煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統研制

許懷亮，李崇山，馬 勇，李 敏，戶桂民

(1.山東科技大學資源與環境工程學院，山東 青島 266590；2.山東新河礦業有限公司，山東 濟寧 272000)

礦井瓦斯災害是煤礦井下采掘生產中的主要自然災害之一，對礦井瓦斯進行預防與監控是煤礦安全生產工作的重中之重。近年來，隨著自動化技術、計算機網絡技術及通訊技術的快速發展，我國大多數煤礦都裝備了礦井瓦斯監測監控系統，煤礦瓦斯防治工作取得了新的進展，為礦井安全生產做出了突出貢獻。但勿容置疑的是，一方面，隨著礦井煤炭產能的逐年擴大與采深的增加，礦井瓦斯防治工作所面臨的形勢依然嚴峻；另一方面，由于礦井安全監測監控系統中各種傳感器的安設位置相對固定且數量有限，采掘生產中重大瓦斯隱患的人工檢測與識別的關鍵作用仍然是監測系統所無法取代的，即瓦檢員瓦斯作業跟蹤檢測的作用一直是極為重要的。通過深入分析礦井重大瓦斯事故的發生原因與相關因素，不難發現，瓦斯檢測監控與管理方面存在的漏洞是導致礦井瓦斯事故頻發的重要原因。采掘生產中瓦斯檢測人員心存僥幸心理，不按規定檢測與操作的情況時有發生，甚至出現漏檢漏測情況。另外，人工瓦斯檢測數據不能及時傳輸到管理系統，管理人員不能實時掌握現場數據，造成瓦斯隱患信息撲捉滯后，則給煤礦日常安全生產工作帶來極大隱患。

本文提出的“煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統”，就是針對這些實際問題而開發的智能監控管理預警軟件。該系統綜合運用地理信息系統(GIS)數據可視化、信息地圖化技術，以Visual Basic 6.0語言為開發平臺，能夠實現地面和煤礦井下瓦斯檢測工作的動態互動管理，并能進行宏觀決策與分析。在系統開發與設計過程中，我們采用了先進的瓦斯檢測與防治工作理念，以改善瓦斯防治管理手段為切入點，力爭整體提升礦井瓦斯檢測與治理的技術管理水平。

1 GIS技術功能與應用

地理信息系統(GIS)是一種基于數據庫管理系統(DBMS)的空間對象分析與管理信息平臺，其基本構件主要由計算機硬件、軟件和相關的方法過程組成。GIS獨特的圖形數據與空間位置相結合，并以圖形圖像形式直觀、精確地顯示結果，為礦井瓦斯檢測預警系統可視化表達提供了強有力的技術手段。

GIS系統的主要功能有：①獨特的數據采集與編輯功能。GIS不僅具有數據采數據采集、管理、處理和分析功能，而且具有很強的圖形圖像處理多種信息的表達能力。②GIS可以更好地實現空間數據與屬性數據的無縫鏈接[1]。GIS包括各種要素分布的空間數據和這些要素的屬性數據，使得大規模的GIS系統與空間數據技術一體化成為可能，便于各種系統的集成和信息共享。③功能強大的數字化制圖系統。GIS的核心是一個地理數據庫，建立GIS時先將圖形數據和它的屬性數據輸出到數據庫中并編制用戶所需的矢量或柵格地圖。用戶可以方便地對空間數據進行編輯、處理、分析和輸出，也可對地理空間過程演化進行模擬和預測。④GIS的空間分析功能。GIS系統可利用其空間數據庫和屬性數據庫，通過空間查詢與空間分析進行空間定位和程序動態分析。GIS系統的組成結構如圖1所示。

圖1 GIS系統的組成結構

GIS技術為地理信息可視化表達提供了強有力的技術手段，利用GIS的空間數據和屬性數據集成技術可以對瓦斯檢測作業信息進行可視化處理。目前，GIS的動態檢測信息可視化能力已被廣泛應用于礦產資源管理、環境管理和模擬、災害預測、數字地圖可視化和應急救援等各個領域[2]。

2 瓦斯跟蹤巡檢預警系統結構及功能模塊設計

2.1 瓦斯跟蹤巡檢預警系統總體結構設計

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統的總體結構，主要由地面監測監控中心、數據信息傳輸平臺和井下無線信號及數據采集設備三部分組成，系統采用總線式組網方式，其總體結構布局如圖2所示。

