廢棄煤礦瓦斯資源信息管理云平臺研發

郝天軒，趙立楨

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000)

在煤炭行業改革的大環境下，煤礦企業應國家號召，向清潔化綠色開采方向轉型發展，導致廢棄礦井數量呈增長趨勢，這些報廢或關閉的礦井大多數屬于中高瓦斯礦井。據統計，2000年至2018年，全國累計退出煤礦2.8萬余座[1]。同時，由于回采技術的制約，約有50%的煤炭殘留于井下(包括可采煤層和不可采煤層)，其中殘存著大量煤礦瓦斯(煤層氣)資源[2-3]。研究表明，目前現有關閉/廢棄的礦井中賦存煤炭資源量高達420億t，煤層氣資源近 5 000億m3[4]。而礦井瓦斯雖是一種溫室氣體，但同時也是一種清潔能源[5]。因此，做好廢棄礦井煤層氣資源的開發與利用，不僅能產生巨大的經濟效益，而且對保障煤礦安全生產、優化能源結構、改善大氣環境，有著十分積極的作用，具有安全、經濟、環境和社會多重效益。

我國廢棄礦井分布區域廣、信息量大，借助Web GIS云平臺可以更直觀、清晰地查閱管理廢棄礦井瓦斯賦存資源信息，并對廢棄礦井瓦斯資源的可抽性進行智能評判。Web GIS是利用Web技術來擴展和完善地理信息系統的一項技術，且該技術已經在交通、防震減災、水文水利、警用人口管理、礦山安全管理等方面有一定的應用研究，但在廢棄礦井的煤層氣資源管理方面還鮮有研究[6-14]。鑒于此，筆者綜合運用先進網絡技術、數據庫技術、瓦斯地質理論等方法，選擇Openlayers6+GeoServer地圖服務器+Django框架的開源體系，建立多源廢棄礦井資源數據庫，實現圖件的Web瀏覽、信息的Web空間查詢、屬性查詢、圖表專題分析、可抽性在線評估等功能，為廢棄礦井瓦斯資源等方面的科學分析及決策提供一個高效、可視化的信息管理云平臺，并在河南焦作礦區進行了應用。

1 云平臺總體設計

1.1 平臺總體設計

1.1.1 系統設計原則

系統建設的完善與否將直接影響到管理人員的決策，本系統的設計應遵循的原則有：

1)先進性原則。在系統應用于現場后，引入先進的分析和管理模式，應體現出系統的先進性[15]。

2)可靠性原則。在系統的使用周期內，應保證系統運行的安全性與數據的精確度，以及符號內容的可靠性[16]。

3)實用性原則。系統的設計要體現實用性，最大限度地滿足對廢棄資源管理和分析的要求，使系統在短期內發揮作用。

4)可變性原則。應盡量將系統模塊化，某一功能通過相應模塊來實現，將多個模塊組合實現全部功能。

5)規范性原則。應嚴格參照國家、煤炭行業等相關規定標準對云平臺進行設計，保證系統的規范互通性。

6)安全性原則。系統須具有良好的安全管理功能，數據存儲、檢索、提取、發布和管理等各個層面和角度都須具有相應的安全機制[17]。

7)經濟性和可操作性原則。系統的軟硬件應具有優良的性價比，且系統應有易學易懂，操作簡便、靈活的用戶界面[18]。

1.1.2 系統總體架構設計

從系統的完整性、可擴展性和穩定性出發，根據分層設計的原則，平臺擬采用3層架構形式，自下而上將整個系統分為數據層、服務層和表現層[19-23]，如圖1所示。

圖1 系統平臺總體架構圖

1)表現層：即客戶端。使用OpenLayers 框架通過天地圖API來制作底層地圖，整個交互頁面使用HTML、CSS、JavaScript聯合實現。且為了使界面版式和控件更為美觀和標準化，同時簡化操作腳本的代碼量，建議在前端采用目前普遍使用且功能強大的Bootstrap和jQuery框架。

2)服務層： Web 服務層主要負責接收和處理客戶端的請求，獲取數據并返回至表現層，采用uWSGI+Nginx作為應用服務器，使用GeoSever作為GIS服務器對地圖進行請求與發布。

3)數據層：通過對本系統平臺需被管理數據的整理分析，建立基于PostgreSQL的空間數據庫和基于PostGIS的關系數據庫。

1.2 平臺功能設計

針對廢棄礦井資源瓦斯資源查找及評價的業務特點，從數據管理、數據實時共享的角度出發，將系統功能劃分成6個模塊：主框架模塊、地圖功能模塊、多源信息查詢模塊、統計分析模塊、可抽性在線評估、用戶管理等。

