地理信息系统在矿井灾害应急救援中的应用

　　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

　　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。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。因此，将GIS技术引人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。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、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。G1S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台。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(SpatialDatabaseEngineSDE)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。

 

　　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。同时还提供了矿升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SQLSever2000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。

 

　　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。