王東京，李建軍，賈東秀，孫春賢

(1.山東省邱集煤礦有限公司，山東省德州市，253000；2.山東精誠(chéng)電子科技有限公司，山東省濟(jì)南市，250031)

0 引言

應(yīng)急救援是一項(xiàng)需要統(tǒng)一指揮、多方配合的工作，能夠在第一時(shí)間讓指揮部及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)組織各方力量、制定科學(xué)的救援方案有著重要意義。煤礦井下作業(yè)場(chǎng)所分布較為分散，且空間上距離較遠(yuǎn)。井工煤礦煤與瓦斯突出以及粉塵、頂板、防治水等諸多不利因素，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境條件復(fù)雜，可能會(huì)發(fā)生水、火、瓦斯、機(jī)械和電氣設(shè)備、運(yùn)輸提升和頂板等事故，客觀上對(duì)應(yīng)急救援工作提出了較高要求。

在傳統(tǒng)的煤礦應(yīng)急指揮中，總指揮部對(duì)煤礦災(zāi)害事故情況的了解只能通過(guò)電話系統(tǒng)進(jìn)行井上下的信息傳輸、人工登錄監(jiān)控系統(tǒng)選擇合適監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行查看或人工登錄到井下定位系統(tǒng)中查詢(xún)，工作傳遞效率相對(duì)較低，監(jiān)控系統(tǒng)、井下定位系統(tǒng)及井下廣播系統(tǒng)無(wú)法在應(yīng)急指揮過(guò)程中發(fā)揮出最大的作用。在調(diào)度指揮決策時(shí)，相關(guān)人員需要在多種不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間反復(fù)切換調(diào)取相關(guān)資料，無(wú)法快速?gòu)倪@些海量的數(shù)據(jù)信息中抽取最需要的數(shù)據(jù)。因此，有必要利用三維GIS技術(shù)、物聯(lián)感知技術(shù)、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算等技術(shù)，將感知數(shù)據(jù)融合起來(lái)，通過(guò)構(gòu)建礦井應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)，對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行融合展示和輔助指揮決策，提高突發(fā)事件專(zhuān)業(yè)信息匯集、應(yīng)急決策和指揮調(diào)度能力[1-2]。

1 應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)思路[3-5]，集成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及感知層數(shù)據(jù)，運(yùn)用新一代信息技術(shù)建設(shè)業(yè)務(wù)中臺(tái)和數(shù)據(jù)中臺(tái)，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚與技術(shù)支撐。建設(shè)應(yīng)急可視化指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急管理的全業(yè)務(wù)流程管理。應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)總體架構(gòu)

1.1 感知層

該層接入現(xiàn)有生產(chǎn)子系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包含采、掘、機(jī)電、主煤流運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、通風(fēng)、壓風(fēng)、排水、供電等各類(lèi)生產(chǎn)子系統(tǒng)的設(shè)備工況數(shù)據(jù)。同時(shí)接入視頻監(jiān)控、人員精確定位、礦壓監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)等各類(lèi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、應(yīng)急廣播、通訊聯(lián)絡(luò)等。

1.2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)層

通過(guò)工業(yè)接口并遵循工業(yè)協(xié)議，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)層對(duì)煤礦現(xiàn)有傳感器、執(zhí)行器、可編程控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)底座支撐。主要采用以下4種方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

(1)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。隨著國(guó)家相關(guān)感知規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善，如安全監(jiān)測(cè)、人員定位、水文監(jiān)測(cè)、束管監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)，均可以按國(guó)標(biāo)要求對(duì)外生成數(shù)據(jù)交換文件。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需適應(yīng)多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以對(duì)交互文件數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和數(shù)據(jù)同步。

(2)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場(chǎng)采、掘、通、提、運(yùn)的各類(lèi)重大設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)方式是由傳感器、執(zhí)行器通過(guò)Modbus、Profibus等工業(yè)協(xié)議，連接到可編程執(zhí)行控制器(PLC)或單片機(jī)。PLC或單片機(jī)再通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳至上位機(jī)服務(wù)器。平臺(tái)數(shù)據(jù)采集需適應(yīng)多種情況，可直接連接PLC或從自動(dòng)化系統(tǒng)上位機(jī)服務(wù)發(fā)布的OPC服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。平臺(tái)形成了針對(duì)西門(mén)子、歐姆龍、AB等主流PLC的接入套件，可以完成大部分PLC按照工業(yè)協(xié)議的接入和通訊，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)系統(tǒng)的基于OPC/OPCUA等方案的互聯(lián)互通。