2 云平臺數據庫設計與實現

2.1 數據庫總體結構

數據庫的結構圖如圖2所示。其中空間數據庫主要存儲天地圖矢量底圖、天地圖影像底圖、廢棄礦井資源分布等信息；關系數據庫主要包括用戶注冊數據、權限認證等信息。

圖2 云平臺數據庫結構圖

2.2 數據庫邏輯結構設計

2.2.1 空間數據庫表的設計與存儲

空間數據除具有一般通用數據庫中常見的數字、字符表示的數值和名稱等數據的非幾何屬性外，還必須具有空間定位和拓撲關系的地理空間特征[24-26]。

本云平臺中空間數據包括天地圖矢量底圖、天地圖影像底圖、廢棄礦井資源分布。其中天地圖矢量底圖和天地圖影像底圖是在國家地理信息公共服務平臺申請完個人密匙后，可免費導入到系統平臺中。廢棄礦井資源分布數據制作與存儲的步驟如下：

1)在Excel表中輸入廢棄礦井的詳細信息(包括經度、緯度位置信息)，然后存儲為.csv格式文件。

2)啟動QGIS軟件，使用數據源管理器分割文本文件，設置參數后即可生成點類型的廢棄礦井資源分布空間數據，其顯示界面如圖3所示。

圖3 QGIS添加csv格式文件的界面

3)在QGIS【圖層】界面中，選中新生成的矢量要素，通過右鍵菜單【導出】命令，把該要素另存為shapefile格式的文件。

4)利用PostGIS Shapefile Import/Export Manager工具將上一步生產的shapefile 格式的矢量數據導入到空間數據庫，其界面見圖4。

圖4 導入矢量圖層的界面

本課題制作的廢棄礦井資源分布空間數據的屬性如表1所示。

表1 廢棄礦井資源分布屬性

2.2.2 關系數據庫表的設計與存儲

本系統平臺利用Django的ORM框架用戶注冊數據等關系數據庫。用戶注冊數據的屬性如表2 所示。

表2 用戶注冊數據屬性

根據表2，在Django的項目中構建一個用戶注冊數據模型，在項目的settings.py文件設置數據庫的配置信息，通過Django提供的數據庫操作指令，把建立的用戶注冊模型遷移到postgres數據庫中(本項目的數據庫名稱為abandmine)[27]。

3 云平臺功能實現

在廢棄礦井資源管理云平臺客戶端對Openlayers框架進行二次開發，將生成的shapefile格式的地理信息數據導入PostGIS庫，并將 PostGIS 的數據發布到地圖服務器 Geoserver中，結合GIS服務器的功能及Openlayers 的WFS 服務將地圖發布成Geojson格式矢量圖層，進而對矢量圖層中的地圖要素的屬性數據進行查詢、統計分析等相關操作。客戶端基于HTML5+CSS+JavaScript實現，前后端之間使用Django開發框架進行交互。

3.1 主框架功能模塊

系統平臺主框架模塊主體采用bootstrap框架進行構建，可使首頁、地圖瀏覽、可抽性評估、用戶注冊等頁面的樣式保持統一，且相互之間可方便、快捷切換。

系統平臺的地圖瀏覽頁面主體可分為4個部分：主導航欄、地圖顯示區、側邊欄、工具條，如圖5所示。

圖5 系統平臺“地圖瀏覽”界面

3.2 地圖功能模塊

地圖功能模塊為廢棄礦井資源管理平臺的核心功能模塊，用戶通過此模塊實現對地圖的縮放、平移、圖層狀態控制等交互操作。該模塊具體功能有：地圖加載顯示、地圖縮放、圖層控制、位置顯示等。

3.2.1 地圖加載顯示

地圖加載借助于 Openlayers 的地圖容器類—ol.Map 來實現。底圖圖層url要參考天地圖加載的相關文檔，制作的廢棄礦井分布矢量數據源 source 中的 url 需要與 Geoserver中發布的相應圖層中的 WFS 服務的 url 相對應。

3.2.2 圖層控制

點擊地圖瀏覽頁面側邊欄的相應按鈕，會展開側邊欄，顯示目前地圖加載的所有圖層狀態，如圖6所示。

圖6 圖層控制功能區

本平臺的地圖圖層分為兩組：廢棄礦井資源圖層組和基礎圖層組，每組下面有若干個圖層組或圖層。圖層控制功能通過第三方控件ol-layerswitcher實現，該控件擴展了Openlayers控件的圖層顯示與否的功能，無需過多代碼，就能方便控制圖層的加載。

3.3 多源信息查詢功能模塊

3.3.1 彈窗信息查詢

為了使信息展現形式美觀且使用方便，通常結合標注點使用冒泡方式，實現單擊要素的彈窗信息展示。Openlayers提供基于ol.Overlay的Popup 組件實現彈窗，原理是將DOM元素動態地移動并覆蓋到地圖中的指定位置，因此也叫疊置層(或覆蓋層)。

