基于GIS的矿山突发灾害逃生平台构建与探讨

王韩波，王少娟，孙启建

(自然资源部第三梯形测量队，黑龙江 哈尔滨 150000)

近年来，作为我国经济建设的基础资源行业——煤炭产业，生产过程中灾害事故却时有发生，对井下人员的生命安全构成威胁。如何降低煤矿灾害事故的发生以及事故发生时指导人员安全撤离成为亟需解决的问题[1]。为此，2011年国家成立中国矿山物联网研究中心，构建矿山物联网，感知煤矿的日常生产，打造中国现代化煤矿安全生产[2]。2013年3月28日国家煤矿安监局召开了煤矿井下紧急避险系统建设视频会，构建矿山灾害预警及逃生避险系统成为当务之急。本文是基于GIS的矿山物联网下开发的矿山突发灾害逃生平台，利用物联网的感知设备、GIS的地图和位置定位及最短路径导航功能，保障矿井的安全生产。

1 研究现状以及研究意义

1.1 研究现状

在我国，随着GIS技术的快速发展以及矿山物联网平台的构建，GIS在矿山生产管理中的应用越来越频繁。目前国内主要的煤矿将GIS技术应用于矿图管理、矿井生产进度管理、矿山数据库的管理、矿产资源分析与评估等方面。程永义采用ESRI公司组件集ArcObjects和其工具OMD构建了基于GIS的矿井安全管理信息系统,实现了矿井安全生产管理中空间数据的显示、查询、编辑和监控分析等功能。杨义辉、冯仁俊等人基于ArcGis Engine技术平台,构建了矿井灾害应急救援系统[3]。该系统可三维展示矿区井下环境，为救援工作的展开提供了帮助。孙殿阁、蒋仲安针对我国矿山事故频发的现状,建立了矿山应急求援系统,并采用了改进的Djkstra算法[4],实现了最佳救灾与避灾路线的应用研究。综上可得,我国对数字矿山的研究基本停留在煤矿管理、灾后救援等方面，而关于矿山井下突发灾害逃生等方面研究就比较少。鉴于当前现状,建立基于GIS 的矿山物联网下的矿山突发灾害逃生平台是保障煤矿安全生产、井下工人人身安全的有效工具[5]。

1.2 研究意义

我国针对煤矿突发灾害事故的安全工作，大致分为三个阶段：一是灾害发生前的监督预警，二是灾害发生时的井底工作人员逃生避险，三是灾害后的应急救援及调查处理工作。而事故发生时的井底工作人员逃生避险是安全生产工作的核心，直接决定着事故的危害程度。

建立矿山突发灾害逃生系统的主要意义概括如下：

(1)灾害预警。通过井下布设的传感器传送的数据，实时监测井下工作环境的安全系数，保障井底工作人员的人身安全。

(2)指导井下被困人员逃生避险。被困人员的逃生救险，直接决定了灾害事故的性质。建立完善的逃生救险系统，能在事故发生的第一时间内，通知井下工作人员在最短时间内选择最短路径逃离灾害现场，降低了灾害的危害性。

(3)辅助救援人员决策，有助于展开救援工作，清理事故现场。

(4)有助于灾害事故后有关人员的调查工作。

2 平台构建的总体设计

矿山突发灾害逃生平台是基于矿山物联网平台上，以煤矿井下巷道安全生产矿图为研究背景，采用C#开发语言，在.NET平台开发环境中[6]，利用ArcGIS控件和Oracle数据库，实现对矿山井下安全环境实时监测，并在井下发生灾害事故时，指导井下工作人员选择最有效的逃生路径，安全撤离灾害现场，降低事故造成的危害。通过煤矿的井下安全生产图和巷道数据，采用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法生成井下逃生最短路径，通过矿山物联网平台下布置的无线传感网络第一时间通知井下工作人员，提高灾害突发时井下工作人员的逃生速度，保障了井下作业人员的人生安全，保证煤炭企业日常安全生产，还可以进行空间信息检索与分析，便于有关部门及时救援，提供辅助决策服务。图1为平台总体设计框架图。

