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地理信息系统在矿井灾害应急救援中的应用 董 枫,蒋仲安,高 蕊 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京100083 摘 要通过研究矿井灾害救援技术和地理信息系统,建立了基于GIS技术的矿井灾害应急救援系 统,以及内容丰富的矿井灾害应急救援数据库和知识库,实现了矿井地图的可视化管理,动态模拟演示 各种事故的避灾路线,为灾害预防和处理提供了有力的技术支持。 关键词矿井灾害;应急救援系统;地理信息系统 中图分类号TD77 ;P91 ;X928 文献标识码A 文章编号1008 - 4495200703 - 0043 - 04 收稿日期2006 - 11 - 08;2006 - 12 - 15修回 基金项目北京市教育委员会共建项目建设计划基金资 助XK100080432 作者简介董 枫1982 , 男,北京市人,硕士研究生, 主要从事煤矿安全和环境保护方面的研究。 20世纪70年代以来,建立重特大事故应急管理 体制和应急救援体系受到国际社会普遍重视,许多 工业化国家和国际组织都制定了一系列重大事故应 急救援法律、 法规和政策。1993年国际劳工大会通 过的 预防重大工业事故公约,将应急预案作为重 大事故预防的必要措施,在职业安全卫生管理体系 中,应急计划是关键的要素之一 [1 - 2] 。应急救援预 案是应急救援体系的重要组成部分。煤矿属高危行 业,通过建立重特大生产安全事故应急救援预案,可 以控制事故发展并尽可能排除事故,保护现场人员 和场外人员的安全,将事故对人员、 财产造成的损失 降低到最小程度。 自20世纪60年代加拿大开发使用第一个地理 信息系统以来,该技术不断得到发展,其应用也逐步 扩展至社会生活的各个领域。地理信息系统GIS 是一种利用计算机对空间信息进行存储和处理的系 统,通过对空间信息及其他各类信息的有效管理,从 而使大量抽象、 枯燥的数据变得生动、 直观和易于理 解,提高工作效率和管理工作的科学性和准确性 [3] 。 因此,将GIS技术引入到矿井灾害应急救援管理工 作中,将矿井灾害应急救援信息与地理信息有机地 结合起来,构建一个基于GIS技术的矿井灾害应急 救援系统具有十分重要的现实意义。 1 矿井灾害应急救援系统和GIS 1. 1矿井灾害应急救援系统 矿井灾害救援制约因素多、 情况复杂多变,与其 他行业的抢险救灾工作相比,具备更强的技术性、 时 效性和更大的危险性,要求反应迅速、 判断准确、 应 变及时、 措施有力,一旦事故发生,需要多支救援队 伍密切配合、 集中指挥展开救援工作 [4] 。因此,为保 证矿井安全生产、 保障矿山应急救援工作的及时有 效,必须建立一套完整的灾害应急救援系统,提高矿 井的抗灾救灾能力,这也是处理矿井特别重大事故 的关键。 建立矿井应急救援系统的目的一是发生事故 后控制危险源,避免事故扩大,在可能的情况下予以 消除;二是尽可能减少事故所造成的人员和财产损 失。因此,矿井灾害应急救援系统不仅要包括危险 源空间布局、 矿井环境状况、 关键设施状况、 应急救 援力量等实体空间,而且还应涉及社会经济领域的 非实体因素,如人员分布、 财产分布等。 1 潜在灾害类型及分布。潜在灾害类型及分 布是构建矿井灾害应急救援数据库的基础。依据历 史灾情库和现实的地质环境特征,将该区域可能发 生的灾害进行辨识,并将其空间分布导入应急救援 数据库。 2 矿井环境状况。矿井环境状况是引发矿井 灾害的物质基础,是判别灾害潜力的依据,尤其在那 些灾害频发的敏感区域。 3 关键设施状况。包括井下主要设备如采煤、 掘进、 通风、 运输、 监控和消防等设备的分布和运行 情况。 4 应急救援力量。包括救援基地、 救灾设备、 34 2007年6月 矿业安全与环保 第34卷第3期 救援专家和救护队等重要应急救援机构的数量和空 间分布情况。 5 社会经济因素。主要包括井下人员分布、 井 下生产和救援设备的布置及统计分析,生产成本核 算等模块。不同社会经济条件下发生同种程度的灾 害,其产生的后果和经济损失是不同的。 矿井应急救援作为一个动态运行的过程,其复杂 的灾害生成机制需要强有力的信息分析工具的支持。 地理信息系统GIS是解决这一问题的有力工具。 1. 