圖2 瓦斯跟蹤巡檢預警系統布局圖

由圖2可知，瓦斯檢測人員在檢測點測完相關數據后，通過在各個讀卡分站設置的智能終端輸入檢測數據，經過CAN總線傳輸到地面監控主機；同時，監控分站會把瓦斯檢測人員所處的井下位置動態顯示在監控界面中。主機經過數據篩選與處理后，再把每個人員的位置信息和時間信息分割成獨立數組，之后對數組進行判別、處理、分析和發出預警提示，同時把這些特征信息寫入數據庫。利用GIS圖形數據與空間位置合成分析技術，系統的繪圖控件從數據庫中讀出這些特征信息后，根據時間先后順序、瓦斯檢測人員編號和讀卡分站號在對應區域動態顯示檢測人員的實時路線軌跡。地面監控中心站將數據信息傳輸到局域網，使遠程用戶也能在線查看井下各種監測信息，實現煤礦井下瓦斯檢測作業管理的全息動態監控[3]。

2.2 瓦斯跟蹤巡檢預警系統各部分功能模塊設計

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統設計的目的，是利用網絡(Intranet/Internet)技術、信息通訊技術針對煤礦生產過程中瓦斯檢測人員的安全技術措施執行檢測作業實時監控跟蹤，出現異常情況智能預警提示，實現生產礦井的“本質安全”的智能管理應用系統。系統主要部分功能模塊如圖3所示。

圖3 瓦斯跟蹤巡檢預警系統功能結構

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統的主要功能包括：

1)瓦斯作業實時動態監控：對井下瓦斯檢測人員分別用不同顏色的編號，在井下巷道分布圖上實時動態顯示他們的位置、所在采掘工作面、移動作業軌跡記錄以及井下瓦斯檢測人員的動態分布情況和數量等信息，可對任一瓦檢員當前安全工作動態監控[4]。這是系統的核心組成部分。

2)瓦斯檢測信息查詢：通過查詢瓦檢員在特定地點的到離時間、工作時間，實現對這類工作人員的實際工作情況進行監督。系統支持多種查詢方式，如所在區域查詢、時間查詢、未到達區域查詢等方式。可搜索任何一個或多個人員當前的實際位置，指定時間所處的位置、情況，實現目標快速定位，并顯示其相關詳細信息，可視化的圖形界面及操作性強。

3)瓦斯檢測數據統計分析：采用基于GIS的矢量圖技術，按照不同時間段、檢測區域等對瓦斯檢測的原始數據和加工數據進行統計分析，自動生成瓦斯信息柱形圖、折線圖或比例圖等圖表形式。系統包括數據統計和數據分析兩個功能，數據統計按照數理統計的方法對原始數據進行科學地分類匯總；數據分析對數據進行加工處理，并生成圖形、表格形式，得出決策信息為管理者進行決策提供科學依據。

4)智能跟蹤巡檢預警功能：利用現有局域網，將綜合預警數據庫服務器、預警數據管理系統和系統連接[5]，可實時動態反映瓦斯檢測人員的作業軌跡、地點，如發現瓦檢員、安檢員在井下某一地點工作超時，系統自動報警并顯示相關檢測人員詳細信息。實時監控并記錄系統工作狀態及系統通訊設備的工作狀況，對系統工作異常報警。

3 基于GIS的瓦斯跟蹤巡檢預警系統開發方案

目前，GIS的開發方式有三種，分別為獨立開發、單純二次開發和集成二次開發。其中，集成二次開發又包括兩種方法，一是OLE和DDE；二是組件式GIS[6]。

本系統開發采用的是中地數碼有限公司研制的MapGIS——搭建式GIS數據中心集成技術作為開發平臺，支持VC++、VB，Delphi、ActiveX控件等集成開發環境，在Visual Basic 6.0語言開發環境下，進行系統的開發與設計，建立了煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統，實現了與可視化程序設計語言的無縫集成。運用MapGIS組件式二次開發組件和其他VB對象的方法和屬性完成GIS基本功能，根據開發應用系統的規模大小，可以有目的地選擇GIS組件和控件，有效地控制系統成本及風險。