(3)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。對(duì)于礦方已經(jīng)建設(shè)完成的各類(lèi)管理系統(tǒng)，平臺(tái)可以通過(guò)系統(tǒng)API定時(shí)數(shù)據(jù)同步或數(shù)據(jù)庫(kù)抽取的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取。

(4)AI視頻分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)消息隊(duì)列的方式，集成AI視頻分析的報(bào)警信息，通過(guò)與自動(dòng)化、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)，減少了AI視頻分析的誤報(bào)頻次，細(xì)化報(bào)警信息。

1.3 中臺(tái)層

(1)技術(shù)中臺(tái)。以統(tǒng)一技術(shù)平臺(tái)架構(gòu)為底座，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案為路徑，封裝主流的如流處理平臺(tái)(Kafka)、遠(yuǎn)程字典服務(wù)(Redis)、微服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Zuul)、負(fù)載均衡服務(wù)(Nginx)、分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)(ZooKeeper)等開(kāi)源中間件解決方案，形成通用的IT技術(shù)中臺(tái)，基于開(kāi)源中間件構(gòu)建穩(wěn)定的iPaaS能力，可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)庫(kù)、消息隊(duì)列、緩存、流程、大數(shù)據(jù)組件等常見(jiàn)企業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，提供簡(jiǎn)單的REST訪問(wèn)接口，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的快速構(gòu)建，集中管理中間件的快速安裝、配置與運(yùn)行監(jiān)控動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、日志收集和監(jiān)控檢查。

(2)數(shù)據(jù)中臺(tái)。為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)中臺(tái)支撐能力，同時(shí)打通如Spark、Hive、HBase等多個(gè)計(jì)算存儲(chǔ)引擎，對(duì)外提供統(tǒng)一REST/WebSocket/JDBC接口，提交執(zhí)行SQL、Pyspark、HiveQL、Scala等腳本的計(jì)算中間件統(tǒng)一作業(yè)執(zhí)行服務(wù)，對(duì)外提供分布式的REST/WebSocket服務(wù)，用于接收用戶(hù)提交的各種腳本請(qǐng)求，并支持Spark、Flink等多種計(jì)算引擎。

1.4 核心服務(wù)層

結(jié)合煤礦應(yīng)急救援的各類(lèi)場(chǎng)景，以領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)(Domain Driven Design，DDD)架構(gòu)思想設(shè)計(jì)各類(lèi)子系統(tǒng)接口服務(wù)，通過(guò)各系統(tǒng)的集成、數(shù)據(jù)的匯聚，打破信息孤島。構(gòu)建應(yīng)急相關(guān)的微服務(wù)組件，封裝開(kāi)發(fā)了井巷工程拓?fù)涔芾怼⑺魍負(fù)浞治?、風(fēng)流拓?fù)浞治觥⒚毫魍負(fù)浞治?、最短路徑分析、空間范圍搜索、漫延分析、人員精確位置解析等標(biāo)準(zhǔn)化微服務(wù)組件，通過(guò)API網(wǎng)關(guān)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)上層應(yīng)用提供服務(wù)。

1.5 應(yīng)用服務(wù)層

利用統(tǒng)一技術(shù)框架，構(gòu)建基于微服務(wù)的應(yīng)用App，包括支撐平臺(tái)數(shù)據(jù)采集與展示、應(yīng)急預(yù)案電子化、應(yīng)急物資管理、應(yīng)急專(zhuān)家管理、救援力量管理、可視化應(yīng)急指揮、應(yīng)急輔助決策、指揮過(guò)程記錄等應(yīng)用服務(wù)。

2 應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)主要功能模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案、專(zhuān)項(xiàng)預(yù)案等電子檔案化管理，便于啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序后快速調(diào)用響應(yīng)應(yīng)急事件的各項(xiàng)預(yù)案。將企業(yè)現(xiàn)有應(yīng)急物資、應(yīng)急專(zhuān)家、應(yīng)急裝備進(jìn)行信息化管理，在啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序后，根據(jù)事故類(lèi)型快速調(diào)用應(yīng)急物資、應(yīng)急裝備、應(yīng)急專(zhuān)家等信息。應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)主界面如圖2所示。