2 地理信息系统 地理信息系统GIS是以地理空间和动态的地 理信息为地理研究和地理决策服务的信息系统,已 被广泛用于资源管理、 城市规划、 应急救援等各个领 域 [5 - 6] 。GIS的主要特点有 1 强大的图形信息处理功能。从图形学的角度 来看,GIS实质上是一种便于计算机处理和网络传输 的数字化地图或图纸,可以方便地对空间数据进行 输入、 编辑、 显示、 查询、 空间分析和输出打印,也可 以利用三维动态仿真技术对各种要素实现仿真模 拟,构造一个符合实际的模拟空间,展现各种地物之 间复杂的时空关系。 2 空间数据和属性数据的完美结合。GIS不但 包括各种要素分布的空间数据,也包括这些要素的 属性数据,如管道的管径、 材质、 维修记录、 事故的应 急预案等,而且空间数据和属性数据之间是一种密 切的对应关系,空间信息和属性信息形成一个有机 的整体。通过检索空间数据可查询相应属性信息; 通过检索属性数据也可以查询相应的空间信息。避 免了图形与相应的属性数据分离的现象,给企业资 源的全面管理带来了极大的方便。 3 统一的数据库管理系统。一些数据库和应 用系统公司,如Oracle ,Microsoft和SAS等,已扩展了 其产品容纳空间数据管理功能。另一方面,许多GIS 软件也包含空间数据库引擎Spatial Database Engine , SDE 数据模型,借助这一模型可将空间数据加入到 关系数据库管理系统中。这样使得大规模的GIS系 统与空间数据技术一体化成为可能,便于各种系统 的集成和信息共享。 4 独特的空间分析功能。空间分析是GIS最主 要的特色。GIS系统可以利用其空间数据库和属性 数据库,结合高效的算法进行空间分析。如对距离 某一事故地点一定范围内各种空间要素的搜索,并 对相关信息进行统计分析,为事故处理提供所需要 的信息和应急预案等。这种空间分析的功能是其他 信息管理系统无法实现的。 2 矿井灾害应急救援系统的结构与功能 2. 1 系统总体结构 根据系统需求分析和开发目标,矿井灾害应急 救援系统主要包括决策系统模块、 矿井灾害模块、 应急预案模块、 灾害处理模块、 法律法规模块和系统 总控模块,其结构见图1。 图1 系统结构框架图 44 2007年6月 矿业安全与环保 第34卷第3期 1 决策系统模块。它具有维护和管理矿井基 础信息所需的基本功能,主要由相关数据库和地物 属性分布组成。基础信息包括矿井情况数据库、 主 要灾害信息数据库、 安全设备数据库、 井下主要设备 信息数据库以及采掘工作面分布、 井下消防设备分 布和井下电话分布等。主要灾害信息数据库包括水 灾、 火灾和瓦斯等信息数据库。 2 矿井灾害模块。它具有矿井灾害知识库的 功能,囊括了矿井灾害从预测预报到控制处理的一 般方法,主要包括矿井灾害预测方法、 矿井灾害控制 方法、 矿井灾害处理方法,同时还提供了矿井灾害案 例库这一功能,方便查找相关的矿井灾害案例,以期 达到学习借鉴的目的。此模块所有内容均按照水 灾、 火灾、 瓦斯3种矿井常见灾害类型进行分类编 排,便于查找使用。 3 应急预案模块。它是整个矿井灾害应急救 援系统的核心,具有维护和管理整个矿井灾害应急 救援的基本功能,主要包括矿井灾害应急预案、 应急 救援队伍、 救灾设备数据库、 救灾专家数据库以及国 家级矿山救援基地分布等内容。在矿井灾害应急预 案中可以查询到通用的应急救援预案,如国家局制 定的矿山重特大生产安全事故应急预案,也可以查 询到针对本矿井实际的自行制定的应急预案内容。 4 灾害处理模块。为提高应急救援反应速度 和协调水平,以知识库的形式向决策者提供灾害处 理方法、 救灾专家库和救灾设备库等内容,帮助决策 者及时采取适当措施应对突发事件。此模块按照水 灾、 火灾和瓦斯3种灾害类型提供针对矿井特定灾 害的应急处理措施和专家、 设备的查询功能。 5 法律法规模块。以电子文档的形式提供了 矿山生产适用的各项法律法规和部门规章制度,能 够按照目录、 索引和关键字进行查询、 打印,同时预 留了扩展接口,用户可以随实际变化增减法律法规 条文,有效地减少了检索规章制度文件的时间,为领 导者决策提供依据。 6 系统总控模块。此模块以数据库和知识库 为基础构筑系统的运行环境,辅以友好的用户界面 和人机对话过程,有效地实现了矿井采掘工程平面 图的显示、 查询、 编辑功能,以及避灾路线的动态 显示。 矿井灾害应急救援系统能够为矿井突发性事故 和灾害的应急管理提供一个完整的解决方案。