基于J2EE的煤层顶板突水预警WebGIS系统设计与实现

刘治国

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

基于J2EE的煤层顶板突水预警WebGIS系统设计与实现

刘治国

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

介绍了一种基于J2EE规范的煤层顶板突水预警WebGIS系统的设计思想和实现方案，实现互联网上的煤层顶板突水监测预警作业。系统采用了基于J2EE三层架构的设计思想，利用Ajax技术和EJB组件技术实现系统的表现层和业务逻辑层，实现了煤矿井下实时水情数据监测和分析，包括历史数据曲线、实时数据曲线;水情监测数据的存储与检索;先进的地图浏览功能，矿图监测、水质监测;各类矿图信息的地图化管理，方便用户浏览、查询等;应急预警等功能。系统将前端表现和业务逻辑分离，拓宽了传统模式中多用户并发访问和海量空间数据传输的瓶颈。本系统的开发对煤层顶板突水预警系统的研究具有理论意义和工程实用价值。

J2EE;煤层顶板突水;监测;预警;WebGIS

煤矿开采引起上覆岩层垮落、破断并产生裂缝，一旦这些裂缝沟通上覆含水层，将造成煤层顶板突水。煤层顶板突水将给矿井安全生产造成极大的危害，并且可能引发对水资源的破坏和污染。煤层顶板突水的工作重点在于预防，开展煤层顶板突水预警系统研究对进行顶板突水预测、对指导煤矿安全生产具有重要意义。

预警系统的监测过程是对突水前兆主要特征的监测过程。随着现代控制技术、计算机技术、地理信息技术、网络技术及通信技术的发展，煤矿的信息化设施也在发展。这些都为引起突水灾害的影响因素在线监测提供了技术支撑，创造了有利条件。本文采用强大的J2EE企业级应用规范，结合Web-GIS技术为煤矿矿井水害预警提供集成的数据环境和可视化的分析平台，融合和连接多源数据，实现区域预测与管理决策的一体化，解决预警系统的建立过程和预警系统中关键技术问题，使煤矿矿井水害预测向多因素、多目标、多维方向发展，提高区域预测的准确性和决策的科学性。

1 基本概念

1.1 J2EE

J2EE是SUN公司定义的一个开发分布式企业级应用的规范，是提供一个多层次的分布式应用模型和一系列开发的技术规范，是一种利用Java 2平台来简化企业在解决方案的开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构。J2EE体系结构提供中间层集成框架用来满足无需太多费用而又需要高可用性、高可靠性以及可扩展性的应用的需求，已经成为企业级开发的工业标准和首选平台，目前大多数企业采用J2EE技术的结构设计与解决方案。

1.2 煤层顶板突水预警

煤层的开采引起应力重新分布并诱发采场围岩破坏，当裂隙波及顶板含水层时就可能导致顶板突水。随着煤矿开采强度的加大和矿井开采深度的增加，煤层顶板突水灾害的发生越来越频繁，因此，开展煤层顶板突水预警系统研究具有现实迫切性和工程实用性。预警系统的构建是一个复杂的系统工程，首先要建立水文地质矿图数据库、水文数据库、预警模型库等必要的业务数据库;其次要根据矿井水文地质条件及检测指标确定的原则确定水压、水温、水量、水质等水文监测指标，同时根据水压变化、水温变化、水量变化、水质变化等选择的预警指标作为突水预警判据;最后预警阈值的确定和突水预警级别的划分是预警系统能否成功预警的关键，阈值的准确性直接确定了预警的准确性和安全性。

1.3 WebGIS

WebGIS是指基于Internet平台进行GIS信息发布、数据共享、交流协作。用户从互联网的任意一个节点，可以浏览WebGIS站点中的各种专题图和空间数据，并进行相关检索和分析，从而使GIS具有良好的跨平台性、可扩展性、动态分布性、互操作性等诸多特点。目前WebGIS主要有图片式栅格地图和基于控件的矢量地图2种架构。鉴于本系统的专业性需求，采用动态缓存方式的图片式栅格地图架构。

2 系统设计

2.1 系统功能设计

系统基于J2EE多层体系架构设计，结合水情监测、矿图管理、应急预警和WebGIS应用，进行了煤层顶板突水的水情实时监控，并根据突水影响因素分析实现了应急预警功能。根据煤矿防治水工作的实际需求，本系统主要有如下功能:

(1)水文数据管理 通过建立相关水文地质数据库，实现对水位、水压、降雨量、矿井涌水量、水质、水温等数据的管理，用户可以录入、查询、排序、删除、分析、保存、修改、打印所需水文数据。

(2)水情监测 对水情进行实时监控数据采集上传，实时监控数据展示与查询，历史数据的展示与查询，水位、水量等数据的预计，水文曲线和等值线图的绘制，并在电子地图上随时显示任意监测点的相关信息，实现实时监控。