圖2 應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)主界面

2.1 災(zāi)害數(shù)據(jù)的全面感知模塊

該模塊基于統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將礦井各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的采集和集中存儲(chǔ)。通過(guò)圖形化界面，可以實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)的融合分析。利用各系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)，構(gòu)建針對(duì)特定場(chǎng)景的報(bào)警監(jiān)測(cè)規(guī)則，改變現(xiàn)有系統(tǒng)單一超閾值報(bào)警的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)多參量實(shí)時(shí)計(jì)算，并可根據(jù)辨識(shí)結(jié)果對(duì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量描述。此外，根據(jù)專(zhuān)業(yè)分工和嚴(yán)重程度，實(shí)現(xiàn)多級(jí)精準(zhǔn)推送。

2.2 專(zhuān)項(xiàng)預(yù)案電子化模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案、專(zhuān)項(xiàng)預(yù)案等電子檔案化管理，便于啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序后快速調(diào)用響應(yīng)應(yīng)急事件的各項(xiàng)預(yù)案。根據(jù)專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案規(guī)定的嚴(yán)重等級(jí)判定依據(jù)、組織架構(gòu)及職責(zé)、應(yīng)急響應(yīng)流程等要素，對(duì)專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行電子化。

2.3 應(yīng)急資源集中管理模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急物資、應(yīng)急裝備、應(yīng)急專(zhuān)家等信息管理。將企業(yè)現(xiàn)有應(yīng)急物資、應(yīng)急專(zhuān)家、應(yīng)急裝備進(jìn)行信息化管理，有助于在啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序后，根據(jù)事故類(lèi)型對(duì)應(yīng)急物資、應(yīng)急裝備、應(yīng)急專(zhuān)家進(jìn)行預(yù)先關(guān)聯(lián)。一旦進(jìn)入應(yīng)急響應(yīng)環(huán)節(jié)，可以根據(jù)災(zāi)害類(lèi)型進(jìn)行快速選擇匹配。

2.4 應(yīng)急可視化指揮模塊

該模塊依托三維GIS一張圖，根據(jù)不同事件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)群呼、組呼、短信通知，并根據(jù)事故地點(diǎn)自動(dòng)調(diào)用人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，同時(shí)直觀展示事件區(qū)域當(dāng)前人員信息、周?chē)卸居泻怏w濃度、視頻監(jiān)控信息等，根據(jù)事故類(lèi)型自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急物資、應(yīng)急專(zhuān)家、硬件裝備、避災(zāi)路線等，此外根據(jù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入的應(yīng)急預(yù)案發(fā)起消息推送及自動(dòng)通知相關(guān)人員。

(1)接警。根據(jù)傳感器超閾值自動(dòng)報(bào)警或井下現(xiàn)場(chǎng)人員反饋情況，可以從GIS上選擇事故發(fā)生區(qū)域，激活平臺(tái)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。

(2)啟動(dòng)預(yù)案。根據(jù)電子化的應(yīng)急預(yù)案，按照災(zāi)害類(lèi)型提供響應(yīng)等級(jí)判定依據(jù)。調(diào)度人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋情況結(jié)合判定依據(jù)，決定啟動(dòng)響應(yīng)等級(jí)。

(3)支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)默認(rèn)啟動(dòng)人員定位、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)面板。根據(jù)災(zāi)害類(lèi)型，啟動(dòng)相應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)面板，方便理解礦井整體情況。如水災(zāi)，啟動(dòng)排水、水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)看板。用戶(hù)可根據(jù)自己的需求和關(guān)注點(diǎn)，自行啟動(dòng)相應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)看板。

(4)圖紙調(diào)閱。為方便調(diào)閱圖紙，系統(tǒng)按生產(chǎn)系統(tǒng)類(lèi)別分類(lèi)管理各種圖紙?？梢酝ㄟ^(guò)選擇快速打開(kāi)圖紙，方便指揮人員查找資料。

(5)呼叫。系統(tǒng)集成調(diào)度電話、應(yīng)急廣播、智能單兵的呼叫功能。應(yīng)急廣播提供通過(guò)列表選擇、GIS地圖選擇等方式，形成廣播終端列表，輸入廣播內(nèi)容進(jìn)行批量廣播。

