基于统一数字底座的煤矿灾害融合管控平台

关键词：煤矿灾害预警；灾害融合管控平台；统一数字底座；透明地质；数据集成；三维建模；三维可视化

中图分类号：TD67 文献标志码：A

0引言

《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》要求建设融合透明地质的灾害预警系统，并具备地质数据推演、地质建模和地质数据可视化等功能[1-3]。目前大部分矿井陆续开展了透明地质、灾害预警等系统建设，但各系统之间相互独立，缺乏统一数字底座，距离全矿井灾害融合管控还有一定距离，主要存在以下问题[4-6]。

1） 透明地质、安全监测、灾害预警、智能通风等系统数据多源异构（系统异构、结构异构、语法异构、语义异构），系统“烟囱林立”，“联而不通、通而不畅”现象十分突出，为数据融合与挖掘带来极大挑战。预警所需数据种类繁多、结构不一，分散存储于多个信息化系统或电子文档中；采集接口缺乏统一行业标准，监测信息多采用FTP 进行集成，地质保障、安全管理等系统信息多采用自定义标准通过上位机进行集成。

2） 基于统一坐标系的安全监测信息数字底座尚未形成，不具备业务和空间2 个维度信息可视化集成、联动控制与信息多端同步推送能力。透明地质、安全监测、灾害预警等缺乏统一空间坐标，隐蔽致灾因子、安全监测信息与预警结果相互之间联系不直观， 预警结果的解释力不足， 缺乏“ 地质构造—监测数据—预警结果—避灾辅助”的系统化、可溯源互馈的可视化表达手段。

3） 管控平台涉及灾害监测、灾害预警、应急控制等系统，各业务系统部分功能重复，流程不畅，难以集成复用；目前管控平台对各业务系统进行了实时监测与报警等功能的简单集成，但各系统之间数据不统一，平台存在核心功能不能全覆盖，与各业务系统之间处置流程不能有效衔接，数字化决策支撑不足等问题。

针对上述问题，本文从数据、功能、流程和可视化等角度，以基于透明地质的灾害融合监测预警管控为目标，研发基于统一数字底座的煤矿灾害融合管控平台，可为煤矿数字化防灾提供参考。

1 平台设计

1.1 统一数字底座内涵在智慧城市领域，数字底座典型特征为融合多源异构的空间三维数据，建立实时映射的信息模型与物联感知体系，实现全要素信息的数字化和语义化[7]。针对煤矿管控平台，数字底座目前尚无统一定义，通过查阅相关文献[8-11]，统一数字底座具有以下特征。

1） 在数据方面，透明地质、井巷工程、安全监测、灾害预警、综合平台等系统均遵循统一数据资源描述方法， 满足“ 一词一义， 一数一源， 一源多用”。

2） 在功能方面，业务系统和综合平台遵循统一架构和框架体系，功能上应减少冗余、避免重复、互相调用、无缝集成。

3） 在流程方面，遵循统一的预警基础架构，预警规则具有一致性，预警结果可融合，预警处置流程可衔接、流转。

4）在可视化方面，各类数据能在统一三维底图上进行叠加、展示、交互。

1.2平台总体架构

基于统一数字底座的煤矿灾害融合管控平台分为数据采集层、数据存储层、应用支撑层和应用层，如图1 所示。数据采集层负责数据的统一采集、解析、交换共享。数据存储层由云基础设施和各类数据库组成：云基础设施负责提供数据存储的服务器、云操作系统等软硬件基础资源；数据库包括瓦斯、水害、火灾、矿压、透明地质、智能通风等专题数据库和公共数据库，各数据库通过统一权限认证机制下的数据模型及接口进行共享交互。应用支撑层由各业务系统提供的分析服务和平台提供的基础服务构成，包括机理模型服务、控制模型服务、云组态服务、数理统计服务、空间量算服务、灾害仿真服务、GIS 服务、消息服务等，各服务通过服务总线进行按需发布。应用层为人机交互界面，实现全矿井灾害的集中监控、预（报）警信息发布、应急处置等。

