòng)的及時(shí)性和可靠性,而且實(shí)現(xiàn)了救援過程中的動(dòng)態(tài)管理,最大限度了發(fā)揮了系統(tǒng)的優(yōu)越性。該系統(tǒng)的成功研制將對礦山的救援行動(dòng)提供有力的技術(shù)保障,促使煤礦安全生產(chǎn)向科學(xué)化、人性化、數(shù)字化的方向發(fā)展。

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