采煤塌陷地動態監測管理系統的設計

王少卿，蔡德水，李新舉

(1.山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018；2.濟寧市國土資源局，山東 濟寧 272017)

0 引言

礦產資源作為一個國家或地區經濟發展的重要儲備資源，對推動城市化建設、基礎設施建設和國防安全起著重要的作用[1]。煤炭是我國的主要能源，占能源消耗的70%以上，在今后相當長的時期內煤炭仍將是我國的第一能源。2014年調查國有與地方煤礦萬噸采煤塌陷率為0.24hm2，由此可見礦山開采塌陷是十分嚴重的，地表沉降塌陷及礦區采空區變形觀測迫在眉睫。這種由地下開采引起的損害已不僅僅是個環境問題，而且影響到礦區城市的社會穩定與可持續發展[2]。目前我國的大部分礦山依然采用人工的監測手段，不僅周期長，其精度受人為因素影響較大，并且耗費大量的人力和物力，制約了礦山的生產和發展[3]。

現有的塌陷地監管系統存在一些不足：系統功能較為單一，僅包括圖像的顯示、分析、校準和查詢統計的功能[4]，或者單純開發一個GIS應用程序[5]，地表沉降監測數據更新不及時；塌陷區土地復墾項目沒有一個統一的平臺來進行管理，項目進度無從查看，嚴重拖慢項目進展，不利于礦區發展[6]；國土系統各市縣、各部門中存在大量自有的，封閉式架構的管理系統，容易導致信息溝通不暢、部門業務無法協同、工作效率低下等問題[7]。

針對上述不足，充分考慮塌陷地監管系統中的用戶需求和系統功能[8]，設計一個塌陷地監測管理系統,利用ArcGISEngine10.2和VisualStudio2010進行監測管理系統的開發，實現對礦區地表沉降數據的定時采集、自動快速傳輸、實時人工處理、監測信息可視化以及統一管理、項目全過程管理、塌陷預測警報的功能[9]，有利于相關部門和礦山企業科學、快速作出判斷，有效減少發生事故的可能性[3]。

1 系統開發環境的選擇

ArcGIS Engine是一個創建定制的GIS桌面應用程序的開發產品，可根據用戶要求定制開發特定功能的GIS程序。該系統開發語言選擇.NET平臺下的C#語言，C#語言簡單易學，通用性好，而且目前極其成熟的.NET4.0FrameWork為 C#語言增加了更多的功能[10]。所以筆者選擇的是ArcGISEngine10.2版本以及VisualStudio2010作為開發平臺。Arc SDE是ArcGIS的空間數據庫引擎，Arc SDE將空間數據和相關的屬性數據統一放在工業標準的DBMS下進行管理,支持多用戶并發訪問操作[11]。經過綜合考慮，DBMS選擇微軟的SQL Server數據庫管理系統。SQL Server經過多代發展，已經衍生出不同的版本，適合各類企業使用。因此，該系統采用Arc SDE作為空間數據庫引擎，DBMS選擇與Visual Studio配套的MS SQL Server2008。系統開發環境見圖1。

表1 系統開發環境

2 系統總體結構

2.1 系統目標

該系統的設計要達到幾個目標：①數據處理中心工作人員能高效地對塌陷地監測的數據進行日常管理，包括監測數據處理分析、更新；②系統能夠實時查詢塌陷情況，定時更新的數據以及存儲的歷史數據；③統計出圖功能，生成各種沉降等值線圖、塌陷地監測點分布圖等圖件[11]，并能自動生成各種統計報表；④能夠對塌陷地整治項目進行全過程管理，隨時查看項目進度，提高效率；⑤管理系統用戶的功能，包括用戶權限、用戶角色管理的功能。

所以，設計的整個系統的功能有：GIS基本的功能，數據管理功能，實時查詢塌陷情況功能，項目全過程管理功能，預測預警功能，用戶管理功能，出圖功能，以及數據實時傳輸更新功能。

2.2 系統總體架構

系統總體分為①UI界面(人機交互界面)。②基礎軟硬件層，提供硬件設施(服務器、電線、電纜、計算機等)，基礎軟件(計算機操作系統、服務器操作系統、網絡，以及相應基礎應用軟件)。③框架服務層(安全體系和標準規范體系等)。④監測系統層：基本功能模塊，查詢功能模塊，用戶管理模塊(管理數據庫，系統功能的添加刪除)預測預警模塊，項目全過程管理模塊，決策支持模塊，統計出圖模塊。⑤數據支持層(提供數據支持，存儲數據)。總體架構見圖1。