1.3平台与业务系统交互架构

煤矿灾害融合管控平台与各业务系统交互架构如图2 所示。

透明地质系统融合矿井钻孔、生产图纸、导线成果、三维物探等多源异构地质资料，构建井巷工程、煤层、岩层、断层、钻孔、富水区等真三维精细模型，并随采掘生产适时动态更新。该系统为煤矿灾害融合管控平台提供如下支撑[11]：① 提供统一的井巷数据来源。传统水害、火灾、矿压、智能通风等业务系统多是通过自制CAD转GIS工具，实现井巷拓扑的生成、属性标注等，进而进行网络解算、预警分析等。由于各系统采用的空间坐标系不尽相同，图纸不能叠加，分析结果不能直接利用。② 提供空间量算服务。隐蔽致灾因子是矿井各类灾害本源，融合透明地质的灾害预警需考虑采掘位置与构造（断层、采空积水区等）的时空位置关系等。③ 为灾害预警分析和融合管控可视化分析提供统一时空坐标系的三维地质模型，可揭示井巷工程、地质构造等空间三维关系，并支持地质属性查询等。

智能通风系统基于统一数字底座进行通风参数监测、通风网络解算、通风决策分析和通风动力控制等[12]，并将通风隐患、风流风向、调控策略和通风控制等分析判识服务发布成接口，供其他系统调用。

各灾害预警系统基于统一数字底座，按需调用透明地质系统提供的空间量算服务和智能通风系统提供的决策支持服务，开展预警分析，将预警结果、控制策略实时推送给煤矿灾害融合管控平台，并提供支持实时调用的灾变仿真与避灾路线动态规划服务，供煤矿灾害融合管控平台按需调用。

煤矿灾害融合管控平台提供统一数字底座支撑服务，利用统一的数据模型实现透明地质、安全监测、安全管理等数据统一采集，为各系统提供数据支持：构建基于透明地质的二三维GIS 服务，为业务系统统一可视化交互分析等提供支撑；提供统一功能与业务承载框架，实现各业务系统功能相互调用与流程衔接；集成各单一灾害、融合灾害与智能通风相关监测数据、预警指标、预警结果等，实现多灾害预警和报警等信息的统一发布；集成灾害成因机理与数据驱动的异常判识别处置策略，形成全矿井多层级多灾害协同控制模型，可根据预（报）警结果，开展灾害仿真与避灾路线分析，并调用联动控制方案实现井上下风险预警信息同步发布、分级分区断电、通信联动、自动排水、一键撤人、通风设施自动控制， 以及应急信息发布、流程管理、信息多端推送等[13-15]。

1.4平台功能

基于统一数字底座的煤矿灾害融合管控平台承载瓦斯、水害、火灾、矿压、粉尘等灾害的监测、预警、信息发布与处置等核心功能[9-10]。平台以“井田地质—井巷工程—区域场所”空间线和“瓦斯、水害、火灾、矿压、粉尘、通风”业务线2 条主线，按照“ 隐蔽致灾因素—安全监测—安全管理—灾害预警—仿真规划—协同控制”的灾害管控链路进行功能设计，如图3 所示。平台以井巷工程为统一可视化载体，支持从全矿到局部场景信息的分层、分类、分级钻取与交互。分层是指根据空间位置、业务类别和元素类型等构建专题图层。分类是指按照“采、掘、机、运、通”和“瓦斯、水害、火灾、矿压、粉尘”等业务进行展示与交互。分级是指按照监测点报警等级、预警等级进行元素控制。

2平台关键技术

2.1灾害数据融合技术

数据的统一采集和同一描述对象下的语义统一表达是开展多灾害融合管控的基础。因此制定透明地质、灾害监测、智能通风、预警处置等数据采集同步交互标准，以及元数据描述规范和标准代码集，构建统一数据交换共享信息模型，通过多源异构数据采集系统实现多灾种系统数据融合，如图4 所示。

2.1.1透明地质系统数据与服务集成

透明地质系统主要提供井巷工程数据、地质模型数据和空间量算服务等，透明地质系统数据与服务集成架构如图5 所示。① 井巷工程数据，主要包括巷道属性、巷道拐点坐标等。通过制定井巷工程数据交互规范，采用Web API 进行数据集成。② 地质模型数据，包括模型文件和模型属性。模型文件由描述模型三角面坐标的obj 文件、模型三维坐标与纹理二维坐标之间对应关系的mtl 文件和jpg 格式的纹理文件构成，通过FTP 进行集成。模型属性信息包括断层类型、断层倾角等，通过Web API 集成。③ 空间量算服务，包括任意2 个地质要素间的最短距离计算、任意坐标与地质要素间的最短距离计算、任意要素与指定要素类型间的最短距离计算等。空间量算服务由透明地质系统发布成Web API接口，供各业务系统动态调用。

