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基于GIS的煤矿井下安全监控管理系统的开发

摘要:

煤矿安全是矿业的头等大事。矿山事故的原因和后果多种多样，包括矿山的灾难性破坏、巨大的经济损失和最显著的生命损失。因此，任何监测矿山的主动行动对进行安全监测和维护都是至关重要的。

摘要介绍了一种基于地理信息系统(GIS)的地下矿山安全监测与管理系统的开发，该系统分为建设安全、监测与维护、应急三个层次。该模型将数据库的设计和管理集成到监控系统的实现中，实现了基于web和桌面应用程序的查询和分析操作。开发交互式面向对象图形用户界面(GUI)是为了可视化从模型中收集的实体的信息，并提供基于使用数据表和映射对象的图形表示和演示的分析操作。

研究方法基本上包括五个主要阶段:（1）设计概念数据库模型;（2）根据实体关系图发展逻辑模型;（3）根据物理限制和要求拟订一个物理模型;（4）开发用户界面并执行所开发的模型、分析和查询;(5)对土耳其Ouml;merler地下煤矿建立的模型进行验证。该系统有望成为改善和维持地下煤矿健康标准的有效工具，并有可能推广到国家地理信息系统基础设施。

1.介绍

长期以来，矿山安全一直是矿山企业，特别是地下煤矿开采的首要问题。矿山井下事故可能造成严重的人员伤亡、机械设备灾难性故障和生产延误。这些后果也会给公司带来巨大的经济损失。虽然地下采矿比前几十年安全得多，但采矿事故仍然是需要解决的关键问题。2005年在中国最近在孙家湾煤矿发生透水事故,造成203人死亡,2006年在西弗吉尼亚州萨戈煤矿,17人死亡,在屯兰煤矿工作古交市中国2009年,有73人死亡，这些都表明,在煤矿安全监测和维护的进展仍是一个新兴的问题。

地下矿山环境由于其性质，涉及大量的人员、机械设备、矿山事故、矿井通风网络参数等相关数据。有效地处理和分析这些数据对于减少与矿山事故有关的风险至关重要。在某些情况下，尽管采取了各种预防措施，事故仍无法完全避免，有效处理紧急情况对于帮助矿山救援行动和减少伤亡人数变得十分重要。即使事故仍然造成人员伤亡，相关的事故数据也必须妥善存储和管理，以应对未来的风险管理尝试。因此，一个广泛的煤矿安全模型应该服务于上述三个主要领域。

虽然许多煤矿已经建立了信息管理和安全生产监控系统，但这些系统的功能仅限于煤矿地图的显示和查询。其他传感器系统也缺乏用户友好和用户特定的界面。这将导致空间数据处理和表示能力不足，无法显示现实模型。动态环境监测过程产生了非常高的信息质量和隐含的知识模式，这就需要一个数据库管理系统(DBMS)。此外，日益增长的数据存储需求和通过在直观表达良好的地图上使用和显示结果进行分析的需求，将加速卫星信息和空间数据地理信息系统的引入。GIS通过允许使用空间参考数据来促进地下安全监测，在空间参考数据中，系统通过其数据库和管理工具、处理和分析工具以及特征显示工具发挥作用。这些处理和分析工具将用于监测矿山环境。

基于GIS的方法被用于不同目的的煤矿开采。

该系统适用于面临类似问题的地下煤矿。该系统的网络组成部分将促进终端用户，主要是煤矿管理人员、省级消防队和地方、区域和国家各级的决策者，对数据的存取和容易的评价。

该系统将帮助决策者描述、理解和预测特定活动或物理过程在整个矿井中的变化。空间建模和分析为量化时空过程、生成案例场景和改进煤矿安全标准提供了工具。

从这个意义上说，一个动态的、用户友好的、与数据库管理系统(DBMS)和矿山监测相结合的健壮的GIS有望成为一个强有力的、彻底的解决方案，以实现建设性的安全和监督，以维护地下煤矿的安全标准。因此，用用户友好和开发良好的软件管理环境数据库是必不可少的，因为它使最终用户能够有效地执行其任务和使用工具。一个有效的监控系统应该：(1)包括图形用户界面,(2)涉及监督计算机提供数据存储、分析和报告备份安全监测、(3)帮助结合矿井复杂接受数据从矿井监控系统和选矿厂,(4)是用户友好的,因此系统可以当需要的时候被修改。