图1 平台总体设计框架图

3 平台数据库的建设

矿山突发灾害逃生平台数据建库是一个复杂庞大的工程。根据系统功能目的及研究内容，建立适合于矿山突发灾害逃生基础项目信息的数据库，便于系统的管理与实施。建立适用于地理数据的空间数据库，将大量、零散的成果地理数据通过地理信息系统数据模型进行组织与存储，对数据进行维护，防止数据丢失，同时满足各用户对系统的应用与数据操作，营造高效稳定的运行环境。

3.1 数据库的结构设计

数据库的结构设计应依据系统需求分析以及系统所要存储的数据结构特点。矿山突发灾害逃生平台是建立在GIS地理信息库上，应考虑GIS存储的数据特点。因此，将数据库存储的数据分为两类：(1)空间逻辑数据(2)煤矿生产实体数据。空间逻辑数据指的是与空间分布有直接关联的数据，包括空间数据和属性数据。空间数据是指用基本数据结构来表示自然世界的数据，以坐标和拓扑关系的形式存储；属性数据是描述地理实体质量和数量特征的数据。由于空间逻辑数据分为两类，故本系统数据库分为空间数据库和属性数据库，两者之间可通过唯一标识码联系在一起。如区域的ID号。煤矿生产实体数据是指诸如矿井年产量、矿井生产总值等与煤矿日常生产相关联的数据。

3.2 数据库的概念设计

实体-关系(E-R)方法是描述现实世界概念结构模型的有效方法，是表示概念模型的一种方式，用各种框图去表示出来[7]。构成E-R图的基本要素是实体、属性和联系。而现实世界就是由实体组成的基本对象以及它们之间的联系构成的，一般通过E-R图的方式表达[8]。由系统的功能需求及数据库设计的目标，设计系统数据库E-R图，包括矿井基础信息数据库E-R图、矿井设备信息数据库E-R图、煤矿区域信息数据库E-R图、矿井排水系统E-R图以及煤矿灾害信息数据库E-R图等。图2为矿井人员信息实体E-R图。

4 平台功能模块的建设

矿山突发灾害逃生平台需要能够做到：(1)能实时监测井下环境，处理井下传感器传输的数据，在灾害事故发生前做到预警；(2)按照煤矿井底巷道数据，在灾害发生时第一时间生成逃生最短路径，并传输到井下工作人员终端，尽可能减少事故造成的人员和财产损失；(3)系统终端可根据从手持无线WiFi客户端传输来的数据自动生成最短路径，并返回到客户端。

图2 矿井人员信息实体E-R图

根据煤矿安全生产的需要和设计的思路，将矿山突发灾害逃生平台分为以下模块：信息管理模块、环境监测模块、灾害事故预测模块、实时预警模块、应急逃生模块、地图管理模块。各功能模块相互独立而又彼此联系，为保障系统正常运行协调工作。如图3所示为平台功能结构图。

图3 平台功能结构图

4.1 信息管理模块

信息管理模块包括人员信息管理、设备信息管理、区域信息管理、分站信息管理、权限管理和矿井信息管理。信息管理模块主要是以数据库技术为支撑，通过录入井下人员信息、设备信息、区域信息、分站信息、矿井基本信息，构建平台运行环境。

4.2 环境监测模块

环境监测模块包括井下瓦斯浓度监测、温度监测、突水透水监测。环境监测模块以矿山物联网平台里的传感网络为框架，通过井下AP基站设置的传感器采集来各项数据，处理分析后反馈给系统的预警模块，实现了实时监测井下环境变化。

4.3 事故预测模块

事故预测模块包括灾害事故信息、灾害相关知识、灾害事故预测、灾害结果输出。该模块主要是对煤矿地质条件、生产条件及事故信息进行分析，预测和控制煤矿安全事故的发生，以便于在灾害发生时及时通知井下人员，减轻事故灾害程度。