2.1.2灾害预警数据集成

灾害预警数据集成的核心包括统一区域编码、统一预警事件和统一预警等级等。统一预警区域指一个预警地点或对象在不同业务系统有相同的编码标志；统一预警事件指预警事件的始止时间、单次预警事件的界限、预警指标、预警结果描述等需具有规范性，拥有统一约定；统一预警等级指各个灾害的预警分级含义、预警颜色所代表的预警相对危害程度等具有一致性。基于统一的预警信息描述规范，各业务系统按照Web API 的形式及时将预警信息推送给煤矿灾害融合管控平台。

2.1.3安全监测数据集成

安全监测数据多是以“点、类型、值”的形式进行采集存储，监测量与上级设备、监测设备与监测设备、监测量与地点等时空关系缺失，不利于基于多测点的时空关联挖掘分析。因此本文参考EIP模型，基于“场景—模型—对象—属性”层级构建数据对象模型[16-17]，如图6 所示。

1） 属性：具体监测的物理量或拟合而成的具备物理意义的虚拟量，如通风机开停等。每种属性包含顺序、读写属性（静态属性、可写属性、可读属性）、重要性（一般、重要、核心、内部属性）、类别（静态属性、一般属性、运行指示属性、控制类属性、故障指示类属性）、属性名、类型（瓦斯、温度等）和值域等。

2） 对象：用来描述具备相同属性的集合，包括虚拟对象和物理对象等。

3） 模型：用来描述具有相同对象的集合，如1 套通风系统等。

4） 场景：用来描述具有相同空间或业务关系的集合，由多个模型或对象组成，如工作面瓦斯灾害监控场景等。

根据上述关系描述可知，1 个模型可包含多个对象，1 个对象可包含多个属性；不同的对象可以有相同的属性，不同的模型可以有相同的对象。将存在于不同对象或模型中的相同属性或对象定义为公共属性和公共对象。

根据以上定义，设计基于数据对象模型的安全监测数据集成架构，如图7 所示。

采集适配器通过指定的采集频率获取数据，并将其转换为内存数据集合，然后根据定义数据＞实时数据＞其他数据的优先级特征将内存数据提交到消息队列集群中。解析软件通过加载数据对象模型进行数据解析，实现数据到模型的转换，并将解析后的模型数据推送到业务数据消息队列。入库软件根据存储策略进行数据入库。根据数据特性将数据划分为热数据、温数据、冷数据：热数据为访问密度大、价值密度高、数据规模相对小的数据，包括实时采样数据、近3 d 采样数据等，存储到Redis中；温数据为访问密度一般、价值密度大、数据规模一般的数据，如统计数据、报警数据、定义数据等，存储到关系型数据库中；冷数据为访问密度低、价值密度低、数据规模大的数据，如密采数据、快照数据等，存储到HBase中。

2.2井巷工程三维参数化建模技术

井巷工程三维参数化建模是实现基于透明地质系统数据的井巷工程自动更新的关键环节。本文基于PostGIS+GeoServer+OpenLayers+Three.js 开源框架，综合利用相交运算、最近邻运算、最短路径运算、缓冲区算法等，从巷道拓扑关系生成、巷道三维模型生成和要素空间关系生成等方面进行井巷工程三维参数化建模[18-19]，如图8 所示。

2.2.1巷道拓扑关系生成

巷道拓扑生成原理如图9 所示。① 基于从透明地质系统获取的井巷数据，根据巷道开始节点坐标位置、结束节点坐标位置等提取与每一条巷道相交的巷道。② 进一步提取相交巷道的端点与拐点，然后使用端点与拐点的集合对巷道进行打断，并将打断后的巷道分别保存拓扑表。③ 通过PostGIS 插件自带的算法，生成巷道拓扑数据。④ 对于透明地质中缺失的巷道其他属性信息，通过开发GIS 维护组件，进行巷道属性补全。⑤ 将补全后完整的巷道拓扑关系及属性信息发布成标准接口，供各业务系统调用。