(3)矿图管理 采用目录树组织和管理矿井图件，实现矿井采掘工程平面图、钻孔柱状图等图件的初始化、编辑、查询、分析、绘制、打印等的基本操作功能。

(4)应急预警 主要实现应急预案管理、应急资源管理、应急救援支持、预警指标体系阈值参数设定、突水预警级别设定、按照给定的阈值单个参数的预警、根据ANN模型综合计算的预警判别、应急报警等。

(5)WebGIS应用 WebGIS是应用核心系统之一，该系统实现水质、水情监测与地理环境有关的各类空间数据的输入、编辑、存储、管理、分析处理与显示;采用GIS系统对监测点实施高效识别、检测、评价、预警的监控，并将地理环境的各种要素及其所具有的属性数据，以数字、文字、图形等方式显示，为水害预警和处理提供迅速、准确的信息。

另外，系统还包括建立在以上功能基础之上的应用支撑功能，这些应用支撑功能包括用户认证与权限管理、数据交换与共享等。

2.2 系统结构设计

系统主要由计算机网络系统、远程联网监测系统、后台支撑系统及前台应用系统4部分组成。其主要结构如图1所示。

图1 系统总体结构设计

(1)计算机网络系统 主要包括服务器、存储设备、网络传输设施等基础网络硬件设备。

(2)基础软件平台及实施监测监控系统 由操作系统、数据库系统、GIS基础平台、开发工具及基础服务和远程联网检测监控系统组成。

(3)后台支撑系统 主要分数据共享与交换平台、用户认证与授权、系统功能及内容维护以及各种业务应用接口及服务。

(4)前台应用系统 包括水文数据管理系统、水情监测管理系统、应急预警信息管理系统、生产矿井矿图管理系统、权限管理系统。

煤层顶板突水预警系统从结构上可分为“2个部分、2个层次”。2个部分是指前台应用系统和后台支撑系统;2个层次是指煤矿开采总部、煤矿生产矿井应用。该系统面向煤矿开采总部及生产矿井的领导和相关业务部门。其中，前台应用系统包括水害预警信息监测和统计分析、应急预案及相关救援信息管理，主要满足煤矿开采总部及生产矿井安全管理部门水害预警与应急预案管理的需要，满足煤矿开采总部及生产矿井安全管理部门统计分析的需要。后台支撑系统包括可视化信息门户、数据共享与交换集成平台、地理信息支撑平台。

2.3 系统技术路线设计

在系统技术路线上，采用第三代互联网技术的核心技术网络服务 (Web Service)。其解决了当前分布式计算环境所面临的问题。应用支撑平台支持网络服务，各种业务应用逻辑使用网络服务。因此，本系统的技术路线是:

(1)系统建设采用J2EE三层体系架构。

(2)全面采用网络服务技术，降低系统框架结构的复杂性，实现功能和应用之间松散耦合。

(3)采用基于XML的配置技术，各子系统都要求可定制，可配置。支持模板技术。

(4)采用先进的软件设计理念，以业务驱动服务，以服务驱动技术，使各项功能更好地服务于业务。

(5)系统的设计和实现应运用先进的访问控制、身份认证等技术防止非法用户的入侵，保证系统可靠运行。数据在网上采集、存储、传输和处理的过程中，始终保持完整性和一致性。为保证系统的可靠正常运行，可采取系统定期自测和数据定期备份的措施来保证系统的可靠性。

(6)系统的设计和实现最大限度地满足煤矿水害预警与应急预案系统各项功能要求，同时确保用户界面友好，信息提示通俗易懂，操作方法简易，便于推广应用。

(7)系统建设以数据为中心，以安全与控制授权为保证，实现数据采集指标化，工作流程规范化，数据分析与决策支持的智能化。

(8)基于知识管理理念，采用自然语言处理、全文检索等技术，实现非结构化文档型数据、图形图像的结构化规范和应用的深化。

2.4 基于J2EE的煤层顶板突水预警WebGIS系统

在系统架构上，采用基于J2EE架构的三层结构体系，分别是表示层、中间层和数据库服务层，其在三层体系结构下，使系统中复杂的业务逻辑与数据逻辑分离，便于业务应用的扩展。同时，在应用服务器和数据库服务器上，利用软、硬件的集群技术，使系统整体性能得到提高。另外，采用J2EE架构的三层体系结构具有能有效降低建设和维护成本，简化管理;适应大规模和复杂的应用需求;可适应不断的变化和新的业务需求;访问异构数据库;能有效提高系统并发处理能力、系统安全性等诸多优点。结构体系如图2所示，下面详细介绍各层的主要功能。

