基于GIS的煤矿灾害应急救援系统的应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第25卷 第3期 2008年09月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 贵州省科技厅科技基金项目黔科合J字20062109 作者简介李希建19672 , 男,湖南省张家界市人,副教授,博士,从事矿山灾害方面的研究. E2mail mec. xjli gzu. Tel 13511907268 文章编号16732336320080320327205 基于GIS的煤矿灾害应急救援系统的应用 李希建1 ,2,林柏泉1 1. 中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 221116 ; 2.贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550003 摘要为了减少煤矿事故的发生和及时有效的展开应急救援,利用对煤矿开采情况的全面了解, 通过对地理信息系统 GIS和煤矿灾害应急救援技术的研究,以GIS与VB 6. 0为开发平台,采 用管理信息系统原理和GIS软件建立了可视化的煤矿灾害应急救援系统.研究开发表明,该系 统拥有内容丰富的数据库和技术库,能将煤矿井下的危险源、 工作面、 避灾路线、 灾害影响区域、 通讯与救灾设备分布等与矿井救灾密切相关的信息都在地图上动态显示,并能实现远程互动救 援.实际应用表明,该系统能够为煤矿灾害的预防和处理提供强有力的技术支持,有利于提高煤 矿企业的抗灾救灾能力和应急救援能力. 关键词 GIS;煤矿灾害;应急救援;信息系统 中图分类号 TD 77 文献标识码 A Application of Coal Mine Disaster Emergency Rescue System Based on GIS LI Xi2jian1 ,2, LIN Bai2quan1 1. School of Safety Engineering , China University of Mining 2. School of Mining , Guizhou University , Guiyang , Guizhou 550003 , China Abstract In order to reduce occurrence of coal mine accidents and to start the timely and effec2 tive emergency rescue operations , a visual coal mine disaster emergency rescue management in2 ation system was established by adopting management ination system principle and Geographic Ination System GIS software with GIS and VB 6. 0 as development plat , which is based on our comprehensive understanding on coal mining , and researches on GIS and coal mine disaster emergency rescue technologies. Research and development shows that the system has a rich variety of databases and technologies. Ination related to mine disaster re2 lief such as coal mine hazards , working faces , evading disaster routes , disaster2affecting re2 gions , and distributions of relief and communication equipment can be dynamically displayed on the map , and a long2range interactive rescue has been achieved. The practical applications of the system show that it can provide strong technical supports for mine disaster prevention and rescue operations and improve coal mine enterprise’s disaster response and emergency rescue capabilities. Key words GIS; mine disaster ; emergency rescue ; ination system 煤炭资源在我国很丰富,是我国的主要能源, 但由于开采条件艰苦和复杂,导致在开采过程中常 常伴随着瓦斯灾害、 水灾、 火灾和粉尘灾害等危险. 