煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统研制

许怀亮，李崇山，马 勇，李 敏，户桂民

(1.山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266590；2.山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272000)

矿井瓦斯灾害是煤矿井下采掘生产中的主要自然灾害之一，对矿井瓦斯进行预防与监控是煤矿安全生产工作的重中之重。近年来，随着自动化技术、计算机网络技术及通讯技术的快速发展，我国大多数煤矿都装备了矿井瓦斯监测监控系统，煤矿瓦斯防治工作取得了新的进展，为矿井安全生产做出了突出贡献。但勿容置疑的是，一方面，随着矿井煤炭产能的逐年扩大与采深的增加，矿井瓦斯防治工作所面临的形势依然严峻；另一方面，由于矿井安全监测监控系统中各种传感器的安设位置相对固定且数量有限，采掘生产中重大瓦斯隐患的人工检测与识别的关键作用仍然是监测系统所无法取代的，即瓦检员瓦斯作业跟踪检测的作用一直是极为重要的。通过深入分析矿井重大瓦斯事故的发生原因与相关因素，不难发现，瓦斯检测监控与管理方面存在的漏洞是导致矿井瓦斯事故频发的重要原因。采掘生产中瓦斯检测人员心存侥幸心理，不按规定检测与操作的情况时有发生，甚至出现漏检漏测情况。另外，人工瓦斯检测数据不能及时传输到管理系统，管理人员不能实时掌握现场数据，造成瓦斯隐患信息扑捉滞后，则给煤矿日常安全生产工作带来极大隐患。

本文提出的“煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统”，就是针对这些实际问题而开发的智能监控管理预警软件。该系统综合运用地理信息系统(GIS)数据可视化、信息地图化技术，以Visual Basic 6.0语言为开发平台，能够实现地面和煤矿井下瓦斯检测工作的动态互动管理，并能进行宏观决策与分析。在系统开发与设计过程中，我们采用了先进的瓦斯检测与防治工作理念，以改善瓦斯防治管理手段为切入点，力争整体提升矿井瓦斯检测与治理的技术管理水平。

1 GIS技术功能与应用

地理信息系统(GIS)是一种基于数据库管理系统(DBMS)的空间对象分析与管理信息平台，其基本构件主要由计算机硬件、软件和相关的方法过程组成。GIS独特的图形数据与空间位置相结合，并以图形图像形式直观、精确地显示结果，为矿井瓦斯检测预警系统可视化表达提供了强有力的技术手段。

GIS系统的主要功能有：①独特的数据采集与编辑功能。GIS不仅具有数据采数据采集、管理、处理和分析功能，而且具有很强的图形图像处理多种信息的表达能力。②GIS可以更好地实现空间数据与属性数据的无缝链接[1]。GIS包括各种要素分布的空间数据和这些要素的属性数据，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。③功能强大的数字化制图系统。GIS的核心是一个地理数据库，建立GIS时先将图形数据和它的属性数据输出到数据库中并编制用户所需的矢量或栅格地图。用户可以方便地对空间数据进行编辑、处理、分析和输出，也可对地理空间过程演化进行模拟和预测。④GIS的空间分析功能。GIS系统可利用其空间数据库和属性数据库，通过空间查询与空间分析进行空间定位和程序动态分析。GIS系统的组成结构如图1所示。

图1 GIS系统的组成结构

GIS技术为地理信息可视化表达提供了强有力的技术手段，利用GIS的空间数据和属性数据集成技术可以对瓦斯检测作业信息进行可视化处理。目前，GIS的动态检测信息可视化能力已被广泛应用于矿产资源管理、环境管理和模拟、灾害预测、数字地图可视化和应急救援等各个领域[2]。

2 瓦斯跟踪巡检预警系统结构及功能模块设计

2.1 瓦斯跟踪巡检预警系统总体结构设计

煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统的总体结构，主要由地面监测监控中心、数据信息传输平台和井下无线信号及数据采集设备三部分组成，系统采用总线式组网方式，其总体结构布局如图2所示。