4.4 实时预警模块

实时预警模块是通过环境监测模块提供的井下环境动态变化，结合灾害事故相关知识，设定临界值，当达到或超过临界值时，自动发出预警信号，告知井下工作人员逃生。

4.5 应急逃生模块

应急逃生模块包括应急定位中心、应急预案、灾害应急资料和最短路径逃生。其中，最短路径逃生功能是矿山突发灾害逃生系统的核心。

4.6 地图管理模块

地图管理模块包括矿图管理、地图操作和输出。矿图管理实现了对矿井地图信息的实时更新；地图操作兼容了ArcGIS对电子地图的操作功能；地图输出提供了地图的打印功能。

5 平台建设的关键技术

5.1 矿山物联网平台技术

矿山中如何部署感知设备，是矿山物联网平台和关键。感知层网络为无线传感器网络，经无线网关分段接入骨干网[9]。调度指挥控制中心以太网，设计为I/O服务器和数据服务器集群，并建立相应的操作员站，完成矿山各系统的监控、人员安全感知、设备健康状态感知。将矿山布置传感器网络，实现感知矿山安全，利用无线节点的特点和无线网络覆盖广的优势，将矿山的设备环境信息与井下工作人员定位信息及时地传输给地面监控中心。井下无线系统的拓扑结构主要是靠本安型分支交换机去管理无线基站，然后再由光纤连接到井下骨干网络中。在井上部分，需加入语音管理服务器用于构建无线语音监控平台、加入定位服务器提供定位信息，以及加入web服务器等，从而实现对整个网络的管理与信息处理[10]。

5.2 矿山突发灾害实时监控和预警模块

该模块是整个平台的核心，包括人员实时定位、实时越界预警、超员预警、井下瓦斯预警、井下突水预警和井下火灾预警等功能。人员实时定位功能可以在平台上显示井下作业人员的实时位置。当矿山灾害发生时，通过井下无线传感网络定位人员、出口和事故点，确定灾害类型和发生地点，后在系统显示出逃生路线，同时配合显示应急预案、作业规程及各单位部门联系表等信息。实时越界预警功能是按煤矿种类设置，各矿种分为各自的活动范围和绝对禁入区域，通过设置有效距离临界值来进行预警。超员预警功能是通过起止时刻、人员总数、工作异常人员总数，来计算超出人员总数，若大于临界值，则报警。井下瓦斯预警是通过国家安全规范，求得该矿井安全生产时瓦斯预警值，设为上线，若超过则报警。

5.3 Dijkstra算法实现最短路径

该算法具体思路是在给定的有向图中,从指定的地点起，找到至图中任意一点的最短路径；实现目的是为求出赋权图中任意两结点之间的最短路径；实现步骤是每次以一个结点为源点,重复执行Dijkstra算法n次。算法的总体描述如下:

5.3.1 问题描述：在无向图G=(V,B)中，假设每条边B[i]的长度为W[i]，找到由顶点V0到其余各点的最短路径。

5.3.2 按路径长度递增次序产生最短路径算法，把V分成两组：

(1)M：已求出最短路径的顶点的集合；

(2)V-M=N：尚未确定最短路径的顶点集合。

将T中顶点按最短路径递增的次序加入到S中，保证①从源点V0到S中各顶点的最短路径长度都不大于从到中任何顶点的最短路径长度。②每个顶点对应一个距离权值。M中顶点：从V0到此顶点的最短路径长度。N中顶点：从V0到此顶点的只包括N中顶点作中间顶点的最短路径长度。

5.3.3 算法具体步骤如下：

(1)算法初始令M={V0}，N={其余顶点}，T中顶点对应的距离值：

若存在，d(V0,Vi)为弧上的权值。

若不存在，d(V0,Vi)为∞

(2)从N中选取一个其距离值为最小的顶点W且不在M中，加入M；

(3)对其余N中顶点的距离值进行修改：若加进W作中间顶点，从V0到Vi的距离值缩短，则修改此距离值。

重复上述步骤(2)、(3)，直到M中包含所有顶点，即W=Vi为止。

6 平台实现和应用

平台历经1年开发，目前已经运行良好。由于系统采用模块设计，平台具有良好的兼容性和扩张性，具有良好的市场前景，目前我们正在进一步完善该系统，以满足更多用户的需求。平台运行成果如图4、图5、图6、图7所示。

图4 平台登录界面示意图

图5 平台主界面示意图

图6 平台人员实时监控示意图

7 结 论

本文通过对国内外矿山灾害事故频发的现状及矿山物联网技术在煤矿的应用现状进行研究，将矿山物联网平台和地理信息系统GIS技术，与煤矿生产相结合，建立矿山突发灾害逃生平台。就目前平台总结，还有不少不足：(1)由于矿山物联网平台技术还不够完善，系统中人员位置实时定位以及信息实时传输的研究还不够，位置有些误差。(2)对最短路径功能的应用还需进步研究，争取以后实现三维可视化。

图7 井下实时预警示意图