据国家安全生产监督管理总局统计,2006年全国 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采矿与安全工程学报第25卷 煤矿发生事故2 945起,死亡4 746人,而美国煤矿 事故一年发生的仅仅只有几十起.美国不但使用设 备和管理手段先进,而且更加重视救援系统工作, 使事故降到最低.目前大部分煤矿的作业环境比较 复杂且多变和安全管理失控等,导致发生瓦斯煤 尘爆炸、 水灾、 机械和电气设备、 运输提升和顶板 等事故的可能性较大.根据上述情况,在日前于河 南理工大学举行的2007年采矿科学与安全技术国 际学术会议上,专家们一致认为,建立矿山开采应 急平台及创新体系十分紧迫,应急平台建设是完善 国家应急预案的重要工具和基本保证.由此可见, 建立煤矿开采灾害应急救援系统具有很重要的现 实意义.地理信息系统 GIS是一种利用计算机对 空间信息进行存储、 分析、 处理和显示的综合信息 系统,通过对空间信息及其它各类信息的有效管 理,从而使大量复杂、 抽象和烦味的数据变成简单 明了、 生动和容易理解,这有利于提高煤矿开采工 作效率,也利于煤矿管理更加科学和准确. MapX 是一种基于Windows操作系统的标准控件,可以 支持绝大多数标准的可视化开发系统,如Visual C , Visual Basic ,Delphi , PowerBuilder , Visual Studio. NET和C等.应急救援预案作为应急救 援体系的重要组成部分,针对煤矿开采的安全生产 和灾害应急救援管理工作对GIS的需求,分析综 合应用MapInfo ,Visual Basic6. 0 , Photoshop8. 0 以及MapX和Flash等软件作为开发手段,也利用 最新计算机技术、 安全系统工程的研究方法、 管理 信息系统原理、GIS理论和数据库技术等作为设计 手段,并设计开发集工业以太网与多媒体技术和工 业电视集一体的煤矿灾害可视化应急救援管理信 息系统[527]. 1 煤矿灾害应急救援系统对GIS的需求 煤矿开采灾害救援制约因数相当多,而且情况 复杂多变,与其它行业的抢险救灾工作相比较,则 具有更强的技术性、 时效性和更大的危险性,要求 反映迅速、 判断更为准确、 应变及时、 措施有力,一 旦煤矿事故发生,需要多支救援队伍密切配合、 集 中指挥展开救援工作[5].为了保证煤矿安全开采, 保障煤矿应急救援工作的及时有效,所以煤矿企业 必须建立一套完整的灾害应急救援系统.煤矿灾害 应急救援系统的建立有利于提高煤矿企业抗灾救 灾的能力和增强煤矿特重大事故的处理.建立煤矿 灾害应急救援系统的目的在于一旦发生煤矿事故 后首先我们要能及时控制危险源,以防止事故的 进一步扩大,在可能的情况下给予消除;其次要尽 可能的减少煤矿事故造成的人员和财产损失,以及 降低事故对煤炭企业和社会的不良影响.煤矿灾害 应急救援系统应该考虑煤矿灾害危险源的空间分 布、 实际煤矿环境状况、 关键设施布置和使用情况、 煤矿及相邻煤矿的应急救援力量、 当地煤矿安全部 门、 救援专家及救援队伍情况、 远程救援专家及救 援队伍情况等,还应该考虑和谐社会的煤矿建设领 域主要是在经济、 安全文化和法制领域等 [6] .系 统最重要的是考虑在信息技术的条件下对全国或 全省的煤矿开采灾害救援队伍在抢险抗灾中实现 救灾技术的共享. GIS是计算机科学、 地理科学、 测绘学、 遥感 学、 环境科学、 空间科学、 信息科学和管理科学等学 科为一体的新兴边缘学科. GIS通过运用计算机科 学技术,对各种与地理位置有关的信息进行采集、 存储、 查询检索、 分析评价、 规划布置、 预测预报、 动 态模拟、 决策支持和显示,将地理信息各单元属性 数据与空间位置直观地联系起来,为地理信息可视 化表达提供了强有力的技术手段,已经广泛用于资 源管理、 城市规划、 数字地图和应急救援等领域. GIS的具有4个特征① 是GIS具有采集、 管理、 分 析和输出多种地理信息的能力,且具有空间性和动 态性;②GIS由计算机系统进行空间地理数据管 理,并由计算机程序模拟常规的专业性地理分析方 法,是空间数据产生有用的信息;③计算机系统的 支持是GIS的重要特点,所以GIS能快速、 准确、 整合到复杂的地理系统中,进行空间定位和程序动 态分析;④具有强大的图形信息处理能力,也具有 空间数据、 属性数据和时态数据的完美结合,还具 有数据库管理系统的能力和独特的空间功能. 