图2 系统三层体系结构

2.4.1 表示层

表示层使用Web浏览器或应用客户端程序实现，主要处理用户和软件的交互。其主要职责是为用户提供信息，以及把用户的指令翻译传送给业务逻辑层并将处理结果呈现给用户，即实现系统的客户端表现。

2.4.2 中间层

中间层包括2层，第1层为Web服务层，第2层为业务逻辑层。第1层接收来自客户端的请求，并且通过数据存取部件通过JDBC取得业务数据，查询的结果经数据存取部件处理，并送给运行在业务层上的EJB(Enterprise Java Bean)进行处理;第2层组件主要是指EJB，用其来处理企业级业务方面的需要，将结果返回Servlet/JSP，再由 HT-ML/XML协议将应答返回客户端。其主要职责是使用WEB服务器或J2EE服务器，用来模拟企业中的实际活动，也可以认为是企业活动的模型。

2.4.3 数据库服务层

数据库服务层或数据逻辑层，存储在高性能数据库中的关键业务数据，主要处理数据库、消息系统、事务系统等，是信息管理系统的核心。数据逻辑层为业务逻辑层提供所需的数据服务，包括矿井矿图空间数据、水压、水位、水质、水量等水文数据、水文预警监测模型数据、属性数据等的存储、查询、检索、统计、分析和维护。

3 系统实现

在系统实现中，采用J2EE三层体系结构规范实现。在非空间业务应用系统中，客户端采用Ajax技术，Ajax具有无刷新更新页面、减轻服务器和网络的负担，技术标准公开，跨浏览器和跨平台，无需插件和下载小程序、实现数据聚合，减少用户实际和心理等待时间等诸多优点。业务模型及算法均采用EJB和标准Java语言编码实现，很容易实现系统的跨平台移植性能。WebGIS系统的实现基于GeoTools和GeoServer项目，GeoServer可作为一个独立运行的地图服务器，也可作为Web服务部署在JavaEE应用服务器中，GeoServer在版本1.4之后，集成了Spring框架，以方便对GeoServer各组件的管理及与其他第三方组件的集成。Spring框架在GeoServer中起到了容器的作用，粘合GeoServer的各个组件，通过IOC(Inversion of Control，控制反转)机制得到所需资源，通过Plug－In机制管理扩展点 (Extension Points，一个接口或一个抽象类)和扩展 (Extension，扩展点的实现)之间的关联。为了更好地实现地理信息服务的集成性，文中对GeoTools和GeoServer都做了相应的修改，以适应标准的JavaEE规范，实现企业级的应用集成和专业的矿图数据展示及查询分析。

4 结束语

本文设计并实现的基于J2EE三层体系结构的煤层顶板突水预警WebGIS系统能满足客户煤层顶板突水监测及预警的需求，整个系统采用Java语言实现，具有良好的可移植性、可扩展性和平台无关性，同时运用了组件封装技术，使服务功能独立封装，方便其他相关应用系统的调用，真正做到了一次开发多次使用。此外，系统设计界面友好，并且全面支持XML/HTML语言进行数据请求。该系统不仅具有一定的实用价值，而且将对煤矿开采中水害预警的业务开发和科学管理起到积极作用。

［1］吴信才.地理信息系统原理与方法 (第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［2］周文生，毛 峰，胡 鹏.开发式WebGIS的理论与实践［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］余浩东.J2EE应用框架设计与项目开发［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［4］田玉敏，沈金河，等译.J2EE 1.4标准教材 (第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［5］黄国军.基于GIS的矿井水害预测系统研究［J］.中国煤炭地质，2009，21(10).

［责任编辑:陈佩佩］

Design and Practice of WebGIS System Based on J2EE to Alarm Water Inflow into Mine Roof

LIU Zhi-guo

(Mining and Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.Ltd.，Beijing 100013)

This paper discussed the design method of WebGIS system based on the J2EE model to alarm water inflow into the mine roof，and the scheme of practices，which can alarm the risk of water inflow into the mine roof on the internet.The WebGIS system utilized the J2EE model and built the presentation and business logic by applying the Ajax and EJB techniques，and can monitor and analyze the real time water data in the underground coal mine，including following functions:the curves of history and real time data，save and search of data，advanced mapping techniques for mining operations and water monitoring，convenient mapping functions for transforming the text information，emergent alarming.The system separates the presentation and business logic，and provides a wider band for concurrent visits of users and the transmission of data.The study of this system has theoretical significance and practical value for alarming the risk of water inflow into the coal mine roof.

J2EE;water inflow into the mine roof;monitoring;alarming;WebGIS

TP311.52

A

1006-6225(2012)04-0098-04

2012－05－30

刘治国 (1978－)，男，河北涞源人，硕士，工程师，主要从事近水体压煤开采理论研究与工程实践。