2.2.2巷道三维模型生成

巷道三维模型生成基本原理：首先基于巷道属性数据及巷道高程数据，在巷道二维拓扑结构的基础上生成巷道三维拓扑结构；然后通过计算最小巷道夹角实现巷道分段，生成巷道内角模型，并采用中线二分方法简化拓扑，避免巷道接头错位；最后通过缓冲区算法生成巷道边线，并基于巷道高度、缓存半径等进行UV 贴图，建立完整巷道内壁模型。

针对巷道中胶带等设备，利用建模软件建立典型设备图元，开发设备位置、姿态与巷道内壁自适应算法，实现设备与三维巷道的贴合。

2.2.3要素空间关系生成

井下要素主要包括物联网设备、井巷工程、地质体、关键位置（如胶带机机头）等。拥有统一时空坐标系下的三维坐标是构建各要素空间关系的基础。针对自带坐标的物联网设备、关键位置，采用多参数转换方法，进行坐标转换。

目前大多数井下设备、关键位置均缺乏三维坐标，因此开发专业维护组件对各要素在井巷工程中的位置进行人工绑定，然后通过坐标生成算法，赋予其坐标。在生成各要素空间关系时，一方面井下各要素都实际只存在于巷道中、相互间只能通过巷道联系，另一方面用户在绘制巷道与布置设备、关键位置时，既可能为了查看方便将要素放置在巷道外，也可能为了美观不按照真实距离比例绘制巷道与布置要素。因此按照以下方法进行要素空间关系生成处理：① 生成设备、关键位置与巷道的关系时，首先取与分析对象（设备或关键位置）相交的巷道作为所在巷道，若没有相交的巷道，取距离最近的巷道作为所在巷道。② 生成设备与关键位置的关系时，先取设备与关键位置在邻近巷道上的最近点作为实际存在点，再获取2 个最近点的最短路径，并取最短路径的长度作为设备与关键位置的实际距离。

2.3基于轻量级WebGL的地质体三维可视化技术

地质体的Web 端应用主要包括三维可视化和剖切2 个部分。在可视化方面，地质体三维精细模型通常面片数据量庞大、贴图分辨率高，存在B/S 端加载缓慢、交互卡顿等缺点，本文综合利用“模型压缩+浏览器端缓存+渲染调度策略优化”的策略实现基于WebGL 的地质体三维可视化[20-21]。

1） 模型压缩。glb 格式相对于obj 格式，具有文件数更少的特点；draco 是一种用于压缩和解压缩三维几何网格和点云的算法库，可在不严重影响视觉效果的前提下减小模型体积。因此可先将obj 格式转换为glb 格式，再采用draco 算法库中的相关算法对glb 格式进行压缩，减少模型的网络传输时间。

2） 浏览器端缓存。利用浏览器内置数据库IndexedDB 将已下载至浏览器的模型进行本地缓存，在模型没有更新时，二次打开网页直接调用本地模型，而无需从服务器二次下载。

3） 渲染调度策略优化。对模型进行拆解、建表存储，并分类标志其重要性，通过递归算法以重要性排序依次加载模型，在最重要的部分模型已加载完毕后直接渲染展示，未加载模型以空白模型填充占位，待后台加载完毕后再渲染替换，实现在不损失功能性的前提下减少用户等待时间。

地质体在线剖切可直观展示隐蔽致灾因素的空间关系，包括“面切”和“体切”等功能。在Web 端，利用模型材质判定的方法，让鼠标标点区域切割掉的部分完全透明，实现快速剖切。“面切”时将2 个点生成的连续线段作为切割路线，保留隐藏地质体剖面材质，并通过重新计算赋值在剖面模型上。“体切”时将鼠标点选的闭合区域进行切割，将闭合区域外的部分进行隐藏，同时通过闭合区域的多面计算，补上切割的纹理材质。

2.4预警事件协同处置机制

为提高灾害预警及处置的准确性和可靠性，避免控制指令冲突，实现各业务系统流程衔接，设计各系统灾害预警事件协同处置机制，如图10 所示。首先将单一灾害预警结果和联动控制策略上传至融合预警系统；其次融合预警系统对其综合分析形成灾害联动处理策略，并通过数据中心实现与智能通风系统的信息共享并将其推送给煤矿灾害融合管控平台；然后智能通风系统根据获取的信息生成通风联动控制方案，并将方案发送给煤矿灾害融合管控平台；最后经管理人员确认后，由平台通过Web API 接口、数据库表数据共享、PLC/OPC 接口等方式实现控制命令下发、信息推送等。