煤矿灾害应急救援系统的需求及开发实现都 需要GIS技术提供技术支持,并结合VR技术和 Web GIS等技术来实现系统的可视化和网络化. 2 煤矿灾害应急救援系统的功能结构分析 2. 1 系统结构 通过对救援系统的研究分析得出影响因数,从 而根据煤矿灾害应急救援系统需求和开发目标进 行分析,此系统包括6大功能模块.系统采用客户 服务器结构,GIS应用程序在客户机上运行,把数 据存放在服务器上,客户机与服务器通过网络以 TCP/ IP协议连接通信.采用模块化设计,以简单、 易用、 实用、 可靠和方便的原则,采用在技术上比较 成熟的C/ S结构,有利于以后系统改造和升级. 823 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期李希建等基于GIS的煤矿灾害应急救援系统的应用 2. 2 系统主要功能 本系统具体功能模块包括煤矿数据管理、 灾 害预测管理、 应急预案管理、 灾害救援处理与管理、 远程救援管理和决策与管理模块.设计时候考虑以 管理员身份登陆和普通用户登陆的两种方式以管 理员身份登陆的用户可以实现系统的全部功能,还 可以进行系统资料的修改,以及系统的管理与维 护;以普通用户身份登陆的用户只可以查阅该系统 中的内容,不能对系统资料进行修改和系统的维 护.系统功能结构见图1. 图1 系统功能结构 Fig. 1 The function and structure of system 2. 2. 1 煤矿数据管理 本模块是整个应急救援管理信息系统的基础, 因为它是系统信息来源基础,所以此模块需要强大 的相关数据库和地物属性包括地理信息和属性信 息来构成.煤矿数据模块包括数据输入与修改、 矿 井现状数据库、 灾害资料数据库、 安全装备数据库、 主要设备数据库以及自救器分布数据库、 井下消防 设备分布信息、 井下通讯设备分布、 井下人员定位 系统和井下避灾线路及定位等.还可以进行这些数 据的查询与及时修改进行更新. 2. 2. 2 灾害预测管理 本模块是整个系统对主要灾害结合本矿实际 情况进行动态模拟预测,这样为本矿做应急预案起 提供更有力的说服力,所以说此模块是应急救援预 案的决策依据,也是应急救援管理系统的重要组成 环节.灾害预测模块包括灾害预测方法以及动态模 拟计算、 瓦斯灾害预测、 顶板预测、 水害预测、 火灾 预测和危险源动态预测等.瓦斯灾害预测包括瓦斯 粉尘爆炸事故和突出事故. 2. 2. 3 应急预案管理 本模块是整个煤矿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,也是具体实施救援时的决策依据.应急预案管 理主要内容包括煤矿矿井灾害应急预案、 灾害应急 救援队、 救灾专家数据库、 救灾设备数据库和相邻 煤矿救援力量数据库等.为了提高应急救援反应速 度和协调能力,以技术库的形式及时提供救灾专家 数据库和救灾设备数据库等内容.在应急预案模块 中可以查询到通用的矿井应急救援预案,如国家安 全生产监督管理总局制定的矿山重特大生产安全 事故应急预案,也可以查询到本矿煤矿根据实际自 行制定的应急预案[7].可以利用应急预案能够起到 全面地指导应急救援工作,可以有效地降低因人为 指挥疏漏而带来的重大损失. 2. 2. 4 灾害救援处理与管理 本模块是整个系统的最重要组成部分,灾害控 制手段与处理方法是本模块的核心,它是以技术库 的形式向决策者提供矿井灾害的常用处理方法、 来 帮助决策者及时采取适当的救灾措施应对突发事 件.灾害处理与管理主要内容包括灾害控制手段与 处理方法、 瓦斯煤尘爆炸事故处理、 水灾事故处 理、 火灾事故处理、 顶板事故处理和机械事故处理 多种灾害分类提供.当发生这些当中某一事故时, 决策者只需要在这里面查询相应的事故处理,同时 配合相关专家和救灾设备,进行及时有效的灾害应 急处理措施的制定. 923 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采矿与安全工程学报第25卷 2. 2. 5 远程系统管理 本模块是本系统的一个重要补充救援力量.它 是为了弥补本矿及本省的救援队伍和救援专家的 不足,使之及时有效的采用更为合理的救援措施, 使之实施应急救援达到最佳效果.远程系统管理主 要包括国家救灾专家、 本省煤矿救援队伍和基地分 布、 外省煤矿救援基地分布和外省或国家救灾队伍 分布.以本地事故详细情况向远程救援队伍和专家 进行汇报后,经过他们和本地救援队伍及专家进行 商讨,最后给予最好的救援措施实施方案和及时给 予援救.这样有利于加强救援力量、 提供最佳救援 方案、 更快给予补充救援队伍、 达到最好的救援效 果和降低灾害事故的损失. 2. 2. 