圖1 系統框架圖

2.3 系統運行流程

(1)數據采集：采集實地監測站(點)等實時監測到的數據，人工下載相應的數據。

(2)數據處理：采集后的數據傳輸至數據管理中心，通過人工方式進行處理。

(3)數據入庫：處理后的數據按照屬性數據、空間數據、非空間數據分別錄入相應數據庫，進行更新操作。

(4)其他功能：監管部門、礦山企業用戶通過人機交互界面使用監測管理系統，對塌陷情況進行查詢，同時可以實現基本的GIS功能；如果想對任意監測站(點)進行塌陷情況分析預測，可使用預測預警模塊進行預測，通過設置經驗值的閾值實現預警功能[12]；管理員可通過管理員界面進入，對系統進行日常維護，對用戶進行添加、刪除、修改信息操作，通過項目全過程管理模塊可以對各個項目情況進行隨時查看，統計塌陷地面積，打印各種圖表等可以通過統計出圖模塊進行操作(圖2)。

圖2 系統流程圖

2.4 數據源的選擇

需要的塌陷地監測數據有：

實時數據：遙感數據，InSar數據，外業觀測數據(全站儀，水準儀)，監測網絡平差觀測數據，監測網絡移動變形值數據。

人工處理數據：表面位移分析數據，形變速率數據，斷面變形分析數據，圖形數據，InSar數據，遙感數據。

歷史數據：遙感數據，InSar數據，外業觀測數據，基本信息數據，系統操作日志數據，監測網絡基本信息數據，地質開采資料[7]。野外實地調查拍攝的塌陷區樣片、國土資源局、各相關單位發布的年份統計資料等[13]。

3 系統功能設計

3.1 監測系統界面

監測系統界面左側是目錄樹，可以查看各個子模塊里的詳細信息，在系統界面最上方是各個系統子模塊按鈕，系統基本功能在各個系統子模塊按鈕下方；系統界面中部是地圖視圖，用來展示功能的詳細信息。系統界面詳見圖3。

圖3 系統界面圖

3.2 基本功能模塊

縮小、放大、平移、區域縮放、鷹眼。該模塊目的是實現GIS基本功能，例如添加刪除、放大、縮小、漫游等地圖操作功能。鷹眼功能方便用戶隨時了解當前圖形縮放區域在整個地圖中的位置。

3.3 查詢功能模塊

實時查詢塌陷情況，查詢歷史塌陷情況、屬性和空間查詢。通過與實地監測設備的連接(井下傳感器、水準儀、全站儀)，或者從指定網址下載的InSar數據，遙感數據進行人工處理分析傳輸至數據庫，監測系統通過數據庫訪問實時監測數據或者歷史數據，能夠實時查詢塌陷地的塌陷情況，分為省、市、縣(區)3個級別，點擊界面上的相應級別圖標，就可以顯示相應的信息，如監測站(點)位置、編號、實時監測的數據等。

3.4 預測預警模塊

該模塊分為以下幾部分：預測參數管理、預測結果顯示、預警警報。

(1)預測參數管理：預測參數管理是由管理員實現的，可以對參數進行添加、刪除、編輯，這幾個按鈕在系統界面下方。

(2)預測結果顯示：在預測模型的選擇上，該系統采用吳侃的開采沉陷時序一體化計算機實施模型(以下沉為例)，設某一工作面在ts時刻起開始回采，到te時刻結束，開采速度為v，要預計地表點P在t時刻的下沉。則P點在t時刻的下沉wpt(x，y)，采用疊加的方法求得：

Wpt(x,y)=∑wit(x,y)=∑wio(x,y)(1-egi(t-tt))

(i=1,2,…,m)

式中：m為切分的平行于工作面的小矩形工作面數目；ti為第i個小矩形工作面的開采時刻；gi為采深，同理可求得其他移動變形值[14]。輸入參數之后各個監測點的塌陷預測結果；在預測預警模塊中通過調用提前編寫好的概率積分法的模型，選擇相應的監測站點，輸入參數，用計算機進行運算得到開采沉陷的下沉等曲線圖。選擇的參數有：控制數據(工作面個數、預計點個數等)，工作面數據(開采時間數據、采厚、回采速度等)、預計點數據(預計點坐標、預計方向)[14]。

(3)預警警報：預警警報由塌陷地監測系統對變形位移信息分析，根據地表位移信息之間響應關系的經驗值進行決策預警。通過設置經驗值的閾值，可以設置多級閾值，多級閾值對應不同解決措施：正常施工，采取加固措施，停止施工并立即警報[15]。報警時間可以設置警報持續時間[15]，可以手動取消報警，也可以自動取消報警。警報子系統根據預報分析軟件可以自動通過無線網絡、手機、廣播等手段向煤礦企業、當地政府等發布危險警報信息[12]。