(6)智能單兵聯(lián)動(dòng)。通過(guò)對(duì)登錄App用戶(hù)的人員軌跡分析，入井后有特殊的單兵標(biāo)志圖標(biāo)，通過(guò)GIS地圖可以快速定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能單兵信息推送。

2.5 輔助決策模塊

該模塊利用圖計(jì)算技術(shù)，根據(jù)災(zāi)害特征進(jìn)行災(zāi)害仿真模擬分析。在礦井水方面，研發(fā)礦井水淹模型算法，實(shí)現(xiàn)由突水點(diǎn)、淹沒(méi)水位或水量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得井下被淹沒(méi)的巷道信息，模擬礦井淹沒(méi)的變化過(guò)程。根據(jù)估算時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)按小時(shí)形成礦井淹沒(méi)分析結(jié)果，不僅可以按時(shí)間軸查看不同時(shí)間段內(nèi)礦井的淹沒(méi)巷道，而且基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析影響的人員和設(shè)備，方便礦井救援時(shí)的輔助決策支持[6]。在礦井火災(zāi)方面，根據(jù)礦井火災(zāi)特性及煙流蔓延規(guī)律、巷道自身的因素、火源位置和通風(fēng)等情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)發(fā)生后的煙霧漫延模擬，并對(duì)影響范圍內(nèi)的通過(guò)安全性進(jìn)行評(píng)估。

當(dāng)?shù)V井突發(fā)事故時(shí)，礦井避災(zāi)路線受災(zāi)變影響范圍、災(zāi)變擴(kuò)散情況、有毒有害氣體及巷道特性等影響，可能會(huì)遇到避災(zāi)路線被災(zāi)變或次生災(zāi)變所阻斷的情況，使原處于安全狀態(tài)的區(qū)域變?yōu)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域。從災(zāi)害發(fā)生區(qū)到安全區(qū)的多條路線中，該模塊能夠自動(dòng)推薦避災(zāi)路線，并進(jìn)行輔助決策。

3 應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集高可用架構(gòu)

通過(guò)數(shù)據(jù)交換文件、OPC Server、數(shù)據(jù)庫(kù)、PLC、OPC等多種方式從人員定位、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、重大設(shè)備中抽取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。以通風(fēng)機(jī)為例，可對(duì)風(fēng)機(jī)的開(kāi)停狀態(tài)和風(fēng)量、溫度、電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)煤礦企業(yè)關(guān)注的主要參數(shù)設(shè)置了報(bào)警閾值，當(dāng)實(shí)際數(shù)值超過(guò)閾值，平臺(tái)自動(dòng)報(bào)警，并將報(bào)警記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口、信息采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中管理，建立礦井多源異構(gòu)信息數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。平臺(tái)采用分布式日志采集組件Flume對(duì)各數(shù)據(jù)源進(jìn)行實(shí)時(shí)偵聽(tīng)，將數(shù)據(jù)推送至消息隊(duì)列Kafka進(jìn)行緩存。從Kafka對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、前端數(shù)據(jù)推送自動(dòng)刷新界面和實(shí)時(shí)計(jì)算引擎3個(gè)方向。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)提供圖形化界面，可以幫助用戶(hù)快速、簡(jiǎn)單地通過(guò)配置方式，完成現(xiàn)有系統(tǒng)的接入。實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的歸一化和邊緣集成，利用協(xié)議轉(zhuǎn)化，開(kāi)展平臺(tái)邊緣側(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲(chǔ)以及智能分析，提供邊緣設(shè)備實(shí)時(shí)異常檢測(cè)、實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境分析等應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多工業(yè)通信協(xié)議兼容及數(shù)據(jù)間互通。