本文从分析和查询功能出发，探讨了利用GIS和DBMS来提高和维护煤矿井下健康标准的方法。本文的研究工作包括:(1)设计概念数据库模型;（2）根据实体关系图发展逻辑模型;（3）根据物理上的限制和要求发展物理模型;（4）开发面向对象的图形用户界面(GUIs)，并使用标准查询语言(SQL)实现所开发的模型、分析和查询; （5）对土耳其Ouml;merler地下煤矿建立的模型进行验证。

开发的系统主要基于众所周知的GIS原理，通过保留这个主框架，它可以帮助(1)监控矿井环境，特别是在一个图库中的风速变化，(2)查询数据库，(3)收集和获取有关矿井的信息，以及(4)在紧急情况下计划救援行动。

MapInfo作为支持GIS的软件包。因此，系统的文件类型是.tab文件，它是标准的MapInfo文件结构。Takahashi 认为，要保证煤矿的安全，防止对矿工的伤害，保护矿产资源，保护矿山设施，保护矿山污染，都应该做到。为了建立这些标准，将影响所列参数的因素提取出来，并在数据模型中使用。介绍了矿山空间信息在地下矿山安全管理中的应用。该系统利用GIS和DBMS的分析和查询功能，有望成为提高和维护煤矿井下健康标准的有效工具。

2.学习领域

Tavşanlı-Ouml;merler地下煤矿褐煤,中西部的土耳其(图1),被选为基于GIS技术设计和实现的研究区地下煤矿安全监控和管理系统。自1985年以来，该矿一直由土耳其煤炭企业(TKİ)经营，该企业是管理土耳其煤炭生产和销售的国有企业。矿区的纬度和经度分别为4，356，000至4，357，800米和448，800至450，000米，其空中范围约为135 平方千米。采用综放长壁分段放顶煤法，地下矿山年生产能力235万t。覆岩平均深度约240 m。地下矿山有629名工人，分三班工作。7名采矿工程师为企业工作，1名健康和安全工程师负责维护矿山工作环境的安全。选择该矿作为研究区域的主要原因是连续和精确记录数据的可获取性。

图1 研究区域的位置

3. 数据库设计与管理

3.1 输入数据和预处理

煤矿井下安全数据库的设计主要分为三个阶段:(1)数据采集，(2)预处理，(3)管理。输入数据及其空间、时间和/或主题属性一起在数据库中定义。在这项研究中，空间数据包括图片库地图，现场测量，球迷和急救站的地理位置。图库地图是使用地面控制点(GCPs)从1：2000比例尺矿山地图中获得的。分布均匀的5个地面控制点，其中4个大致从地图的拐角点选取，1个点从地图中心选取，用来表示图像坐标集并进行二维仿射坐标变换。在地图注册中，仿射变换已经在MapInfo中使用。投影系统被定义为具有基于相应基准ED50的带号33的通用横向墨卡托(UTM)投影。用少于一个像素误差进行图像配准。

注册地图在MapInfo专业环境下数字化。在数字化地图中，有四个不同的层次，分别是点基风扇、点基急救站、线基通道和点基空气测量站。这些文件以MapInfo专业格式保存。在本研究中，非空间属性与空间属性相结合，直接得到或通过二次处理和计算生成。虽然直接得到了作为非空间属性与风机位置相结合的风机性能特性，但风压降值是由压力损失、摩擦系数、气道周长、气道长度和截面积的函数产生的式(1)。

在式(1)中,P是压力损失在帕斯卡,k是摩擦系数在Ns - 2 / m 4中,C是画廊的米,周长长度L是米, Q为m3 /s的风量，A为m2的廊道截面积。在MapInfo程序中，通过向图库表中添加一个额外的列，并在UPDATE列属性中分配球形长度公式，计算库的长度。

时态属性也保存在数据库中。所需的时间属性是员工的个人信息、事故统计以及事故类型和事件。主题属性是对象的其他类型的属性，无论是时空属性还是空间属性。画廊的长度，工人的名字，测量的空气压力的定量的月份值等，可以被认为是主题属性。在MS Access环境中对主题属性进行了列表和保存。

3.2数据库设计与管理

数据库管理系统结合数据库和管理系统，处理所需信息的检索、更新和可视化。本文分几个阶段对Ouml;merler地下煤矿进行了数据库设计和管理。首先，确定了煤矿井下安全维护与监控的策略。从这个意义上说，本研究所采用的方法需要地下矿山安全相关参数、工人的关注和矿山的关注。