3.5 項目全過程管理模塊

每個項目下都有5個步驟：分別是項目踏勘，項目可行性研究分析[16]，土地復墾規劃設計[17]、施工、竣工驗收。

(1)項目踏勘：土地破壞程度(塌陷類型、積水狀況)，土地穩定性(地形坡度、地下水埋深)，土地質量(灌排條件、土層厚度、土壤質地、土壤鹽分)，工程適宜性(道路通達性、田地平整度)[18]。

(2)可行性研究分析：項目概況(要求包括名稱、建設地點、報告編制單位、項目建設背景、規模、范圍、內容、目標、周期)，項目建設地概況(自然資源、社會經濟條件，土地利用、基礎設施情況)，資金狀況(投資估算、投資規模、資金來源、財務分析)，效益分析(經濟、社會、生態環境)[19]。

(3)規劃設計：井下開采范圍與地質條件，確定規劃區域范圍；確定規劃時間；選擇土地利用方向與復墾工程措施；制定分類、分區、分期復墾方案；復墾規劃方案的優化論證；投資效益預測；關于影響復墾工程實施的相關問題與解決方法說明。

(4)施工：制定實施方案、公告，同時對施工質量，施工進度進行監督。

(5)竣工驗收：項目承擔人竣工驗收要寫出自查報告并提交初驗申請至初驗部門，初驗部門在經過實地初驗后寫出初驗意見，合格的轉交給終驗部門，由終驗部門進行終驗，終驗合格的，頒發合格證或下發批準文件。該模塊包括自查報告提交，初驗申請提交，初驗合格，終驗合格。

3.6 系統管理模塊

該模塊分為以下幾部分：用戶管理、角色管理、系統菜單管理、密碼修改、操作日志管理。

(1)用戶管理：系統的使用者是國土資源部門用戶和礦山企業用戶。國土資源用戶分為廳級用戶、部門用戶、辦公室用戶以及個人用戶。礦山企業用戶分為部門用戶、辦公室用戶和個人用戶。用戶管理模塊實現的是添加、刪除用戶，編輯、查詢用戶信息。

(2)角色管理：通過對不同層次用戶操作權限的分配，可以保證不同角色擁有不同權限的操作； 這幾個按鈕在界面下方，該模塊只能由各級管理員實現。縱向上部門可以修改自己下屬辦公室的信息，但在橫向上，不同部門，不同辦公室無權修改其他部門以及其下屬辦公室的用戶內容；錄入的個人信息至少要包含以下信息：姓名、性別、出生年月、所屬部門/辦公室；部門的錄入信息只要名稱即可，辦公室錄入的基本信息要求有所屬部門、辦公室名稱。

(3)其他功能：包括菜單管理、密碼修改、操作日志管理。菜單管理是對系統功能進行添加、刪除，查詢各個模塊的子功能，該模塊只能由管理員實現；密碼修改是所有用戶都可以實現的。系統操作日志管理功能，用于保存系統日常運行時的操作日志數據，以便系統發生故障時維修人員查看，快速修復系統，另外，還可以增加、刪除預測模型的參數類型。

3.7 統計出圖模塊

(1)統計功能：該模塊統計塌陷地面積，以及通過對比塌陷前的遙感影像圖，識別出塌陷區域塌陷前土地類型。可以省、市、縣為單位，統計省級塌陷地面積，市級塌陷地面積，縣級塌陷地面積。

(2)出圖功能：沉降等值線圖、塌陷預測圖、塌陷區域塌陷前土地類型、塌陷歷史數據。塌陷地土地復墾項目基本信息等數據進行出圖打印，打印出圖功能可以導出圖片，CAD文件，Excel表格并且可以實現地圖裁剪功能[20]。

3.8 數據實時采集更新功能

為實現動態更新數據庫數據信息，設計了符合工業標準的數據傳輸模式。整個流程分為數據采集—數據傳輸—數據處理分析—數據入庫4部分。

(1)數據采集：InSar數據，遙感數據，地面監測數據[水準儀、全站儀監測數據(高程、高差數據、監測點水平移動值、監測沉降值等)]，礦井下傳感器監測數據(巖移數據等)，InSar數據，遙感影像數據從相應網站下載，GPS接收機負責定位監測點。

