三維GIS在古城煤礦安全監控系統升級改造中的應用

宋維軍 林 增 楊成友

（山東能源臨礦集團通防處，山東 臨沂 276017）

1 概述

2016年12月《國家煤礦安監局關于印發〈煤礦安全監控系統升級改造技術方案〉的通知》指出：支持多網、多系統融合，實現井下有線和無線傳輸網絡的有機融合、監測監控與GIS技術的有機融合。在地面統一平臺上必須融合的系統：環境監測、人員定位、語音廣播和調度通訊。但日前的煤礦管理監控系統多采用二維工控系統，以二維圖表的形式進行數據顯示與梳理，數據表達不夠形象直觀，且各子系統獨立顯示，不利于管理。

隨著科技的日新月異，采用更形象生動的三維模擬仿真來還原煤礦生產、數據監控等過程已成為煤礦管理監控系統的發展趨勢。煤礦三維全景監測系統是數字化礦山的一個重要組成部分，利用虛擬現實技術、物聯網技術和三維可視化技術同時接入各類監測、生產等動態數據，直觀、實時地顯示人員、設備和環境信息，實現人機的動態交互，營造身臨其境的氛圍，從而在虛擬現實環境中將煤礦的復雜環境和生產狀態進行還原，具有身臨其境的效果，無論是專業人員還是非專業人員都可以很容易地獲得煤礦安全生產的各種實時信息。煤礦三維全景監測系統是具備礦山場景模擬和礦山開采業務管理信息化功能的全景監測系統，必將成為越來越多煤礦的首選。古城煤礦作為安全監控系統示范化礦井，有必要開發一套技術創新、穩定可靠，符合國家、省局要求的安全監控三維聯動平臺。如圖1所示。

圖1 礦山三維場景模擬圖

2 系統框架圖

系統框架圖如圖2所示。

圖2 系統框架圖

3 系統功能

（1）集成現有安全監控、人員定位、語音廣播系統數據信息，形成統一的數據倉庫，為各子系統數據融合應用作鋪墊，為大數據平臺建設提供數據資源。如圖3所示。

（2）根據已有子系統的數據信息，建立聯動平臺，利用聯動模型、平臺進行綜合評測，為可能產生的安全隱患、重大災害信息進行預測，對已發生的災害進行及時的聯動報警和應急處置。

（3）基于可視化動態仿真模擬平臺，提供圖形巷道編輯工具，可快速繪制，擁有強大的數據轉換功能：可通過煤礦提供的CAD巷道數據，轉換成三維的仿真巷道；3D設備的掛接：根據煤礦的實際情況，可在已生成的3D巷道基礎上，對巷道中的各類設備進行“掛接”操作。如圖4所示。

圖4 煤礦井下各巷道數據圖

（4）數據快速接入：系統采用統一的數據接口標準，煤礦中各監測設備的狀態和監測值都可以接入到本系統中來。系統可以實時顯示當前設備運行狀態和監測值，能最大程度地模擬整個煤礦井下各大系統的實時工作情況。

（5）分級聯動。利用聯動模型對事件進行分類處理。多系統多業務的智能聯動等級：

① 設備與設備：本地級決策進行聯動，可直接聯動控制本地設備，上傳決策和控制信息；

② 人與設備：系統級決策，利用多系統數據和決策模型進行遠程聯動人和設備；

③ 人與人：系統級+人員干預，人員需要根據系統級決策的結果，根據輸出結果進行專家參與，共同決策進行聯動控制。

（6）三維聯動應急救援。三維展示人員位置，可根據受災位置和影響范圍，計算人員撤離最優方案，并以人員干預設置路障進行應急通道方案預演。發生險情時，彈出提示框，報警聲音同時響起，在設備、地圖上以“警燈報警”的方式體現出來。同時，顯示監測值和環境數據，方便定位和處理；結合人員定位系統，可查看人員的位置、巷道內人員情況、人員運行軌跡；與井下視頻監控系統結合，在系統中通過點擊對應位置上的虛擬攝像頭圖標，即可顯示實時的井下視頻畫面。如圖5所示。