在MS Access环境下，通过建立系统的主要框架，利用计算机管理系统进行数据库管理。由于数据库管理系统应该允许灵活地进行调整和修改，因此通过消除糟糕的数据元素规范，将数据库构建在关系结构上。开发的数据库模式由实体和属性组成，使用统一建模语言(unified modeling language, UML)图如图2所示。

图2 描述属性、实体和关系的统一建模语言(UML)图

例如，在事故实体数据库模式(图2)中，有五个属性，事故ID、原因、结果、日期和定义。地下矿山发生事故时，将事故发生的原因、后果或结果以及事故发生的日期记录在数据库中。事故实体的定义属性依赖于事故所包含的信息。同样，事故表、原因表和结果表都有定义列，其中有原因和结果的解释。在Ouml;merler矿井中，每种事故类型都被指定为事故ID代码，定义属性与事故相关。定义属性使每个程序用户都可以理解这些代码。联系信息，工作人员，画廊，急救站和球迷表也有特定的属性。

数据库模式的设计基本上遵循三个抽象级别的数据建模，即概念、逻辑和物理级别。这是一种通用的数据建模形式，可以应用于任何地下矿山，但在本研究中，定义了实体、属性、输入数据和关系，从而确定了地下煤矿的需求。

在包含重要实体和关系的概念建模层次上，确定了不同实体之间的最高层次关系。数据库中的基本实体是工人、事故、原因、结果、联系人和图库。在逻辑数据建模级别，选择主键和外键作为表的属性的唯一标识符和表之间的关系。例如，在Gallery表图库ID中对于每个元组是唯一的，因此，它是图库表的主键。对于“包含在”、“导致在”、“工作在”和“发生在”关系，也有关系模式。在这些关系模式中，关系表的主键作为外键包含。数据库的关系模型如图2中的UML图所示。例如，意外事故表是通过员工ID键与员工表关联的。一名工人可能涉及许多事故，因此，许多事故可能发生在一个工人身上。此外，爆炸也可能发生，并可能影响到那里的许多工人。因此，工人与事故之间的关系被定义为M到N关系。

开发的数据库如图2所示，可以对数据库中的数据输入进行控制和观察。工人和事故信息保存在开发的数据库文件中，应用程序可以查看和分析这些信息。工人、事故、联系人、原因和结果可以在第一种表格的不同选项卡中查看。每个选项卡都有与标题相关的特定值。添加、删除和更新操作对于每个选项卡都是有效的(图3)。

此外，还可以通过“查看所涉及的事故”按钮来查看工人与事故之间的关系。在这种情况下，如果一个工人卷入了不止一起事故，所有的事故都列在一个数据网格中。相同的按钮对“事故”选项卡有效，在该选项卡中，可以在数据网格中看到参与特定事故的每个工人。该程序还支持事故和工人的搜索功能。用户可以根据事故ID或姓名/姓氏分别搜索事故或工人。此外，程序还可以使用职位描述作为关键点来查找工人。在主窗体中，通过信息按钮可以看到事故的原因和结果。这些是预定义的标识，对应于前面声明的ID。

图3 事故和工人数据库系统程序截图

3.3元数据管理

元数据可以定义为关于数据的数据及其管理可以在地理空间数据管理中发挥关键的问责和责任作用。因此，本研究还考虑了元数据管理。地理空间元数据记录包括:(1)核心图书馆目录要素:标题、摘要和出版数据;(2)地理要素:地理范围和投影资料;(3)数据库元素:属性标签定义和属性域值元数据存储在标准的MapInfo .tab文件中。数据库中的每个表可以有零个或多个键。每个键表示不同的信息类别。MapInfo Professional使用元数据管理MapInfo Professional和服务器数据库之间的事务。元数据中存储的两种最重要的信息包括连接字符串和从程序构建的查询。

在浏览器中，当用户请求查看的元数据时。标签文件,表格在页面中形成,并且程序基于该结构检索元数据信息；

gallery_2标签文件的代码执行时,CoordSys地球投影,8,28,“m”,15,0,0.9996,500000,0范围(minus;7746230.6469minus;9998287.38389)(8746230.6469,9998287.38389)被记入本次学习。例如，列表中的第一个元素定义了地球投影，第二个元素确定了投

资料编号：[4729]