3.2 基于三維GIS的井巷工程數(shù)字模型

煤礦井下存在較多井巷工程，同一水平巷道存在“T”形交叉、“Y”形交叉、“十字”形交叉、“X”形交叉、錯(cuò)位交叉等常規(guī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因巷道功能不同，不同水平的井巷工程從空間上存在立體分離式交叉、立體交叉等復(fù)雜的空間關(guān)系。相比地面路網(wǎng)，其拓?fù)潢P(guān)系更加復(fù)雜，空間屬性更強(qiáng)。此外，井巷工程會(huì)隨著開(kāi)拓、打密閉阻斷等生產(chǎn)過(guò)程不斷改變現(xiàn)有拓?fù)潢P(guān)系，因此構(gòu)造井巷工程拓?fù)潢P(guān)系的基本數(shù)據(jù)，需要采用煤礦常用的導(dǎo)向點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為構(gòu)建GIS空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于收集、易于維護(hù)、能夠映射客觀世界。三維GIS平臺(tái)基于WebGL技術(shù)開(kāi)發(fā)，客戶(hù)端基于BS架構(gòu)，不安裝任何插件，根據(jù)井下工程三維導(dǎo)向點(diǎn)坐標(biāo)，GIS平臺(tái)可動(dòng)態(tài)生成巷道模型并進(jìn)行三維渲染，同時(shí)自動(dòng)構(gòu)建拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，用于支撐最短路徑等空間分析功能。隨著生產(chǎn)過(guò)程的不斷變化，井下空間發(fā)生變化，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況更新導(dǎo)向點(diǎn)坐標(biāo)，動(dòng)態(tài)重新生成井下巷道模型，重新自動(dòng)計(jì)算拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[7-9]。

此外，通過(guò)三維GIS可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、限入?yún)^(qū)域等多種類(lèi)型管理區(qū)域的自定義標(biāo)注，提供煤礦常用設(shè)備的三維模型，用戶(hù)可通過(guò)拖拽等方式實(shí)現(xiàn)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等興趣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注和更改位置，對(duì)于場(chǎng)景中的主要對(duì)象，不僅可以集成傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將傳感器導(dǎo)入三維場(chǎng)景中，還能夠采集安全監(jiān)測(cè)傳感器和人員定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[10]。基于三維GIS的井巷工程數(shù)字模型如圖3所示。

3.3 基于圖計(jì)算的集成分析

圖計(jì)算里的圖不是指圖像，而是指一種抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由頂點(diǎn)和邊構(gòu)成。通過(guò)對(duì)圖進(jìn)行個(gè)體分析、關(guān)系挖掘和復(fù)雜計(jì)算，實(shí)現(xiàn)知識(shí)推理、事件溯源及預(yù)判。圖計(jì)算提供了從“關(guān)系”的角度去分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，能夠更好地描摹世界真實(shí)存在的形態(tài)。使用圖計(jì)算技術(shù)與知識(shí)圖譜相結(jié)合，不僅能夠更加有效地對(duì)煤礦領(lǐng)域知識(shí)之間的聯(lián)系進(jìn)行分析，構(gòu)建人員、設(shè)備、操作、環(huán)境等信息之間的內(nèi)在聯(lián)系，而且能夠采用三元組的方式描述井下設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)、管理要求、操作狀態(tài)等信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[11]。

平臺(tái)針對(duì)項(xiàng)目范圍內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，采用領(lǐng)域涉及思想規(guī)劃了業(yè)務(wù)實(shí)體，按照實(shí)體、關(guān)系及屬性抽取3個(gè)方面進(jìn)行分析，根據(jù)煤礦經(jīng)驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)致水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯、煤塵爆炸、頂板冒頂、供電、運(yùn)輸事故以及災(zāi)害天氣事故的致災(zāi)因素進(jìn)行綜合分析，分專(zhuān)題建立實(shí)體之間的關(guān)系，將煤礦領(lǐng)域本體內(nèi)容映射建立圖數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)本體數(shù)據(jù)到圖數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與煤礦領(lǐng)域知識(shí)的存儲(chǔ)。

利用圖計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行存儲(chǔ)、分析計(jì)算。本方案采用的Neo4j 是一個(gè)典型的、高性能 NOSQL 圖數(shù)據(jù)庫(kù)，用Java 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)方式不同于一般數(shù)據(jù)庫(kù)的表格存儲(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。與其他非關(guān)系型數(shù)據(jù)相比，Neo4j 支持 ACID 事務(wù)，支持海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有成熟數(shù)據(jù)庫(kù)的所有特性，能夠很好地解決煤礦領(lǐng)域數(shù)據(jù)價(jià)值密度低、數(shù)量大、更新速度快等問(wèn)題。Cypher 是專(zhuān)門(mén)為圖像數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的語(yǔ)言，淺顯易懂，具有豐富的表現(xiàn)力，能高效地查詢(xún)和更新圖數(shù)據(jù)。