傳感器：GPS接收機，GPS大地測量型天線，井下傳感器。在數據傳輸部分，采用無線數據傳輸和有線數據傳輸2種方法來實現數據的傳輸:①無線傳輸，每個地表監測點為一個數據采集點，將監測點對應的井下傳感器數據進行打包傳遞給串口服務器，通過無線網橋的方式把打包的數據傳遞給數據中繼中心，數據中繼中心再把各個監測點采集的數據傳遞給數據處理中心處理分析[21]。②有線傳輸， 傳感器接收到的數據通過地表監測點打包，通過光纜傳輸，串口服務器進行信號轉換，轉換成網絡信號并通過網口傳輸至數據處理中心進行處理分析[21]。

(2)數據處理：(原始數據采集后處理、數據檢驗、數據分析、預警)變形監測軟件處理GPS數據，先由變形監測軟件實時處理監測點和基準站觀測數據解算出各監測點與基準站之間的相對空間位移變形量。

數據采集后處理：通過礦區井內布設的傳感器，礦區井上設置的水準儀，全站儀實時傳輸數據，在相關網站下載InSar數據、遙感數據，通過人工方式進行原始數據采集后處理，實現對實時采集的數據進行初步轉換處理；數據檢驗，主要對采集數據進行邏輯合理性判讀和篩選，對明顯錯誤的數據進行刪除，以免影響數據分析的結果；數據分析，主要功能有表面位移分析、形變速率分析、斷面變形分析等[21]。

(3)數據入庫：存儲進設計好的數據庫。

4 討論

礦區塌陷地監測管理系統初步設計完成，但是系統的建設是一個龐大且復雜的過程，該系統初步設計之后還有幾個需要討論的問題：

4.1 數據傳輸方案有待討論

雖然設計了數據傳輸方案，但是目前只有礦區內傳感器可以實現實時自動傳輸數據，礦區內其余監測設備如水準儀、全站儀，目前還必須要人工進行數據采集，勢必會影響監測管理系統的使用。數據的傳輸方案中具體的事項還未敲定，例如傳感器布置，無線傳輸與有線傳輸如何分配，該采用何種通訊協議，數據采集傳輸網絡需要的硬件設施，傳輸軟件的設計等。

4.2 數據的備份與恢復

該系統中系統管理模塊為提高系統的安全性，設置了不同的訪問權限，保證了系統縱向和橫向上各層次信息不會被隨意修改，并且建立安全體系，有效防止對該系統的惡意攻擊。但是，針對一些決策失誤，操作不當等引起的意外如誤刪數據，還沒有建立一個有效的數據備份恢復功能。

4.3 預測模型的參數選擇

關于參數的選擇，要根據塌陷地的實際情況來決定，例如拐點偏移距L、影響角正切tgα、沉陷系數p、影響半徑r及水平移動系數i等這些預計參數，需要礦體地質賦存條件、巖體力學參數和采礦方法、影響半徑r、地表監測點最大下沉值Xmax、礦體垂線采厚m在豎直方向投影長度、水平移動最大值Z0、下沉最大值X0等參數來計算[22]，應該依據精度要求來進行預計參數的選擇。

4.4 與現有單位基礎設施的對接

該文設計的是一個獨立的系統，與目標企事業單位的基礎設施的對接必不可少。建設好的系統封裝為標準的服務在現有的服務總線上注冊即可供其他業務系統調用，建好的系統就可以使用在服務總線上注冊的數據存儲更新等服務。所以，在系統發展過程中，要與目標單位溝通，使用何種服務總線、軟件架構、開發平臺。

5 結論

此次采煤塌陷地監測管理系統主要實現了以下功能和目標：

(1)管理層能高效地對礦井塌陷情況進行日常管理，主要包括塌陷地監測數據錄入、瀏覽、查詢、編輯、更新。

(2)系統能從空間上對塌陷地數據進行可視化管理，實現空間數據庫與屬性庫的自由訪問。

(3)生成各種沉降等值線圖、塌陷地監測點分布圖等圖件，并能自動生成各種統計報表并輸出，例如塌陷地土地復墾項目相關文件打印，及時更新潛在塌陷安全隱患監測數據及危險源實時傳輸的監控數據以及處理后的監控數據。

(4)能夠對采煤塌陷地沉陷情況進行預測，并設計預警功能，設置不同閾值，對應不同解決措施。

(5)塌陷地監測數據實時數據采集傳輸的設計，采用無線和有線混合使用的方式，因地制宜。

(6)對塌陷地土地復墾項目進行全過程管理，隨時查詢項目進度，提高項目進展速度。

(7)實現了用戶管理，權限管理，系統菜單管理的功能，一定程度上保證了系統的安全性。