煤矿应急救援指挥通信平台的设计与实现.pdf

试验研究 煤矿应急救援指挥通信平台的设计与实现 程 平 1 ,潘 东 2 ,母泽森 3 ,龚世平 4 1. 重庆大学 计算机学院,重庆 400044; 2.重庆亚德科技有限责任公司,重庆 400039; 3.重庆市经委煤炭行业管理处,重庆 401147; 4.重庆市经委煤炭安全生产处,重庆 401147 摘 要重庆地区内的煤矿地理分散,规模较小,技术能力参差不齐。探讨了基于组件式GIS和 GS M等技术的煤矿应急救援指挥通信平台的设计与实现。主要面向煤炭行业各用户群体,以Hot2 GIS作为主要GIS技术,利用Microsoft1NET平台下的C1NET作为核心开发语言编程实现。 关键词应急救援;组件;GIS;GPS;GS M 中图分类号TD65;TD77 文献标识码 A 文章编号 0253 - 2336 2005 10 - 0050 - 06 Design and practice on m ine emergency rescue command and commun ication plat CHENG Ping 1 , PAN Dong 2 , MU Ze2sen 3 , GONG Shi2ping 4 1.School of Computer, Chongqing University, Chongqing 400044, China;2.Chonqing Yade Science and Technology Company Ltd. , Chongqing 400039, China;3. Coal Industrial Adm inistration Department, Chongqing Municipal Econom ic Comm ission, Chongqing 401147, China; 4.Coal Safety and Production Department, Chongqing M unicipal Econom ic Comm ission, Chongqing 401147, China Abstract Chongqing is located in the center of the South2West China. Coalmines in the area are located in different places and are in small scale.The technology ability of eachmine is different . Therefore, themine safety situation for themines in the area is very serious . The paper discussed the design and practices on the mine emergency rescue command and communication plat base on the configura2 tion GIS and GS M technologies .The system ismainly to serve end users in the coal industry . Base on the HotGIS as the main GIS tech2 nology and C.NET under the platfor m ofMicrosoft .net as the key, the language programmingwas developed. Key words emergency rescue; components; GIS; GPS; GS M 1 概 述 目前煤矿的安全管理与安监方式,面临点多面 广,协作乏力、沟通交流困难等诸多困难,瞒报、 漏报、少报现象时有发生。