操作系統采用Windows 2003或Windows XP，在Visual Basic 6.0開發環境下,以SQL Server 2008為后臺數據庫，系統采用ActiveX數據對象(ADO)[7]訪問數據庫，實現了對瓦斯檢測數據的輸入、查詢和輸出等功能。運用GIS強大的屬性數據和空間數據空間分析功能，實現對瓦斯檢測數據的變形曲線分析，并生成圖形或表格的形式，進而發出預警提示。最后，系統采用VB 6.0對地面監測監控中心的系統操作界面進行設計，Visaul Basic提供了豐富的可視化編程工具，它將程序和數據封裝起來視為一個對象[8]，實現系統對作業全息動態可視化、智能跟蹤巡檢預警和網絡化管理。

4 瓦斯跟蹤巡檢預警系統開發流程

MapGIS包含了MapCAD的所有功能，數據中心支持ArcGIS、AutoCAD、SDO的中間件，并可實現圖庫的無縫管理，高效的空間數據庫管理(支持運用TCP/IP協議的LAN和WAN環境的訪問)，具有完備的空間分析工具、實用的網絡分析功能，支持多源圖像分析與處理(支持VC++、VB、Delphi、ActiveX等集成開發環境)。

系統的數據庫管理分為瓦斯檢測數據庫管理、地圖庫管理和屬性庫管理三個子系統，MapGIS通過視圖控件MapXView來顯示地圖數據，并且可以通過使用編輯控件MxEditControl來對地圖進行編輯或者進行空間分析、網絡分析等操作。數據管理可以通過數據庫服務器來進行，而數據的編輯處理通過地圖文檔來進行操作，數據管理和數據處理都可以通過工作空間控件統一管理。系統開發流程如圖4所示,在系統中心數據庫管理系統的基礎上，進行數據輸入和處理結構化數據，連接到制圖信息的軟件，通過軟件管理系統可實現檢測數據圖形或表格的生成[9]。

圖4 瓦斯跟蹤巡檢預警系統開發流程

5 預警系統運行情況簡介

煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統運行后，通過井下監控設備能夠及時、準確的將瓦斯檢測數據及瓦檢員的活動軌跡反映到地面監測監控中心。在地面監測監控中心站網站與手機短信息平臺，系統可自動不斷更新實時檢測數據報表頁面；各級領導及有關管理人員通過局域網或短信，即可及時方便的瀏覽各工作面的瓦檢員工作狀況和瓦斯檢測數據在動態圖形上的顯示情況。

通過點擊“GIS瓦斯作業跟蹤平臺”按鈕，在左側菜單出現瓦檢員巡檢動態跟蹤、瓦檢員當前位置查詢、檢測人員井下分布、瓦斯檢測數據統計、瓦斯檢測數據分析和檢測人員作業回放等功能按鈕，管理人員可通過系統上的井下巷道電子地圖實時掌握井下瓦斯狀況。動態井下巷道電子地形圖，采用GIS矢量圖技術，畫面可放大、縮小、平移，便于管理人員查看。

系統具有靈活、全面的報表系統，進行實時曲線、歷史曲線的顯示、查詢和報表打印功能。還可以同時顯示六條實時曲線，使用戶可以進行對比分析。

6 結論

以GIS、計算機網絡等為核心技術，設計了煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統。該系統以VB 6.0和MapGIS為開發環境，實現了對煤礦井下瓦斯檢測人員作業軌跡的可視化監控，并能智能預警提示，提高了礦井瓦斯監測監控管理水平。本文的主要研究成果有：

1)實現了瓦斯檢測作業軌跡與信息化管理之間的無縫銜接。將GIS圖像信息處理技術引入到煤礦安全信息化管理工作中，并與監控系統相結合，實現了煤礦井下瓦斯檢測人員作業過程可視化。地面監測中心管理人員可以通過傳輸系統提供的各種數據信息，及時了解瓦斯檢測數據，瓦檢員工作動態，促進了瓦斯檢測工作的科學化、網絡化。

2)建立了瓦斯檢測信息數據庫子系統，通過MapGIS平臺與Visual Basic 6.0開發環境提供的方法和屬性，編制了相對完整的煤礦瓦斯跟蹤巡檢預警系統軟件。系統可以動態管理與顯示井下巷道電子地圖及重大危險源分布在地圖上的實時動態，瓦斯檢測信息數據庫通過運用GIS技術的人機交互方式，并能以報告、表格、圖表或地圖形式顯示，以便為管理人員提供決策支持。

3)所建立的煤礦瓦斯檢測作業過程巡檢預警系統，將預先控制、實時控制、反饋控制等控制類型有機的結合在一起，將預警管理系統看作是一個控制過程，真正實現了礦井安全生產中的動態巡檢與智能預警功能。

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