图2 瓦斯跟踪巡检预警系统布局图

由图2可知，瓦斯检测人员在检测点测完相关数据后，通过在各个读卡分站设置的智能终端输入检测数据，经过CAN总线传输到地面监控主机；同时，监控分站会把瓦斯检测人员所处的井下位置动态显示在监控界面中。主机经过数据筛选与处理后，再把每个人员的位置信息和时间信息分割成独立数组，之后对数组进行判别、处理、分析和发出预警提示，同时把这些特征信息写入数据库。利用GIS图形数据与空间位置合成分析技术，系统的绘图控件从数据库中读出这些特征信息后，根据时间先后顺序、瓦斯检测人员编号和读卡分站号在对应区域动态显示检测人员的实时路线轨迹。地面监控中心站将数据信息传输到局域网，使远程用户也能在线查看井下各种监测信息，实现煤矿井下瓦斯检测作业管理的全息动态监控[3]。

2.2 瓦斯跟踪巡检预警系统各部分功能模块设计

煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统设计的目的，是利用网络(Intranet/Internet)技术、信息通讯技术针对煤矿生产过程中瓦斯检测人员的安全技术措施执行检测作业实时监控跟踪，出现异常情况智能预警提示，实现生产矿井的“本质安全”的智能管理应用系统。系统主要部分功能模块如图3所示。

图3 瓦斯跟踪巡检预警系统功能结构

煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统的主要功能包括：

1)瓦斯作业实时动态监控：对井下瓦斯检测人员分别用不同颜色的编号，在井下巷道分布图上实时动态显示他们的位置、所在采掘工作面、移动作业轨迹记录以及井下瓦斯检测人员的动态分布情况和数量等信息，可对任一瓦检员当前安全工作动态监控[4]。这是系统的核心组成部分。

2)瓦斯检测信息查询：通过查询瓦检员在特定地点的到离时间、工作时间，实现对这类工作人员的实际工作情况进行监督。系统支持多种查询方式，如所在区域查询、时间查询、未到达区域查询等方式。可搜索任何一个或多个人员当前的实际位置，指定时间所处的位置、情况，实现目标快速定位，并显示其相关详细信息，可视化的图形界面及操作性强。

3)瓦斯检测数据统计分析：采用基于GIS的矢量图技术，按照不同时间段、检测区域等对瓦斯检测的原始数据和加工数据进行统计分析，自动生成瓦斯信息柱形图、折线图或比例图等图表形式。系统包括数据统计和数据分析两个功能，数据统计按照数理统计的方法对原始数据进行科学地分类汇总；数据分析对数据进行加工处理，并生成图形、表格形式，得出决策信息为管理者进行决策提供科学依据。

4)智能跟踪巡检预警功能：利用现有局域网，将综合预警数据库服务器、预警数据管理系统和系统连接[5]，可实时动态反映瓦斯检测人员的作业轨迹、地点，如发现瓦检员、安检员在井下某一地点工作超时，系统自动报警并显示相关检测人员详细信息。实时监控并记录系统工作状态及系统通讯设备的工作状况，对系统工作异常报警。

3 基于GIS的瓦斯跟踪巡检预警系统开发方案

目前，GIS的开发方式有三种，分别为独立开发、单纯二次开发和集成二次开发。其中，集成二次开发又包括两种方法，一是OLE和DDE；二是组件式GIS[6]。

本系统开发采用的是中地数码有限公司研制的MapGIS——搭建式GIS数据中心集成技术作为开发平台，支持VC++、VB，Delphi、ActiveX控件等集成开发环境，在Visual Basic 6.0语言开发环境下，进行系统的开发与设计，建立了煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统，实现了与可视化程序设计语言的无缝集成。运用MapGIS组件式二次开发组件和其他VB对象的方法和属性完成GIS基本功能，根据开发应用系统的规模大小，可以有目的地选择GIS组件和控件，有效地控制系统成本及风险。