当煤矿发生事故时,由 于传统方式的诸多弊端,造成了时间延迟、决策困 难、信息沟通不畅,非常不利于煤矿事故的救援指 挥工作。 煤矿事故应急救援是一个庞大的系统工程,在 很大的地域范围内,需要根据事故的灾害类型、破 坏程度、地质条件等因素的不同,选择适用的救援 方式。同时救援方案的确定、技术装备的应用、人 员的组织都需要在短时间内,做出正确的抉择与调 度管理。我国相关机构与部门,在煤矿事故应急预 案编制和指挥调度、救灾通信方面已开展了较为深 入的研究,并取得了一定的成果。例如,文献 [1 ]提出了以井下安全生产和事故救援信息支持 为主要功能的系统设计方案。但是,大部分的成果 应用范围较窄,局限性比较明显,对大范围内的指 挥救援工作如对包括政府安监体系在内的全面 研究缺乏指导。理论研究与技术应用还存在比 较明显的脱节现象。 随着GS M技术的发展和广泛应用,现在其网 络几乎覆盖整个重庆地区。同时,地理信息系统 GIS和全球定位系统GPS的理论和技术也 在资源环境中的应用日益成熟,它强大的空间分析 功能和和海量数据管理优势、空间定位能力为煤矿 事故的救援指挥工作提供了极大的便利。重庆某公 05 第33卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2005年10月 司开展了基于组件式GIS和GS M技术的重庆市煤 矿应急救援指挥通信平台CRCCS的开发研制 工作。该系统实现了省市级煤矿应急救援指 挥体系的自动化、信息化。 2 系统开发设计 211 系统概述 21111 技术应用 该文介绍的煤矿应急救援指挥通信平台,是基 于GIS和GS M /GPRS的远程无线监控技术与现有 事故救援指挥通信体系的科学结合,实现了省 市级煤矿应急救援指挥体系的自动化、信息 化 [2 ]。 地理信息系统GIS以其独特的空间分析和 强大的地图可视化功能受到青睐,目前广泛应用于 公安消防、交通指挥、地籍管理、环境保护、采矿 等多个行业。系统以组件式GIS作为安全救援信息 可视化的基础,集空间数据显示如煤矿的地理 位置、巷道模型、矿体模型等、数据查询灵活化 如设备参数、地质赋存情况、人员情况等、数 据分析可视化如事故树分析、趋势分析、模型 仿真等于一身,可帮助用户分析、查询、有序 管理大量数据信息并以直观的图形方式显示结果, 将传统的数据库带入到三维的可视空间中,极大弥 补了传统M IS系统数据应用的局限性,使得管理 决策者对各个方面的情况有一个更全面、更集中、 更快捷的了解。 系统将地图信息可视化技术与事故监控、指挥 救援通信、管理系统相结合,提供整体、集成的可 视化环境,为救援管理部门提供一个进行自动化信 息查询、辅助决策的基础工具。它可以帮助管理人 员分析井下巷道、通风排水、瓦斯监测、机电系统 的分布以及地质水文情况,并将这些数据与实际空 间拓扑相关联,与生产作业、人员、设备设施、安 全指标和其它数据信息建立全面的协作,平时用于 监控预测、防止各种安全事故的发生,而在突发安 全事故时,能大大提高救援机构对安全事故的反应 速度,并提供全面的救援决策支持 [3 ]。 平台的建立还必需考虑实际的通信条件与行业 特点。山区煤矿大多规模小、地处偏远,位置分 散,通信条件比较恶劣。以重庆为例,只有GS M 的信号覆盖度达到9819以上,而GPRS目前只能 达到30左右,有线连接在边远山区,更是远未 普及。因此,使用GS M的S MS服务为基础通信手 段,作为对其它通信方式有益的补充,有着极为重 要的现实意义。 21112 系统运行及开发环境 运行环境PIII以上的微机,支持32位真彩 色模式; W indows XP/2000 /2003;Net Framework 111;GS M /GPRS无线Modem,GPS终端部分用 户使用。 开发环境P4 214G微机; W indows Server 2003 Standard Edition操作系统; Microsoft Visual Studio1NET C 1NET,C 1NET语言结合 HotGIS 210组件。 