基于地理信息背景的煤礦安全綜合監控系統

太原理工大學 暴 晶

空軍勤務學院 張 欣

徐州市水利局市區泵站 朱 謹

中國礦業大學 張 凱

基于地理信息背景的煤礦安全綜合監控系統

太原理工大學 暴 晶

空軍勤務學院 張 欣

徐州市水利局市區泵站 朱 謹

中國礦業大學 張 凱

當前礦山監控系統缺乏數據綜合展示平臺和手段，沒有形成綜合化的信息共享、呈現平臺，單一的信息子集或者信息子集的簡單羅列難以全面反映、分析、預判礦井的整體綜合安全態勢。為了解決該問題，提出綜合利用多種新型數據庫技術、地圖服務技術和應用層即時通信技術，實現了一種基于地理環境背景的礦山多系統監控數據綜合展示方法，綜合完整的顯示實時井下工作情況，推進煤礦生產的綜合安全管理。

監控系統；煤礦；綜合監控；地理信息系統

1 概述

煤礦生產安全是一個復雜綜合性問題，井下生產涉及供電、通風、排水、人員管理、環境監測、設備管理等多方面因素，而且各種因素相互之間能夠相互影響[1][3]。盡管當前大多數煤礦企業都有了多元的井下監控系統，但這些系統基本只涵蓋某一領域，沒有形成綜合化的信息共享、呈現平臺，單一的信息子集或者信息子集的簡單羅列難以全面反映、分析、預判礦井的整體綜合安全態勢[2][3]。為了解決該問題，本論文提出了一種礦山多系統監控數據綜合展示方法，以地理信息系統的方式綜合，將不同的環境、人員位置、設備狀態等信息及時顯示出來，綜合完整的顯示實時井下工作情況，希望進一步推進煤礦生產的安全管理。

2 當前礦山安全監控系統存在的主要問題

當前煤礦各個子系統和綜合自動化系統的建設提高了煤礦安全生產的自動化與信息化水平，但也存在不少的問題：

1)無法在一個統一的平臺上管理。現有的軟件系統由于前期開發沒有經過統一的考慮，形成的系統都比較獨立。軟件架構不同，有采用不同的開發環境。無法在一個統一的平臺上進行管理，給用戶的使用帶來不便[5][7]。

2)數據無法共享。各個軟件系統采用獨立的數據庫系統，對于共同使用的信息會存儲不同的版本，例如地圖的更新無法及時反映到所有的GIS平臺上，造成了信息的不同步[4]。

3)軟件重復開發，效率低下。各個子系統中存在功能類似的模塊都進行了重復開發，沒有形成可有效重用的模塊，造成系統研發效率低下[8]。

如果可以將各種信息全面搜集，使煤礦地理信息、監控傳感器信息、人員分布信息、設備狀態信息綜合展現，將能夠對煤礦安全生產更好的實施管控。

3 基于地理環境的煤礦安全綜合監控系統

為解決以上問題，論文提出通過設計一種時空統一的實時內存數據庫，將海量異構實時信息存儲，形成一個全礦井的實時監控信息交換平臺，然后在此基礎上結合地理信息系統將不同子系統的監控信息通過實時GIS的方式展現，形成增強型的礦山綜合信息系統。這樣來提高煤礦井下全面監控的力度和信息的利用效率。

3.1 系統的設計

系統整體采用B/S方式，如圖1所示，系統結構橫向上可以分為前端部分和后端部分，前端部分包括了實時監控數據傳輸、地圖操控和頁面控制等三個主要組件。

圖1 系統軟件模塊圖

后端則集中了系統的主要邏輯業務功能，縱向上它分為數據接入層、數據交換層和應用層。數據接入層主要完成了各個子系統實時數據接入的功能，該層通過實現向上統一的數據接入接口，無論底層數據共享是通過OPC、FTP、MODBUSTCP或是數據庫讀寫等手段，但最終向上層都實現統一的接口，這樣屏蔽了底層的差異性，保證了系統的穩定性；數據交換層包括靜態信息存儲區、動態信息存儲區以及數據讀寫使用的開放API，靜態區域主要存儲測點的配置信息（包括測點的名稱、點號、數據類型、空間坐標、所屬系統、功能描述等），動態區域實際上可以看做是一個實時內存庫，這里面存儲了各個測點的實時監控數據信息，而接口協議API主要實現了大批量數據快速讀寫的功能；應用層包含了基礎地圖服務和一些功能組件，用來將大批量實時數據與GIS相結合，并完成了系統必須的配置與管理功能，需要指出的是基礎地圖服務本身并不像一個應用模塊那么簡單，它是一個完備的實現了OGC標準的地圖服務提供者[7]，它可以是ArcGIS這樣龐大昂貴的商用軟件也可以是GEOServer這樣精巧開源的開放軟件，而我們只需要它提供的標準地圖服務。