根據(jù)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)利用圖計(jì)算引擎，實(shí)時(shí)計(jì)算災(zāi)害發(fā)生的可能性。利用三維GIS技術(shù)，以井巷工程三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員位置、傳感器、觀測(cè)點(diǎn)等坐標(biāo)的精確位置拾取。如涌水量觀測(cè)點(diǎn)水流量異常后，可根據(jù)各采區(qū)涌水量觀測(cè)點(diǎn)流量、各采區(qū)水泵房排水量，綜合分析突水地點(diǎn)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的空間屬性、邊數(shù)據(jù)的貫通屬性，判斷水流漫延的影響范圍。利用圖計(jì)算技術(shù)，查找指定節(jié)點(diǎn)的風(fēng)流、水流、煤流、傳感器、攝像頭、人員實(shí)時(shí)位置的空間關(guān)系，并進(jìn)行融合分析[12-13]。

4 應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)的應(yīng)用

2022年11月，山東省邱集煤礦有限公司開(kāi)始進(jìn)行平臺(tái)建設(shè)，并于2023年3月進(jìn)行了試運(yùn)行，運(yùn)行以來(lái)取得了較好的應(yīng)用效果。

(1)基于統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將礦井各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的采集和集中存儲(chǔ)。通過(guò)圖形化界面，可以實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)的融合分析。利用各系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)，構(gòu)建針對(duì)特定場(chǎng)景的報(bào)警監(jiān)測(cè)規(guī)則，改變現(xiàn)有系統(tǒng)單一超閾值報(bào)警的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)多參量實(shí)時(shí)計(jì)算，并可根據(jù)辨識(shí)結(jié)果對(duì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量描述。通過(guò)平臺(tái)共設(shè)置規(guī)則379條，從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面，對(duì)各類(lèi)環(huán)境超閾值、重大設(shè)備工況異常、人員超員等問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)設(shè)置一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)預(yù)警，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的級(jí)別分級(jí)推送送到App上，目前平臺(tái)已推送報(bào)警信息6萬(wàn)多條。

(2)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案、專(zhuān)項(xiàng)預(yù)案等電子檔案化管理，便于啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序后快速調(diào)用響應(yīng)應(yīng)急事件的各項(xiàng)預(yù)案。通過(guò)對(duì)山東省邱集煤礦有限公司2023年各類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案的分析，對(duì)各類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)預(yù)案涉及到的組織機(jī)構(gòu)及職責(zé)、應(yīng)急響應(yīng)流程進(jìn)行設(shè)置，形成針對(duì)水災(zāi)事故、火災(zāi)事故、瓦斯事故、煤塵爆炸事故、頂板冒頂事故、供電事故、運(yùn)輸事故、災(zāi)害天氣事故等10多類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急模型數(shù)據(jù)。

(3)自平臺(tái)運(yùn)行以來(lái)，通過(guò)不斷優(yōu)化，目前平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、容錯(cuò)率高，服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)10余次的應(yīng)急演練，并多次進(jìn)行功能優(yōu)化，調(diào)度員通過(guò)平臺(tái)能夠快速完成應(yīng)急響應(yīng)的相關(guān)操作，大大縮短了應(yīng)急預(yù)案從接警到啟動(dòng)的準(zhǔn)備時(shí)間。此外，根據(jù)關(guān)注區(qū)域，平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)整合現(xiàn)場(chǎng)視頻、傳感器、設(shè)備數(shù)據(jù)，為應(yīng)急指揮提供了可視化工具，并可利用災(zāi)害模擬算法評(píng)估火災(zāi)、瓦斯、突水等影響范圍，為應(yīng)急指揮提供了強(qiáng)有力的輔助決策支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)急可視化指揮平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了礦山應(yīng)急 救援預(yù)期規(guī)劃的主要內(nèi)容和應(yīng)用目標(biāo)。該平臺(tái)利用導(dǎo)向點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建模方法，解決井巷工程數(shù)字化表達(dá)交叉巷道復(fù)雜連通等問(wèn)題，利用圖計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了井巷工程空間關(guān)系的動(dòng)態(tài)計(jì)算。后期模型可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，具有較好的適應(yīng)性。此外，該平臺(tái)利用井巷工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建了針對(duì)水災(zāi)、火災(zāi)特征的圖計(jì)算邊數(shù)據(jù)，極大地簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)各類(lèi)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，可為應(yīng)急救援指揮人員進(jìn)行輔助決策。