212 系统设计目标及原则 21211 系统设计目标 CRCCS面向市、区县、煤矿救护队三级 煤炭机构,将事故监控与报警、地图动态查询与定 位、救援指挥、安全生产及行业管理融为一体的综 合安全生产与管理平台。 根据用户需求,系统的设计目标为 1系统直接服务于煤矿信息、矿山救护队、 行管机构、煤炭生产许可证、矿长资格证、煤矿特 种人员管理等。利用该系统能够实现生产许可证的 申请、发放及吊销,煤矿特种人员的登记及管理、 煤矿及矿山救护队基础信息的录入与存储、检索与 查询、修改与更新、统计与分析等功能。 2利用该系统实现每月煤矿生产数据、事 故数据在区县级和市级的自动上报和汇总。 3利用GS M短信技术,实现事故求援、通 知救援、事后上报及指挥救援等功能。 4利用GIS技术,实现煤矿及矿山救护队 信息及相关决策单位的统一管理,在事故发生时, 能够精确的定位在目标位置报警。 5利用GPS技术,跟踪矿山救护队营救过 程,实现地理信息、目标定位、及短信通信3G技 术的集成。 6系统能够对风机情况实现无人自动监控、 自动报警,能确保安全监察业务准确、实时、快速 的运行,保证抢险救灾、安全救护的高效运作,对 煤矿生产、安全事故做出科学、全面的统计分析, 集事前预防、事中控制、事后求援于一体。 7利用该系统的优势,节约管理成本、强 化生产安全管理、提高工作效率。 15 第33卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2005年10月 21212 系统设计原则 系统设计本着先进性、开放性、可扩充性、可 维护性的原则,根据目前业务实际,并充分考虑今 后业务发展需要,采用B /S体系结构与C/S体系 结构相结合的多层应用结构,使用当前先进的Mi2 crosoft1NET 2003开发平台、面向对象的开发方法、 可视化的开发工具,开发出一套较为完善的适用于 各级煤炭管理部门、煤矿企业、矿山救护队管理科 学化、安全生产自动化的信息解决方案。方案设计 主要注重以下几方面。 1先进性和科学性。CRCCS将先进的组件 式GIS技术、GS M /GPRS技术、信息可视化技术、 CSCW等计算机领域技术的成果与煤炭生产特点、 行业管理需求、政府安监体系相结合,并对其进行 了科学合理的适应性调整。 2统一性与规范性。为保证系统的科学性、 实用性以及与其它系统、后续建设的集成性,系统 设计遵循统一、规范的信息编码和坐标系统,规范 的数据精度与符号系统等。系统的研发,在对国家 标准、行业规范进行深入研究的基础上,建立了包 括煤矿各种属性、图形、图像、历史信息在内的标 准数据库。 3实效性和共享性。通过有线与无线网络 的结合,及时、准确、动态地获得煤矿事故信息, 提供信息资源的流通交互与共享协作。 4传递性和安全性。实现数据库三层结构 安全管理,支持多级权限管理,使系统安全性有稳 固的保障;从操作系统、数据库、应用软件等多层 次设置安全屏障,有效保证网络信息的完整性、秘 密性。在系统的建设过程中,突出强调了信息化专 家与领域专家的交流、合作,使系统做到技术和实 用性的高度统一,使之在无论技术上还是在业务流 程上都具有领先性与实用性。 5可扩展性与开放性。系统设计从最初就 考虑了扩展及与其他系统的兼容如与现有瓦斯 远程监控系统的集成 , 在煤矿编码、事故编码、 信息编码、底图坐标系统选择、数据库设计及系统 功能等方面,建立完善标准规范体系,并留有充足 的扩充能力,方便系统的扩展与移值。当新的模块 增加时,现有的模块和整个系统结构将不会受到大 的影响。 此外,网络技术及WebGIS、WebService的应 用,使系统具有更加良好的开放性与集成性。 213 系统结构 21311 系统总体结构 为了实现对煤炭行业、煤矿事故报警及救援进 行全面的管理,此次开发研制的CRCCS是一个多 功能、多模块集成的管理系统,它由人机交互层、 系统功能层、数据管理层、系统支持层、系统驱动 层和硬件驱动层6个层面及煤矿信息管理、救护队 管理、短信管理、文档管理、行业通信录救援互动 通信、数据自动上报统计、GIS监控及指挥救援、 GPS、事故救援体系等功能模块组成。 