圖5 三維聯動應急救援方案設計圖

（7）三維通風仿真和風網解算

① 實現與安全監控系統、人員定位系統和廣播系統的互聯互動。

② 實現通風系統按需要分風仿真及網絡增阻調節功能。

③ 實現通風網絡解算及通風動態模擬功能。

通風網絡解算是系統的基本功能之一，在巷道貫通、密閉，通風設施構筑后，平臺自動對整個風網系統進行解算，動態模擬調整后的風網分量分配。通風網絡解算程序如下：

① 建立風網模型、設置各巷道斷面參數、摩擦系數和局部阻力；

② 對風網主扇、輔扇和局扇工況點進行分析、選型和仿真；

③ 參照測風報表數據，對解算結果進行分析和校驗；

④ 對模型進行修正。

根據通風系統調整的需要，可在現有風網模型的基礎上進行：

① 模擬新掘井巷的貫通和巷道廢棄；

② 模擬井巷斷面或長度變化；

③ 模擬風門個數、位置、調節量。

（8）實現粉塵系統功能擴展。實現與安全監控系統、人員定位系統和廣播系統的互聯互動。一方面可以進行塵源跟蹤和粉塵擴散仿真。另一方面結合員工職業健康評價體系，進行員工健康管理。

實時監測井下粉塵濃度，聯動人員位置信息，有效控制噴霧降塵設備、除塵風機，根據粉塵濃度對人員作業密集地點進行廣播通知。

4 主要創新點

4.1 三維多系統融合

借助三維圖形技術，實現對地面工業廣場、井下巷道、綜采工作面、井下設備、人員等信息的仿真模擬，并將安全監控、人員定位、廣播、通風、視頻等各個子系統的數據融合在一個三維畫面中，避免各子系統“各自為政”的情況。同時提供各類子系統信息的查詢界面，為各級人員了解井下綜合實時數據以及空間信息提供便利的手段。

4.2 GIS相關算法

借助導入的煤礦CAD平面勘測圖到三維中，獲取深度后繪制出井下立體巷道網絡，將GIS中與礦井相關的最短路徑算法應用于距離測量、避災路徑，實現在對井下真實三維空間地理信息分析計算的基礎上，將井下各類設備、人員的空間信息與實時狀態信息關聯起來進行綜合分析。

4.3 通風決策管理

在三維可視化環境中通過對風速、風量、風壓、風阻、通風成本等十幾種數據進行計算并設置顏色圖例，幫助用戶快速對數據進行分析和解譯；支持任意多級機站通風系統解算，風機調速、開關和反風模擬。

4.4 塵源跟蹤和健康決策管理

實時監測粉塵濃度，并進行塵源跟蹤。通過聯動噴霧降塵設備和人員信息，有效地降低煤礦粉塵危害和提高人員職業健康指數。

4.5 聯動模型及分級聯動

多系統融合后能綜合評估煤礦生產安全狀況，利用聯動模型自動評估井下安全狀況，根據評估結果對安全狀態進行分級報警。在緊急狀況時根據聯動模型能自動進行預案處置，減少了預案響應時間，提高了救援的效率。

通過對古城礦井下環境及相關設備的現場調研，明確基礎數據的來源，收集相關資料，包括系統的基本信息、配置情況、使用情況、巷道圖紙以及歷史通風監測數據等。

在明確了數據來源及相關圖紙等必要數據以后，確定獲取所需數據的方式及數據傳輸協議，進而開發針對安全監控系統和其他系統的接口程序；同時，開發專用于安全監控聯動平臺的三維展示程序。然后針對古城礦的各項基礎數據，開發基于三維GIS的平臺測試版，用于驗證數據的實時性和算法的準確性。根據實驗結果對產品進行優化改進，完成項目的功能及性能驗證以及工業性實驗。目前，三維GIS在古城煤礦安全監控系統升級改造中得到了廣泛應用。