基于GIS技术的煤矿安全三维仿真平台开发与实现

基于GIS技术的煤矿安全三维仿真平台开发与实现

乔国厚;高俊杨;杨雪;王菲;张华;仝凤鸣

【摘要】The framework of 3D simulation platform for coal mine safety and different funcG tions of all functional modules were introduced�The key technology for the platform to achieve the coal mine safety was

studied�Meanwhile,the application of this 3D simulation platform for the coal mine safety was described in detail.%详细介绍了煤矿安全三维仿真平台架构和各功能模块实现的功能，研究了实现煤矿安全三维仿真平台的关键技术，最后对煤矿安全三维仿真平台的实现进行了具体描述。

【期刊名称】《中国煤炭》

【年(卷),期】2013(000)010

【总页数】6页(P59-64)

【关键词】GIS技术;三维仿真;煤矿安全;安全培训

【作者】乔国厚;高俊杨;杨雪;王菲;张华;仝凤鸣

【作者单位】中国地质大学武汉，湖北省武汉市，430074;清华大学计算机科学与技术系，北京市海淀区，100083;华北水利水电大学管理与经济学院，河南省郑州市，450011;华北水利水电大学管理与经济学院，河南省郑州市，450011;中国矿业大学北京，北京市海淀区，100083;华北水利水电大学管理与经济学院，河南省郑州市，450011

【正文语种】中文

【中图分类】TD-914

煤矿安全生产是企业和社会共同关注的焦点问题，同时，煤矿安全工程又是一项复杂和系统性较强的系统工程。由于煤矿安全涉及人、机、环境、管理等多项内容，因此，煤矿安全信息涉及的数据量不仅十分巨大，而且与空间位置密切相关，如何对这些活跃的和动态变化的海量信息实现科学、高效、实时地安全信息管理，以及如何利用现代化的信息技术使煤矿安全隐患问题得到根本的解决，从而使得各级煤矿主管部门切实承担起监督管理的职能，成为推进煤矿采掘业现代化进程的重中之重。

GIS技术是综合性的信息管理系统，它将计算机图形技术和数据库技术融于一体。在空间数据的基础上，它的各种属性数据把地理位置和相关属性有机的结合起来，并能依照实际需要，准确、真实、图文并茂地进行数据输出，还可对输出数据进行进一步的空间分析和可视化表达，以满足客户需求。三维仿真是将虚拟技术在现实煤矿运作中的具体应用，它是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。将GIS技术与三维仿真技术结合可以将活跃的、动态变化的、与空间位置密切相关的煤矿生产各类信息综合直观地展现于煤矿安全生产管理者面前，从而对煤矿的安全生产和管理起到巨大的促进作用。因此，研究如何将地理信息系统结合虚拟现实技术应用于煤矿企业的井下各类人员和生产设备的定位、生产状况信息管理及人员应急、逃生等培训和管理来辅助煤矿管理层，用以提高生产效率和保证安全生产十分必要。煤矿安全管理是一项复杂的系统工程，主要由环境、机械、设备、产品、原材料以及相关的人和环境等综合系统为管理对象，最终目的是保护人和生产资料的安全，使煤矿生产能够安全有序地进行。针对煤矿井下三维空间的矿体和复杂的构造，考虑到矿山生产的采煤、掘进、通防、机电、运输五大系统的空间分布以及生产过程中瓦斯、一氧化碳、煤尘、涌水、通风等诸多安全因素信息的集成，使得煤矿急需

建立一个能够为安全管理服务的和专业化的管理信息系统。基于GIS技术的煤矿

安全三维仿真平台主要由人员管理、安全监控、应急救援、生产管理和专家库5

个子系统组成。

1.1.1 人员管理子系统

该子系统能够对井下的工作人员进行实时地管理监控，对人员的数量和位置有着清晰的掌握并对其进行有效地调度，从而实现协调生产，提高生产效率。采用三维仿真技术可以使井下的各种监测数据能够充分发挥效能，不仅能够从电子地图上直观分析井下实际情况，动态地监测井下人员，实时查询不同目标的各种信息，而且在事故发生时能够配合救护专家数据库进行GIS空间数据分析，以最佳有效的方法

寻找井下人员，把人员伤亡限制在最低线。

1.1.2 安全监控子系统

该子系统能够对涉及煤矿安全的各项安全管理业务进行现代化和可视化管理，其主要功能是实现瓦斯和一氧化碳等有害气体、“一通三防”各类数据、通风系统的现状分析、机电设备的运转情况以及危险源管理情况等各种安全隐患信息的快速录入、统计、分析、导出和浏览等操作。

1.1.3 应急救援子系统

该子系统提供发生事故时的处理方法，包括事故现象、危险情况、操作规程以及现场处理等内容。一旦发生险情，可以通过skyline提供的多种功能模块实现对井田区域地形图、工业广场平面图、采掘工程平面图、主要巷道平面图、井上下对照图、井筒断面图和主要保护矿柱图在网上的共享及提供在线空间分析、空间查询与统计分析等功能。通过最佳路径分析功能，可以为矿山的紧急抢险救灾指挥工作提供辅助决策手段，同时，依照救援队伍和设备的分布地图，可以根据事故类型和地点迅速调配队伍和设备，调配最佳线路。

1.1.4 生产管理子系统

该子系统提供矿山地理信息系统数字化管理产生的相关矿图，主要包括安全规划图层、安全指标图层、安全监控图层、生产计划图层、矿山分布图、管线图层以及巷道分布图层，提供监测、分析、规划和决策等功能。

1.1.5 专家库子系统

该子系统主要用以存放相关领域专家提供的经验知识以及一些经典案例分析，包括瓦斯爆炸和火灾等事故现象的案例以及与煤矿安全有关的各项规章制度和法律制度，为煤矿安全管理信息系统提供帮助信息。

1.2.1 煤矿井下GIS功能模块设计

煤矿井下GIS功能模块是集成煤矿安全三维仿真平台中最重要的能够模块之一。

煤矿为了安全生产，需要对井下各个采掘工作面、巷道、生产工作面、设备位置以及人员分布的详细情况做同步了解，并需要根据实时状况对井下的生产进行安全管理。通过煤矿的局域网上显示的电子地图，相关科室和相关人员能通过电脑及时了解井下的生产状况、设备和人员的分布状况。煤矿井下GIS功能模块构架图如图1所示。

（1）场景制作功能。场景制作主要功能是对场景内二维和三维图形进行编辑、制作和管理。二维图形的编辑、制作和管理是指对点、线、面以及各种特征等二维图形的编辑管理，三维模型的构建和管理包括对地质层面、三维地质体、三维巷道和地理信息的构建和管理。

（2）设备分布场景。设备分布场景主要功能是完成各种设备的三维空间的布置与管理，方便设备安全管理。

（3）人员分布场景。人员分布场景主要功能是依据人工派工和工艺流程，完成人员的三维空间的定位与管理，方便对入井人员的管理，并辅助各种人员管理的决策工具，如人员的统计分析。

（4）安全隐患分布场景。安全隐患分布场景主要功能是针对历史隐患和排查隐患