系统分层结构如图1所示。 图1 系统分层结构 系统与终端用户的接口,由鼠标和键盘支持的 全汉字视窗界面,以GIS技术实现多层次的信息可 视化,如各煤矿的地理位置标注,矿井巷道的可视 化模型等。 1系统功能层。该层为整个信息系统的核 心部分,共9大模块,具体内容见214系统功能。 25 第33卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2005年10月 2数据管理层。该层用于管理标准数据库 中各不同种类、不同属性的数据以及空间数据库中 的矢量坐标和空间数据,保持数据的安全性和正确 性,是各功能模块实现功能的基础,同时也是各功 能模块实现集成应用的纽带。 3系统支持层。该层用于为功能应用提供 统一的基础服务,包括数据处理,数据验证、检 索处理,数据完整性维护;地图处理,用于图形的 分层,空间数据的处理与分析。 4系统驱动层。该层包括数据库驱动为 数据库系统提供支持、图形驱动为地图显示、 图层分析等提供支持和通信协议驱动为串行 通信提供支持。 5硬件驱动层。用于驱动各类硬件,包括 无线通信设备、GPS终端、连接工控总线如风 机监控设备 , 打印机、绘图仪等。 21312 系统数据库内容 系统数据库是该系统的基础,其建立的工作量 约占整个系统构建工作的50 ,它由空间数据和 属性数据所构成,其内容如图2所示。 图2 数据结构示意 214 系统功能 CRCCS系统功能主要由煤矿信息管理、救护 队信息管理、短信管理、文档管理、行业通信录、 救援互动通信、数据自动上报统计、GIS监控及指 挥救援、GPS、事故救援体系等功能模块组成。 1煤矿信息管理。煤矿信息管理主要对重 庆市各区县煤矿的基础信息进行管理。这些信息包 括矿井名称、企业名称、矿主姓名、详细地址、 企业类型、设计能力、井田面积、深度、井口标 高、许可证编号、矿长资格证编号、生产许可证发 放日期、失效日期、联系电话等基本信息,以及矿 井的历史事故记录、通风系统图、采掘工程平面图 等技术资料。管理部门用户可根据各煤矿的实时情 况,添加、删除、修改煤矿信息。同时可以根据用 户的模糊查询条件,查找感兴趣的煤矿。查询条件 包括矿井名称、矿井所在地区、矿主姓名、许可证 编号等。也可以根据煤矿开采设计能力、开采深 度、开采方式、企业类型、所属区县等条件,对矿 井的相关要素进行统计分析,为管理者或决策者提 供一手的信息支持。 2救护队信息管理。对重庆市矿山救护队 进行统一的调度指挥。管理的信息涉及救护队名 称、队长、电话、手机、邮编、地址、建队日期、 车辆、指战员以及救护设备、性能参数等基本信 息。指挥人员可添加、删除、修改、查询救护队信 息。救护队与签订救护协议的煤矿关联,市直属救 护队除了为协议煤矿提供救护之外,还直接受重庆 市煤矿救援指挥中心的调度。指挥人员直接在图形 化的地图上,指挥各救护队、各特种设备、甚至个 人的行动,形成大范围的立体救援体系。 3事故救援体系。事故救援体系模块主要 完成当煤矿发生事故时,安全人员立即将事故根据 事故汇报模板,将事故原因、死亡人数、发生地 点、发生时间等信息,如实填写完毕后,通过救援 互动通信模块,将信息发送到当地政府安全机构、 公安、消防、煤监局、协议救护队以及市经委煤炭 35 第33卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2005年10月 处。市经委煤矿救援指挥中心接到报警之后,成立 救援指挥部,制定救援方案,然后实施具体救援工 作。救援系统组成如图3所示。 图3 系统组成示意 4通信管理。系统的信息类型涉及到事故 信息、管理信息、个人信息、业务信息、生产信息 等五类。涉及发送接受时间、发送方接收方,以及 内容等基本信息。该模块对各类通信内容进行分别 管理。