6 控制与管理 本模块是整个系统的控制中心,它能限制登陆 用户的使用权限,能够实现经济评估和提供安全法 律法规,以及提供修改内容和系统维护等功能.控 制与管理包括经济损失评估、 文件和图层处理、 信 息检索、 安全规程与法律、 安全管理、 系统登陆与管 理和系统维护等.拥有强大的数据库和技术库作为 支撑.一方面可以实现煤矿矿井采掘工作面分布、 井下瓦斯监测系统分布、 井下通讯设备分布、 井下 自救设备分布、 井下人员定位分布、 井下消防设备 分布情况以及矿井重大危险源的分布的显示,同时 能够进行快速查询和编辑;另一方面也能够实现避 灾路线和灾害相关影响区域的动态显示,是实现及 时有效的指挥避灾的关键所在. 3 系统开发 3. 1 系统开发模式 组件式地理信息系统 GIS在可视化开发环 境如VB ,将GIS控件嵌入用户应用程序中,实 现一般GIS功能,在同一环境下利用开发语言实 现专业应用功能.该模式可缩短程序开发周期,程 序易于移植、 便于维护,是目前GIS开发的主流. 组件式GIS的是把GIS的各大功能模块划分为几 个控件,每个控件完成不同的功能.各个GIS控件 之间,以及GIS控件与其它非GIS控件之间,都可 以很方便地通过可视化的软件开发工具集成起来. 由于SuperMap全组件式GIS软件具有以上功能 和优点,所以本系统选择采用组件式GIS的开发 模式. 3. 2 系统开发采用的技术路线 煤矿灾害应急救援系统开发选用的是Super2 Map GIS 5. 0 ,桌面产品为SuperMap Deskpro5. 0. SuperMap Deskpro 5. 0是一款专业桌面GIS软 件,提供了地图编辑、 属性数据管理、 分析与辅助决 策相关业务以及输出地图、 打印报表、 三维建模等 方面的功能.它可以很容易的实现与CAD所制作 的图形进行数据交换.以SQL Sever2005作为后 台数据库进行处理,选用VC 6. 0可是化开发 环境,并用photshop8. 0与AtoCAD2004相结合, 在SuperMap Deskpro 5. 0进行本系统实际开发. 由于本系统采用客户服务器结构,GIS应用程序在 客户机上运行,把数据存放在服务器上,客户机与 服务器通过网络以TCP/ IP协议连接通信,这样有 利于节约开发成本和资源共享,以及保证数据的同 步与一致,是实现远程救援的基础.开发技术路线 如图2所示. 图2 开发技术路线 Fig. 2 The route of development technology 4 系统应用 煤矿灾害应急救援系统主要目的是利用地理 信息系统软件SuperMap ,将某一煤矿生产工作范 围内的电子地图和属性数据以及统计数据相结合, 构成地理信息系统平台,通过某煤矿内部办公网络 实现数据共享,实现数据统一管理和资源共享.该 系统根据需要绘制、 编辑多条避灾路线;路线放在 不同的图层中,沿事先设定好的避灾路线动态模拟 人员避灾逃生路径,并能显示自救器布置情况.本 系统在一开始研制时就考虑到了后续功能的可扩 展性,一次编程,实现多种功能.该系统可以用于煤 矿的调度室、 总工室和通风科等相关的部门应用, 还可以用于本矿平时对灾害发生可能性进行实际 演练与模拟,并展开自救,用于检验系统的可靠性 和与实际效果的差距,总结模拟的经验为以后提供 更加全面的资料进行补充和完善,使该系统更能实 用于本矿.本系统由于采用模块化设计,我们在用 于煤矿时候只需要把该矿的资料调入相应的数据 库就行,并且过程比较简单,但是需要进行调试,具 有良好的兼容性和扩张性.本系统有着良好的市场 033 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期李希建等基于GIS的煤矿灾害应急救援系统的应用 前景,目前我们还在进一步完善该系统,将来用于 贵州大部分煤矿,为它们提供技术支持,提供有效 的应急救援.比如要进入某煤矿危险源种类事故选 取,如瓦斯事故进入窗口,如图3所示. 图3 危险源种类选取窗口 Fig. 3 Selected the window of hazard installations sort 4. 1 井下通讯设备分布查询应用 要查询某煤矿的井下通讯设备分布情况,只需 要打开系统软件,在软件主界面的显示窗口下点击 通讯设备分布,就可以在图上看到动态的通讯设备 分布点,能让决策者更醒目,利用了解通讯分布情 况,对制定应急预案起到决策依据,如图4所示. 图4 井下通讯设备分布动态图 Fig. 4 The dynamic distribution of underground communication equipment 4. 2 井下避灾线路及定位查询应用 查询煤矿的井下的避灾线路及定位,只需要打 开本系统软件,在软件主界面的显示窗口下点击井 下避灾线路及定位,就可以在图上看到动态的井下 避灾线路及定位的具体显示,如图5所示. 