操作系统采用Windows 2003或Windows XP，在Visual Basic 6.0开发环境下,以SQL Server 2008为后台数据库，系统采用ActiveX数据对象(ADO)[7]访问数据库，实现了对瓦斯检测数据的输入、查询和输出等功能。运用GIS强大的属性数据和空间数据空间分析功能，实现对瓦斯检测数据的变形曲线分析，并生成图形或表格的形式，进而发出预警提示。最后，系统采用VB 6.0对地面监测监控中心的系统操作界面进行设计，Visaul Basic提供了丰富的可视化编程工具，它将程序和数据封装起来视为一个对象[8]，实现系统对作业全息动态可视化、智能跟踪巡检预警和网络化管理。

4 瓦斯跟踪巡检预警系统开发流程

MapGIS包含了MapCAD的所有功能，数据中心支持ArcGIS、AutoCAD、SDO的中间件，并可实现图库的无缝管理，高效的空间数据库管理(支持运用TCP/IP协议的LAN和WAN环境的访问)，具有完备的空间分析工具、实用的网络分析功能，支持多源图像分析与处理(支持VC++、VB、Delphi、ActiveX等集成开发环境)。

系统的数据库管理分为瓦斯检测数据库管理、地图库管理和属性库管理三个子系统，MapGIS通过视图控件MapXView来显示地图数据，并且可以通过使用编辑控件MxEditControl来对地图进行编辑或者进行空间分析、网络分析等操作。数据管理可以通过数据库服务器来进行，而数据的编辑处理通过地图文档来进行操作，数据管理和数据处理都可以通过工作空间控件统一管理。系统开发流程如图4所示,在系统中心数据库管理系统的基础上，进行数据输入和处理结构化数据，连接到制图信息的软件，通过软件管理系统可实现检测数据图形或表格的生成[9]。

图4 瓦斯跟踪巡检预警系统开发流程

5 预警系统运行情况简介

煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统运行后，通过井下监控设备能够及时、准确的将瓦斯检测数据及瓦检员的活动轨迹反映到地面监测监控中心。在地面监测监控中心站网站与手机短信息平台，系统可自动不断更新实时检测数据报表页面；各级领导及有关管理人员通过局域网或短信，即可及时方便的浏览各工作面的瓦检员工作状况和瓦斯检测数据在动态图形上的显示情况。

通过点击“GIS瓦斯作业跟踪平台”按钮，在左侧菜单出现瓦检员巡检动态跟踪、瓦检员当前位置查询、检测人员井下分布、瓦斯检测数据统计、瓦斯检测数据分析和检测人员作业回放等功能按钮，管理人员可通过系统上的井下巷道电子地图实时掌握井下瓦斯状况。动态井下巷道电子地形图，采用GIS矢量图技术，画面可放大、缩小、平移，便于管理人员查看。

系统具有灵活、全面的报表系统，进行实时曲线、历史曲线的显示、查询和报表打印功能。还可以同时显示六条实时曲线，使用户可以进行对比分析。

6 结论

以GIS、计算机网络等为核心技术，设计了煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统。该系统以VB 6.0和MapGIS为开发环境，实现了对煤矿井下瓦斯检测人员作业轨迹的可视化监控，并能智能预警提示，提高了矿井瓦斯监测监控管理水平。本文的主要研究成果有：

1)实现了瓦斯检测作业轨迹与信息化管理之间的无缝衔接。将GIS图像信息处理技术引入到煤矿安全信息化管理工作中，并与监控系统相结合，实现了煤矿井下瓦斯检测人员作业过程可视化。地面监测中心管理人员可以通过传输系统提供的各种数据信息，及时了解瓦斯检测数据，瓦检员工作动态，促进了瓦斯检测工作的科学化、网络化。

2)建立了瓦斯检测信息数据库子系统，通过MapGIS平台与Visual Basic 6.0开发环境提供的方法和属性，编制了相对完整的煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统软件。系统可以动态管理与显示井下巷道电子地图及重大危险源分布在地图上的实时动态，瓦斯检测信息数据库通过运用GIS技术的人机交互方式，并能以报告、表格、图表或地图形式显示，以便为管理人员提供决策支持。

3)所建立的煤矿瓦斯检测作业过程巡检预警系统，将预先控制、实时控制、反馈控制等控制类型有机的结合在一起，将预警管理系统看作是一个控制过程，真正实现了矿井安全生产中的动态巡检与智能预警功能。

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