不同的用户分别管理各自的个人短信,系统 提供多表查询、删除、导入、导出等功能。事故信 息、管理信息、业务信息、生产信息信提供查询、 转发、重发、回复等功能,仅有特权用户具有删除 这四类信息的权限。 5救援互动通信。模块主要完成短信的发 送与接收。在发送之前,要将信息进行类型编码, 然后再将其编码成PDU格式,通过发送线程发送 出去。同时,当系统接收监听线程监测到信息到达 之后将PDU格式的信息解码成文本信息,然后再 对信息进行解码,识别出信息类型,存入不同的数 据库中。 6数据自动上报统计。该模块完成煤矿企 业每月自动向区县煤炭主管部门上报煤炭当月产 量、煤炭当月销量、月末库存、电煤销量以及电煤 销售额、本月事故次数、本月死亡人数、本月重伤 人数、本月轻伤人数等煤炭生产和事故信息。区县 煤炭主管部门在对辖区煤矿企业的上报煤炭数据进 行分类汇总之后,自动将其上报到市经委煤炭处。 市经委煤炭处自动完成全市各区县的上报数据分类 汇总。用户可以图表、报表形式将其打印出来。 7文档管理。文档管理模块对用户所需的 安全相关文档资料以及用户个体文档资料进行统一 的管理。一部分是固定的安全救援体系文档,这部 份是系统安装好后就存在于系统的数据库之中的, 包括国家安全法规,行业规章制度,救援体系说明 等。系统对这些信息进行按类别的分类显示,以方 便用户查询与使用。系统将可以文件包升级的方式 更新这类型的文件,升级包将由市经委行管处统一 制作和发放。另外一部份的文档信息就是用户自定 义部份,用户可根据自己的需要,将相关的文档资 料纳入到系统的统一管理之下,包括与上级单位的 往来文件,下级的通知批复以及个人文档等。 8行业通信录。该模块主要对向用户提供 的重庆市煤炭行业所有相关单位的通信信息进行管 理,与重庆市救援指挥中心的互动。用户可以添 加、删除、修改单位及其联系人信息,同时也可以 条件查询相关联系人。 9GIS监控及指挥救援。GIS监控及指挥救 援模块是本系统的核心功能模块,通过它,煤矿信 息管理、救护队管理、救援互动通信等模块有机地 组合在一起。同时该模块也将煤矿企业和矿山救护 队的空间位置信息与属性数据结合起来,进行可视 化的显示。在CRCCS中共设计了分类查询、模糊 查询、空间查询、空间条件查询以及综合条件查询 等方式。其查询功能主要是针对用户对基础地图和 各种专题地图的查询需求而设计的,具有空间位 置、属性、范围及关系等多种查询检索功能。该系 统实现了属性数据与空间数据间的相互查询,用户 可以根据需要进行空间至属性的空间查询和属性至 空间的逻辑查询,使用户能很好地深入理解与研究 空间与属性数据关系 [4]。 用户可根据煤矿开采设计能力、救护队救护能 力等指标在GIS模块中形成专题地图。例如根据 图层中某个对象的数据库中的某个属性,以相异的 方式展现出来。比如将煤矿年设计能力分为5个等 级大于30万t、10～30万t、5～10万t、2～5 万t、小于2万 t 。用户自定义颜色,如用红色、 橙色、黄色、蓝色、绿色表示5个级别。用户也可 以采用贴图的大小来表示年设计能力。 特别重要的是,当系统在接收到其它机构发来 的信息时,可以根据接收到的信息种类安全、 行管、业务、生产、个人等 , 在电子地图上信息 接收对象目标上定位并以不同的颜色或声音 报警闪烁显示将信息区分开来 , 用户可以简单 地用鼠标获取报警信息。同时可以立即通过空间数 据库查询事发地点的所有详细资料。 45 第33卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2005年10月 10GPS。可以实现对单车或多车的点名定 位和实时监控,在界面上显示监控车辆的目标编 号、时间、速度 、经度、纬度、状态、行进路线 等信息 。在实施事故救援过程中,对救援车进行 调度,并可对其进行如路线选择等等辅助功能。 3 系统的建立 系统的建立大致为领域建模分析、关键技术预 研、数据库的建立与系统的设计与试运行等4个过 程。 1领域建模分析。