3.2 數據交換層設計

數據交換層是系統的關鍵，其關鍵思想是在一致的時間和空間條件下綜合不同子系統的大量異構數據，向上形成時空統一的數據源。系統結合使用傳統結構化數據庫、NoSQL內存數據庫和大文件存儲技術。系統配置數據、描述文件等靜態數據，實時監測、監控數據，各個子系統的監測歷史數據實現了優化存儲與訪問，各自異構的多元子系統的數據被過濾，通過一致地數據描述方法和形式、一致的數據存儲接口方式，這樣便于信息的融合，同樣有利于將來更新科技水平條件下的信息更高層次利用。3.2.1 靜態數據存儲

靜態數據包括系統的配置數據、報警和測點監測歷史數據，經過分析需求，論文使用關系數據庫存儲系統相關的所有配置、報警數據，使用文件存儲方式存儲測點監測歷史數據。

1)配置、報警數據存儲。配置數據主要包括人員信息、部門信息、測點類型、系統類型、測點與系統關系、軟件安全管理信息等，這些信息關聯信息強，通過SQL語言可以方便查詢和操作；報警歷史數據雖然只是各個測點歷史超限數值的記錄，但相對于所有測點的不間斷歷史記錄數量很小，而且通過SQL語言可以根據時間、區域、名稱、測點號、系統編號等多種條件查詢。因此，這些數據論文中都設計采用采用E-R關系數據庫來存儲。

2)測點歷史數據存儲。測點歷史記錄數據龐大，每個礦井下有數十個子系統，每個子系統可能包含幾十、上百個測點，這樣統計下來，整個礦井測點數目將會達到上萬個測點，使用關系數據庫很可能出現瞬時巨量插入、數據表泛濫等問題。為此，系統設計了一種文件存儲的測點歷史數據存儲方法。系統將每個測點的歷史信息按日期和子系統類型分類，單獨存儲在一個文件夾中。如圖2所示，文件夾“A110905-001”代表安全監控系統模擬量測點在9月5日的1號分塊歷史記錄。

圖2 文件目錄結構

對于每個文件夾內文件存儲，系統采用了多級緩存的模式。首先歷史文件存儲分為兩個內存緩沖區和一個持久存儲區，即一級緩沖區、二次擬合區和持久區。新插入的歷史值首先被放入一級緩沖區，在該緩沖區內，每次新的數據到達時不是直接的將時間戳和測點值簡單追加記錄，而是根據時間戳間隔和數值變化進行壓縮僅保存時域內的變化率；當該區數據存滿時，會被轉儲到二次擬合區，在這個過程中，數據會被再次壓縮，進一步減小存儲空間需求；當二次擬合區存滿時，數據將被寫入磁盤，保存在文件中。

3.2.2 動態實時數據

系統采用了Memcached 作為動態數據存儲核心，Memcached內存鍵值對數據庫是一個開源的分布式高性能內存數據鍵值對緩存系統。它經常被用來處理成對的哈希點數據，能夠達到極高的吞吐性能指標，以減少應用程序的數據庫負載，被廣泛用于加速網頁訪問和分布式數據存取的動態負載均衡。

圖3 Memcached數據庫工作方式

如圖3所示，論文以Memcached作為實時動態測點數據存儲方式，用戶瀏覽器通過WEB應用程序可以直接訪問實時內存數據，當內存數據更新后，老的數據通過應用程序轉儲到歷史數據存儲區域。