3平台应用

3.1煤矿概况

基于统一数字底座的煤矿灾害融合管控平台在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司麦垛山煤矿进行了应用。麦垛山煤矿多种致灾因素并存，矿井地质构造复杂程度中等，瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井，水文地质类型为复杂型，煤尘具有爆炸危险性，煤层属于容易自燃煤层。矿井分别建设有透明地质系统、水害预警系统、火灾预警系统、矿压预警系统、重大灾害融合预警系统和智能通风系统等。

3.2应用效果

1） 矿井灾害全要素信息融合集成。利用灾害数据融合技术，制定了矿山物联网信息10 类800 余项核心元数据，20 余类数据对象模型，覆盖透明地质、安全监测、灾害预警、协同处置等信息的数据共享规范，研发了多源异构数据采集交换系统，实现了近30 个系统的数据统一采集与融合共享。利用井巷工程三维参数化建模技术实现了矿井井巷工程自动上图、同步更新。利用基于轻量级WebGL 的地质体三维可视化技术实现了地层、岩层、断层、钻孔、采空区等三维模型分层渲染，具备模型拆解、属性查询功能，支持在线剖切功能，能直观表达井巷工程与构造空间三维关系，如图11 所示。

2） 灾害可视化管控。从空间和业务2 条线构建了分区、分类和分级图层，实现了风险、隐患、安全监测、微震能量事件、灾害预警、人员分布等信息的“一图清”；同时针对采掘重点区域，实现了工作面灾害预警信息、基础信息、生产信息、人员定位信息、隐患信息、存续风险点信息和相关技术资料等的综合集成。

3） 典型异常事件辅助溯源。通过统一数字底座建立了井巷工程、人员定位、井下机车等要素的时空关系，进而建立了定位基站、一氧化碳传感器等设备的强关联关系。当一氧化碳超限报警时，可自动调用时空分析算法服务，自动判识是否是机车通过导致的一氧化碳超限。同时通过建立的时空关系，建立了多传感器监测值异常逻辑判识模型，可自动辅助识别传感器监测值长期不变、传感器误报警等异常。

4） 风险事件数字化处置。平台整合了水害、火灾、矿压等灾害联动控制策略，构建了风险事件数字化处置流程。当平台监测到异常时，可根据统一数字底座自动定位事发地点，并根据灾害类型调用灾害仿真接口推演出灾害影响范围；同时根据仿真和实时监测结果，对井下实时人员所处区域的危险状态进行标志；根据灾害仿真结果和实时监测情况进行逃生路径规划，并通过井下广播进行信息推送；根据灾害联动控制策略，经人工确认后，可执行安全监控、井下广播、人员定位和智能通风等系统相关设备控制命令的发送。

4结论

1） 基于统一数字底座，设计了数据一致、信息叠加、功能复用、流程衔接的煤矿灾害融合管控平台，建立了平台与各业务系统交互架构，以“井田地质—井巷工程—区域场所”空间线和“瓦斯、水害、火灾、矿压、粉尘、通风”业务线构建了“隐蔽致灾因素—安全监测—安全管理—灾害预警—仿真规划—协同控制”的灾害管控链路。

2） 利用Web API 和FIP 接口对包括井巷工程数据、地质模型数据和空间量算服务的透明地质系统数据与服务进行集成，基于统一的预警信息描述规范对灾害预警数据进行集成，通过“场景—模型—对象—属性”层级结构的数据对象模型对安全监测数据进行集成，解决了数据一致性难题。

3） 根据透明地质系统数据，从巷道拓扑关系生成、巷道三维模型生成和要素空间关系生成等方面进行井巷工程三维参数化建模，并采用模型压缩、浏览器端缓存和渲染调度策略优化实现地质体模型在Web 端快速渲染，为灾害信息的统一可视化提供了载体。

4） 建立了逐级确认的预警事件协同处置机制，实现了预警处置流程的自动衔接，提升了预警的可靠性。

5） 应用效果表明，该平台实现了矿井灾害全要素信息融合集成、灾害可视化管控、典型异常事件辅助溯源和风险事件数字化处置等，提升了矿井防灾、减灾能力。