首先对行业管理职能部 门所使用的一些单一功能系统进行数据与功能的分 析,同时对行业管理、安全监察方面的法律法规、 条例规定进行深入细致的消化,结合现有的救援指 挥体系与组织结构,建立多层次、全方位的救援流 程模型,并对其中的各种意外情况进行充分的模拟 与分析。 2关键技术预研。系统采用了GS M /GPRS、 GIS、GPS等高新技术,将不同的系统集成应用到 一起并不是一件简单的事,因此在系统研发的前 期,对相关的技术进行了大量的预研工作,特别是 对GS M /GPRS无线通信和GIS监控进行了大量的 模拟实验,完成了 无线通信预研报告 和 组 件式GIS应用预研报告 。 3数据库的建立。数据库的建立分空间图 形数据库与属性数据库建立两个方面。在空间图形 数据建立方面,先把各种图件扫描后,利用Map2 GIS软件强大的矢量化功能将各扫描图转为矢量 图,并进行适量图的编辑、修改,以达到质量要 求。然后建立拓扑关系,同时,在此基础上给每一 个图层建属性表、赋值并检查其正确性。对图形进 行坐标、投影变换,建立统一的坐标投影系统,并 最终把数据转换为HOTGIS格式。在属性数据建设 方面,将各种数据分门别类,建立科学紧凑的属性 库结构,并在此基础上建立起空间、属性数据通信 的一体化关系。例如煤矿、救护队的空间位置与它 的属性数据库之间的连接是利用Visual C1net编 程实现 “HOTL I NK”技术,通过统一的煤矿和救 护队编码而建立的。其中煤矿编码由11位数字组 成,包含了国有或乡镇 1 位-行政区划代码 4 位-煤矿代码 6 位。每个煤矿和救护队的 具体信息、图像等数据则直接从系统的煤矿管理模 块、矿山救护队管理模块录入。 4系统的编程开发及试运行。根据系统设 计原则和目标,利用Visual C1net作为系统主要 程序开发语言,并在HotGIS地理信息系统二次开 发组件的支持下,实现了单机版管理的信息采集输 入、浏览、查询、统计分析和输出等功能。系统开 发完成后,还经过多次试运行查找其中存在的问题 并予以解决,最终达到系统完善、稳定运行并良好 发挥其设计功能的目的。 4 结 语 重庆市煤矿应急救援指挥通信平台是整个煤炭 行业管理基础平台的第一期工程,是一个基于 GIS、GPRS/GS M、GPS等多种高新技术溶合的现 代化信息系统,通过基础平台、基础数据中心,可 以兼容与扩展其它的应用。今后,该系统的发展一 方面要向煤矿事故的辅助决策等更深层次方向发 展,形成集日常管理、事前预防、事中控制、事后 救援,全面的、立体的煤炭行业管理基础架构。 在辅助决策方面,要充分利用GIS软件分析功 能强大的特点,积极为事故的预测预报及防治起辅 助决策的作用,并在条件成熟的情况下建立专家决 策系统。总之,该系统今后的发展与完善主要是在 具有一定深度与水平的基础上朝实用性方向发展, 使它既能为日常行业管理、煤矿事故的防治、预测 预报提供帮助,又能为煤炭行业的产业化升级提供 信息化支持。 参考文献 [1] 李学来,胡敬东 1煤矿应急救援技术的研究及应用现状 [J ].煤炭工程, 2005 4. [2] 王平津 1煤矿瓦斯安全多级监管中的信息技术[ J ].煤炭 科技技术, 2004 4. [3] 刘桥喜,毛善君,马蔼乃,等 1煤矿安全地理信息系统的 设计与实现[J ].测绘通报, 2004 2. [4] 沈成权 1浅谈煤矿安全监控系统的细化应用[J ].煤矿安 全, 2005 2. 作者简介程 平1978 - ,男,重庆人,硕士研究生,系 统分析师,主要研究方向为煤矿安全、数字矿山、数据仓库与数据 挖掘,现在重庆亚德科技有限责任公司从事煤矿救援系统研发工 作。Tel 023 - 66726580, E - mailchengpingadtech1com1cn 收稿日期 2005 - 06 - 21;责任编辑王宗禹 55 第33卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2005年10月