基于WebGIS 的煤矿多系统融合联动设计

王 勇

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

为满足安全生产的需要，近年来煤矿企业已建设了安全监控、人员定位、视频监控、井下广播等系统。为及时获取各安全系统的状况，监控人员需要随时关注来自不同屏幕的数据，但煤矿的数据量往往很大，通常无法在一个屏幕里完整的展现，而图形界面可以呈现出系统的全景，给人带来直观的感受；部分安全系统虽然提供图形界面，但各厂商的标准不一致，显示的效果差别很大，有时甚至连巷道图的方向都不统一，更遑论将各系统的数据叠加在一张图上展示了。分散的数据、迥异的图形，使各系统成为“信息孤岛”，无法实现联动效应。

提出了基于WebGIS 的煤矿安全多系统融合技术，将安全监控、人员定位、视频监控、井下广播等系统的信息集中在WebGIS 界面中统一展示，并从各系统设备之间的逻辑关系层次进行了关联，使得各种煤矿安全系统融合为一个整体，为进一步促进煤矿安全生产提供了技术支持。

1 在WebGIS 中展示多系统数据的方法

基于 GeoServer、Open Layers 等开源软件构建WebGIS 平台的研究[1-3]，为煤矿安全领域的图形监控系统提供了开放的、低成本的解决方案。使用WebGIS 平台来展示安全监控系统设备的实时状态或者展示人员定位系统的人员运行轨迹[4-5]的研究，为在一张图中展示多系统数据的方法奠定了基础。

1.1 按系统分组的WebGIS 应用

在 GeoServer 中有工作区（Workspace）、数据源（Store）、图层（Layer）、图层组（Layer Group）和样式（Style）的概念[6]，理论上，可以为煤矿创建1 个工作区，在这个工作区里将各系统使用的巷道、文字等Shape 数据源发布成图层，并组合为图层组。按系统分组的WebGIS 应用如图1，前端各系统分别调用OpenLayers 来访问GeoServer 提供的网络地图服务（Web Map Service，WMS），在浏览器中显示巷道、文字等图层；通过访问网络要素服务（Web Feature Service，WFS）来获取设备的位置和基本信息；使用自定义样式来控制各系统中不同设备在WebGIS 中显示的图标；设备的实时数据和状态可根据设备信息通过后端的业务服务获取。

图1 按系统分组的WebGIS 应用Fig.1 WebGIS application grouped by system

该方案有3 大不足之处：①需要为每个系统单独发布包括巷道和文字在内的底图，如各系统底图不一致，叠加在一起显示会出现混乱；②伴随着井下生产活动，底图需要经常更新，系统数量越多，更新复杂度越高；③煤矿往往无法提供井下设备安装位置的坐标数据，前端系统无法通过WFS 服务自动安排设备位置。

1.2 “一张图”模式的WebGIS 应用

为了解决按系统分组带来的不便，对以上方案进行了调整。“一张图”模式的WebGIS 应用如图2，在GeoServer 的工作区中发布1 套公用的底图，前端通过地图管理器调用OpenLayers 访问WMS，将底图在浏览器中显示出来。

图2 “一张图”模式的WebGIS 应用Fig.2 Application of“one map”model in WebGIS

在WebGIS 上展示的各系统被抽象成系统服务，可根据煤矿实际情况配置是否启用，由服务管理器来启动或停止；每个服务至少包含1 个设备图层，可根据使用者的需要显示或隐藏；为减少系统的耦合性，各服务完全独立，仅通过消息与其他服务通信。

前端分为编辑和监控2 种模式。在编辑模式下，管理员从设备树中将各系统的设备拖拽到底图相应的位置上，设备管理器会把该设备添加到系统对应的设备图层中，并通过Ajax 请求将设备的编号、系统、坐标等信息发送给后端的位置服务，保存在数据库中。在监控模式下，各系统已安排位置的设备会显示在对应的设备图层中，并定时更新数据和状态，实现在一张图上展示多系统数据。

该方案的优点如下：①管理员只需维护1 份底图，工作量大幅减小，也不会出现底图互相冲突的情况；②管理员能够以所见即所得的方式安排设备位置，解决了因缺少设备坐标而无法自动布置的问题，后期维护的工作量很小；③各业务系统可独立运行，减少了系统的耦合性，方便部署、维护和扩展。

2 在WebGIS 中实现多系统融合的方法

各系统的设备之间存在一定的逻辑关联，比如某个区域的瓦斯超限，应该触发该区域的井下广播设备播报警告，并通过该区域的人员定位基站向周围的人员发送撤离通知。

2.1 通过WebGIS 设置多系统的关联关系

要实现多系统之间的关联，首先要从区域中筛选出相关的设备，步骤如下：①在WebGIS 中绘制1个区域，由于区域可能是不规则图形，这里调用OpenLayers 的绘图交互功能（ol.interaction.Draw）绘制1 个多边形（ol.geom.Polygon）；②获取这个多边形的几何形状（ol.geom.Geometry）；③通过该几何形状的intersectsCoordinate 方法，与某一设备图层中所有设备的坐标进行对比，将坐标在区域中的设备加入集合中；④重复步骤③），直到所有的设备图层都检查完毕；⑤返回坐标在区域中的设备集合。

该方法的优点是，计算完全在前端实现，无需使用网络要素服务（Web Feature Service，WFS），简单灵活。不过，因为二维GIS 的局限，有时看起来在平面上距离接近的设备，可能会处于不同的水平位置，实际上并不在同一区域，此时需要辅以人工判断。接下来设置设备之间的逻辑关系，发送给后端的业务服务，保存在数据库中。这里，安全监控系统的传感器是关联的发起者，其他系统的设备是关联的响应者。

2.2 在WebGIS 中展现多系统融合的效果

当后端的业务服务监测到煤矿安全监控系统的关键传感器发生报警时，将关联报警消息通过WebSockets[7]推送给前端的安全监控服务，该消息包含触发报警的传感器编号、报警内容、关联系统的设备编号。使用WebSockets 实现事件驱动的响应，前端无需通过轮询后端服务获取数据，可以大幅减少前端的等待时间，提升服务器的响应能力[8-9]。在WebGIS 中展示的关联报警流程如图3。

安全监控服务通过CustomEvent[10]广播“联动报警”消息，所有监听“联动报警”消息的服务都会收到该消息，根据消息中包含的编号查找本系统设备图层中的设备，并执行相应的报警动作。当后端监测到安全监控系统的关键传感器报警停止时，通过WebSockets 把报警停止消息推送给前端，安全监控服务通过CustomEvent 广播“停止报警”消息，各服务接收到消息后停止报警。

当安全监控系统的高浓激光甲烷传感器超限报警时（图4），高浓激光甲烷传感器、人员定位系统的关联读卡器、井下广播系统的关联扩播器、视频监控系统的关联摄像头均产生报警动画，提醒监控人员注意；同时，视频监控系统的关联摄像头还自动弹出实时监控视频。

图3 在WebGIS 中展示的关联报警流程Fig.3 Displaying associated alarm in WebGIS

图4 前端监控模式融合报警Fig.4 Fusion alarm of front-end monitoring mode

3 结 语

基于WebGIS 技术，在“一张图”平台上展现煤矿安全监控、人员定位、视频监控、井下广播等安全系统的信息，从逻辑层次实现各系统的联动，解决了煤矿不同监控系统在同一GIS 平台上的整体应用，以较低的代价提升了煤矿安全生产管理的层次。