图5 井下避灾线路及定位动态图 Fig. 5 The dynamic map of underground evading disaster routes and positioning 静态和动态是时时交换显示,一旦受灾人员进 入避灾线路的时候还可以跟踪定位.这样更能够让 救援指挥人员制定受困人员及时进入避灾害线路, 同时可以时时跟踪到他们的避灾时候的具体状况, 这意味着对救援提供更有利的宝贵时间和生命,在 应急预案中是最为重要的决策依据. 5 结 论 1 利用GIS的图形信息处理能力,实现了煤 矿矿井电子地图的可视化,并将图中地物的空间数 据和属性数据进行有效的结合,为煤矿矿井灾害应 急救援提供了决策依据. 2 通过对瓦斯煤尘、 水灾、 火灾和顶板事故 等矿井灾害的发生规律和应急救援技术的研究,建 立了顶板事故信息数据库、 矿井水灾信息数据库、 火灾信息数据库、 瓦斯信息数据库以及救灾和人员 逃生数据库等. 3 建立了强大的灾害应急救援技术数据库. 包括灾害预测、 控制、 处理方法库、 事故案例库、 法 律法规库、 矿山救灾队伍、 救援专家、 救灾设备知识 库和远程专家数据库等,为救援领导和事故救援人 员的决策提供科学的依据. 4 实现远程救助的功能,包括远程专家和远 程救援队分布,使我们的救援专家和救援队伍实现 共享,这样有利于更能利用现有资源和救援力量实 施最佳救援效果. 5 通过Visual Basic 6. 0调用SuperMap Ob2 jects5. 0开发平台提供的组件,运用SuperMap Objects对象和其他VB对象的方法和属性完成将 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 援人员及时展开救援工作,这为减少和预防煤矿灾 害事故提供有力的科学依据,并能进行有效的救 援. 6 实现了一套相对比较完整的煤矿矿井灾害 应急救援系统软件,研制出具有动态管理与显示, 显示效果比较明显,并且显示出比较全面的相关信 息,为制定相关的灾害预防和控制措施提供科学的 决策依据. 7 实现了如果某一个煤矿需要建立自己的煤 矿灾害应急救援系统,只需要把这个煤矿的实际资 料进行整理和分类并调入相关的数据库,并进行相 关的优化就能实现这个煤矿的下转第336页 133 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采矿与安全工程学报第25卷 定,从而为合理组织生产,有效防止自然发火提供 了依据. 4 根据三带分布情况提出了现场防灭火技术 工艺,有效地防治了采空区遗煤自燃,保证了工作 面的安全回采. 参考文献 [1] 杨宏民,牛广柯,李化金.采空区自燃 “三带” 划分指 标的探讨[J ].煤矿安全,1998 ,295 26228. YANG Hong2min , NIU Guang2ke , LI Hua2jin. Re2 serch on standard of three2zone distribution in goaf [J ]. Safety in Coal Mines , 1998 ,295 26228. [2] 蒋曙光,张人伟.综放采场流场数学模型及数值计算 [J ].煤炭学报,1998 ,233 2582261. J IANG Shu2guang , ZHANG Ren2wei. Mathematical model and numerical calculation of air flow field in sub2level caving workings [J ]. Journal of China Coal Society , 1998 ,233 258261. [3] 蒋曙光,张人伟,陈开岩.监测温度和气体确定采空 区自燃 “三带” 的研究[J ].中国矿业大学学报,1998 , 271 56259. J IANG Shu2guang , ZHANG Ren2wei , CHEN Kai2 yan. Determination of spontaneous combustion three2 zone by measuring gas consistency and temperature in goaf [J ]. Journal of China University of Mining Technology , 1998 ,271 56259. [4] 王 亮,张人伟,裴晓东,等.综放工作面采空区自燃 “三带” 的试验研究[J ].煤矿现代化,2005 ,145 212 24. WANGLiang , ZHANG Ren2wei , PEI Xiao2dong , et al. 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