在本系統平臺上點選焦作礦區廢棄礦井圖層某個礦井要素后，可彈窗展示其詳細的空間信息和屬性信息(如圖7所示)。點擊彈窗下部的【放大鏡】圖標，可定位該要素到屏幕中心位置。

圖7 點選彈窗顯示界面(演馬莊礦)

3.3.2 條件組合查詢

上述查詢方式均屬于“由位置查屬性”，即查找某一空間要素的屬性信息。而添加組合查詢屬于“由屬性查圖形(又稱SQL查詢)”，即用某一屬性條件查找所對應的空間要素，如查找瓦斯資源類型為非穩定型后期的廢棄礦井。由屬性查圖形的方式是從海量的圖件中快速定位到符合要求空間要素的有效手段，可提高信息利用及分析統計的效率。

點擊地圖瀏覽頁面坐標側邊欄的相應按鈕，會展開側邊欄，顯示“由屬性查空間信息”的界面，如 圖8 所示。輸入相應的檢索條件(如遺留瓦斯資源量>5)，即可在下面搜索結果面板中顯示符合查詢條件的空間要素(本次檢索查詢到的為演馬莊礦，其遺煤瓦斯資源量為11.05億m3)。

圖8 條件組合的查詢方式

若需添加更多的條件，點擊【添加規則】按鈕，依次輸入條件信息。若要定位查詢到的空間實體，點擊該行對應【定位】字段的圖標，即可以動畫縮放的方式使該實體居中顯示在客戶端的屏幕中心。

3.4 統計分析功能模塊

系統平臺的統計分析功能主要通過GIS中的專題地圖來實現。

本系統平臺提供餅狀圖、3D餅狀圖、圓環圖、直方圖等專題圖繪制功能，通過要素的分布位置、形狀對比、大小對比等，能夠可視化表達遺煤量、遺煤瓦斯資源量等相關信息統計的結果，也可反映某一信息的發展變化趨勢，如廢棄礦井類型的變化，從而為后期科學決策提供重要支撐，如圖9所示。

圖9 圖表專題圖繪制界面

圖10為用餅狀圖統計分析焦作礦區動用煤瓦斯資源量、保有煤瓦斯資源量對比圖(餅狀圖大小表示瓦斯總量的大小，藍色部分代表保有煤瓦斯資源量，橘黃色部分代表動用煤瓦斯資源量)。由圖10可知：演馬莊礦遺煤瓦斯資源量最大，白莊礦瓦斯資源量最小；絕大部分礦井保有煤炭瓦斯資源量要大于動用煤炭瓦斯資源量。用直方圖統計分析焦作礦區動用煤瓦斯資源量、保有煤瓦斯資源量對比情況如圖11所示。

圖10 餅狀圖統計分析的結果

圖11 直方圖統計分析的結果

3.5 可抽性評估功能模塊

依據廢棄煤礦瓦斯資源可抽性評價指標體系及其模糊綜合評價模型，本功能模塊建立了可抽性模糊綜合評判算法，實現了4個一級指標值的在線輸入、權重值動態獲取、模型自動生成等功能，能快速、準確得到對廢棄礦井的可抽性等級，并把結果實時反饋在云平臺上。

評價指標輸入界面如圖12所示，整體為使用Bootstrap搭建的一個模態框。模態框中又嵌入了 4個包含可抽性評價指標的手風琴折疊輸入框。

圖12 評價指標輸入界面

在輸入完所有評價指標對應的信息后，點擊【進行評估】按鈕后進行可抽性評估的自動計算，計算流程如圖13所示，并彈出一個評估結果顯示的模態框(見圖14)，展示該廢棄礦井的最終評價得分、可抽性等級及該等級對應的具體表現等信息。

圖13 可抽性評估計算流程圖

圖14 評估結果顯示的模態框

4 結論

1)利用postgresSQL數據庫管理系統及PostGIS插件，建立了廢棄礦井資源分布空間數據庫(包含礦井名稱、關閉時間、面積、動用煤遺煤量、保有煤炭量、動用煤瓦斯資源量、保有煤瓦斯資源量、遺留瓦斯資源量、廢棄礦類型、經度、緯度等屬性信息)及用戶注冊信息的關系數據庫(包含username、email、password等字段)。

2)針對廢棄礦井瓦斯資源查找及評價的業務特點，從數據管理、數據實時共享的角度出發，研發了具有主框架、地圖功能、多源信息查詢、統計分析、可抽性在線評估、用戶管理等模塊的廢棄煤礦瓦斯資源信息管理云平臺。

3)建立了可抽性模糊綜合評判算法，實現了 4個一級指標值的在線輸入、權重值動態獲取、模型自動生成等功能，能快速、準確得到廢棄礦井的可抽性等級。