该系 统可以实现对矿井基本情况、 主要灾害信息、 危险源 分布及救灾力量等信息的查询、 图形编辑、 属性更 新,确定特定灾害的影响范围,大致预测灾害损失。 在灾害应急响应与快速救援指挥中显示最佳避灾路 线,调度与管理抗灾力量,对应急预案数据库进行决 策支持和数据更新,从而方便生产单位在灾害发生 时及时启动相应的应急预案,辅助领导全面掌握灾 情并进行救灾指挥决策,将灾害损失降到最低限度。 2. 2 数据库的组织与建立 2. 2. 1 建库流程 数据的丰富性、 正确性和实时性直接关系到矿 井灾害救援的效果。本系统数据库是在资料收集和 策划阶段即开始建立,在软件编制过程中不断丰富 其内容。考虑到本系统建成之后结合矿山企业现有 内部办公网络进行应用时数据共享的问题,以及数 据库内表单较多数据丰富、 未来数据库扩充的需要, 为保证数据库系统的安全和提高数据的管理效率, 本系统选用了功能强大的SQL Sever2000作为后台 数据库。先后建立了矿井情况数据库、 主要灾害信 息数据库、 安全设备数据库、 主要设备数据库、 地图 属性数据库以及救灾专家数据库和救灾设备数据 库等。 2. 2. 2 数据的分层组织 GIS数据库存在2类数据属性数据和空间数 据。属性数据表示空间物体与几何位置无关的属 性。空间数据表示物体的位置、 形状以及相互关系 等方面的信息。数据采用分层的方式存放。 2. 2. 3 数据的查询与显示 在矿井灾害应急救援系统中,用于查询和显示 等功能的数据全部存放于数据库中。用户在查询地 图中的某个地物信息时,GIS系统首先将此地物映射 到地物所在图层的空间数据库中,并根据空间数据 库中的有关字段检索与之相关联的属性数据库,获 得此地物的属性信息并以图表的形式将查询结果显 示出来。 当灾害发生时,用户只需在地图上点击灾害发 生区域,在弹出的菜单中选择相应的灾害处理情况, 系统就会根据用户所选择的区域ID值自动判断和 选择相应灾害的处理措施、 救灾专家和救灾设备,并 将结果显示出来。系统与数据库的关系图见图2。 54 2007年6月 矿业安全与环保 第34卷第3期 图2 系统与数据库关系图 3 系统应用 开发本系统的主要目的是依托GIS平台,将矿 山生产工作范围内的电子地图、 属性数据以及统计 数据相结合,构成地理信息系统平台,通过此平台, 实现生产工作范围内井下巷道、 采掘工作面和各种 机械设备数据及其他数据的全面整合,达到数据统 一管理和资源共享。同时在此基础上提供灾害预 测、 控制和应对方案,提高管理工作的科学性、 规范 性,以及灾害处理工作的及时性、 准确性。 本系统建成后在河北东庞矿进行了实地应用, 实现了根据需要绘制、 编辑多条避灾路线;路线可以 放在不同的图层中;可以沿事先设定好的避灾路线 动态模拟人员避灾逃生路径。本系统在开始研制时 就考虑到了后续功能的可扩展性,一次编程,实现多 个功能。目前该系统应用于该矿的调度室、 总工室、 采掘工程、 运输系统、 供电系统、 通风系统、 提升系统 等部门,系统运行良好,并进行了多次模拟救灾推 演,效果理想。 4 结论 通过对地理信息系统和矿井灾害救援技术的研 究,建立了基于GIS技术的矿井灾害应急救援系统, 实现了矿井灾害应急救援技术的可视化,为灾害预 防和处理提供了有力的技术支持。主要研究成 果有 1 根据相关法律、 法规、 技术标准和事故应急 救援要求,建立了矿井灾害应急救援系统软件平台, 并编制了矿井灾害应急预案。 2 利用GIS强大的图形信息处理功能,实现矿 井电子地图的可视化,并将图中地物的空间数据和 属性数据完美结合,从而实现图元的查询和反查询, 为矿井灾害应急救援提供决策依据。 3 将GIS与井下重大危险源及应急救援数据库 连接,实现了井下重大危险源分布在地图上的显示 功能,并能动态模拟各区域相应灾害的避灾路线、 影 响范围及灾害处理措施,引导人员及时逃生,同时指 导救援人员及时开展救援工作。 4 建立了强大的灾害应急救援知识库,为领导 和事故救援人员的决策提供依据。 5 建立了一套相对完整的矿井灾害应急救援 系统软件,软件界面友好、 图文并茂,为矿井的安全 生产、 制定相关的灾害预防和控制措施提供科学的 决策体系,为矿井的应急救援技术提供一条新思路。 参考文献 [1]邢娟娟.重大事故的应急救援预案编制技术[J ].中国安 全科学学报,2004 ,141 57 - 59. 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