圖4 “鍵值對”數據存儲格式

圖5 前端工作序列圖

如圖4所示，實時測點數據以“鍵值對”形式存儲，測點點號作為哈希查詢鍵，實時數據域作為值。實時值域包含測點的數值和數據到達數據庫的時間戳，都采用字面存儲，其格式為“數值：時間戳”；用戶端使用實時數據時通常是以地理區域來顯示區域內需要的測點數據，為此，系統會將靜態數據區域內的測點信息加載到動態內存緩沖區內，數據依然是采用“鍵值對”方式緩存，其中地理位置作為查詢鍵，測點號作為值。用戶在查詢數據時，動態數據庫首先根據地理位置區域查詢符合的測點，然后根據測點號返回對應的實時值。

3.2.3 基于WebSocket的前端數據推送與展示

在前端，系統以地理信息為綜合數據展示基礎，實現測點數據、監控數據、井下地理信息的綜合同一平臺展示。系統使用了GeoServer作為地圖服務，使用OpenLayers作為地圖操作的Javascript API，前端與后端的通信使用了websocket技術，前端的工作模式如圖5所示。

前端數據瀏覽可分為兩類，一類是數據的請求訂閱，一類是后端數據主動推送。前者主要應用在操作人員對地圖進行操作時，當用戶選中某塊區域時，WEB端通過openlayers向后端請求該區域的詳細地圖文件，同時通過websocket與應用服務器后臺建立數據連接通道，將區域參數發送給后端，然后后端業務模塊向動態數據庫請求測點實時數據，并通過websocket通道不斷將數據發送到瀏覽器，然后由openlayers地圖數據和測點實時信息繪制出來展現給操作人員；后者主要用于告警信息和短消息信息實時顯示，在操作人員打開瀏覽器地址后程序即自動通過websocket與后端建立連接通道，由業務層組件需要時推送數據到前端及時顯示。

前端與后端通信的數據幀格式采用JSON格式。數據請求幀格式為{“coordA”:“value”, “coordB”:“value”},其中“coordA”代表選中區域左下角坐標，“coordB”代表右上角坐標；數據返回真格式為{“serial”：[{“ID”：“value”，“coord”:“value”, “V”：“value”}，…….{““ID”：“value”，“coord”:“value””}]}，其中ID代表測點號，coord代表測點坐標，V代表測點實時值，這構成了單個測點的實時信息集。每個數據幀可以包括多個該信息集。

4 總結

論文分析了當前煤礦礦山現有煤礦監控系統使用情況和局限，提出了利用地理信息系統融合異構數據接入方法實現多元數據在統一平臺綜合呈現的方法，并針對煤礦安全子系統繁多，接口不一致情況，提出了層次化、插件式的系統整體架構，能夠促進礦山當前數據的有效利用，提升監控效率。

[1]吳雪峰.基于GIS的礦區救災導航系統的應用研究[J].微計算機信息,2008,24(5).

[2]劉厚泉.基于動態任務模型的LBS架構的研究[J].小型微型計算機系統,2009,5.

[3]吳立新等.試論發展我國礦業地理信息系統的若干問題[J].礦山測量,1998,4.

[4]趙紅澤.開源GIS在煤礦Web信息系統中應用方案研究[J].煤炭技術,2011,3.

[5]徐嘉興.礦區土地生態質量評價及動態變化[J].煤炭學報,2013,4.

[6]孟凡榮.煤礦安全預警系統體系構建[J].微計算機信息,2008,24卷.

[7]陳國良.煤礦區“一張圖”建設的若干關鍵技術研究[D].徐州:中國礦業大學圖書館,2011.

[8]吉才睿.煤礦數字化礦山系統平臺建設設計[J].電子世界,2013,4.

Comprehensive monitoring system of coal mine safety based on GIS background

Bao Jing1, Zhang Xin2, Zhu Jin3,Zhang Kai4
(1.Tai Yuan University of Technology Tai Yuan;2.Air Force Logistics College;3.Xuzhou Water Conservancy Bureau Urban Pumping Station;4.China University of Mining and Technology)

The current coal mine monitoring system lacks the comprehensive software platform,big data from different monitoring system could not be effectively organized together.However,a single subset of information is difficult to fully reflect,analyze and predict the overall integrated security situation of the mine.In order to solve this problem,a new comprehensive database technology,GIS service technology and application layer instant communication technology are put forward to realize the comprehensive display method of mine multi-system monitoring data based on GIS.Hoping to promote the safety management of coal mine production.

Monitoring system；coal mine；comprehensive monitoring；GIS

暴晶，男，太原理工大學電子與通信工程專業，碩士研究生。