地理信息系統(tǒng)在礦井災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用
摘要：通過研究礦井災(zāi)害救援技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，建立了基于GIS技術(shù)的礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)，以及內(nèi)容豐富的礦井災(zāi)害應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了礦井地圖的可視化管理，動(dòng)態(tài)模擬演示各種事故的避災(zāi)路線，為災(zāi)害預(yù)防和處理提供了有力的技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：礦井災(zāi)害；應(yīng)急救援系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)
20世紀(jì)70年代以來(lái)，建立重特大事故應(yīng)急管理體制和應(yīng)急救援體系受到國(guó)際社會(huì)普遍重視，許多工業(yè)化國(guó)家和國(guó)際組織都制定了一系列重大事故應(yīng)急救援法律、法規(guī)和政策。1993年國(guó)際勞工大會(huì)通過的《預(yù)防重大工業(yè)事故公約》，將應(yīng)急預(yù)案作為重大事故預(yù)防的必要措施，在職業(yè)安全衛(wèi)生管理體系中，應(yīng)急計(jì)劃是關(guān)鍵的要素之一。應(yīng)急救援預(yù)案是應(yīng)急救援體系的重要組成部分。煤礦屬高危行業(yè)，通過建立重特大生產(chǎn)安全事故應(yīng)急救援預(yù)案，可以控制事故發(fā)展并盡可能排除事故，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員和場(chǎng)外人員的安全，將事故對(duì)人員、財(cái)產(chǎn)造成的損失降低到最小程度。
自20世紀(jì)60年代加拿大開發(fā)使用第一個(gè)地理信息系統(tǒng)以來(lái)，該技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應(yīng)用也逐步擴(kuò)展至社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種利用計(jì)算機(jī)對(duì)空間信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的系統(tǒng)，通過對(duì)空間信息及其他各類信息的有效管理，從而使大量抽象、枯燥的數(shù)據(jù)變得生動(dòng)、直觀和易于理解，提高工作效率和管理工作的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。因此，將GIS技術(shù)引人到礦井災(zāi)害應(yīng)急救援管理工作中，將礦井災(zāi)害應(yīng)急救援信息與地理信息有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)基于GIS技術(shù)的礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)和GIS
1.1礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)
礦井災(zāi)害救援制約因素多、情況復(fù)雜多變，與其他行業(yè)的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作相比，具備更強(qiáng)的技術(shù)性、時(shí)效性和更大的危險(xiǎn)性，要求反應(yīng)迅速、判斷準(zhǔn)確、應(yīng)變及時(shí)、措施有力，一旦事故發(fā)生，需要多支救援隊(duì)伍密切配合、集中指揮展開救援工作。因此，為保證礦井安全生產(chǎn)、保障礦山應(yīng)急救援工作的及時(shí)有效，必須建立一套完整的災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)，提高礦井的抗災(zāi)救災(zāi)能力，這也是處理礦井特別重大事故的關(guān)鍵。
建立礦井應(yīng)急救援系統(tǒng)的目的：一是發(fā)生事故后控制危險(xiǎn)源，避免事故擴(kuò)大，在可能的情況下予以消除；二是盡可能減少事故所造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此，礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)不僅要包括危險(xiǎn)源空間布局、礦井環(huán)境狀況、關(guān)鍵設(shè)施狀況、應(yīng)急救援力量等實(shí)體空間，而且還應(yīng)涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的非實(shí)體因素，如人員分布、財(cái)產(chǎn)分布等。
1)潛在災(zāi)害類型及分布。潛在災(zāi)害類型及分布是構(gòu)建礦井災(zāi)害應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。依據(jù)歷史災(zāi)情庫(kù)和現(xiàn)實(shí)的地質(zhì)環(huán)境特征，將該區(qū)域可能發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行辨識(shí)，并將其空間分布導(dǎo)入應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)。
2)礦井環(huán)境狀況。礦井環(huán)境狀況是引發(fā)礦井災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ)，是判別災(zāi)害潛力的依據(jù)，尤其在那些災(zāi)害頻發(fā)的敏感區(qū)域。
3)關(guān)鍵設(shè)施狀況。包括井下主要設(shè)備如采煤、掘進(jìn)、通風(fēng)、運(yùn)輸、監(jiān)控和消防等設(shè)備的分布和運(yùn)行情況。
4)應(yīng)急救援力量。包括救援基地、救災(zāi)設(shè)備、救援專家和救護(hù)隊(duì)等重要應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)的數(shù)量和空間分布情況。
5)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。主要包括井下人員分布、井下生產(chǎn)和救援設(shè)備的布置及統(tǒng)計(jì)分析，生產(chǎn)成本核算等模塊。不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下發(fā)生同種程度的災(zāi)害，其產(chǎn)生的后果和經(jīng)濟(jì)損失是不同的。
礦井應(yīng)急救援作為一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的過程，其復(fù)雜的災(zāi)害生成機(jī)制需要強(qiáng)有力的信息分析工具的支持。地理信息系統(tǒng)(GIS)是解決這一問題的有力工具。
1.2地理信息系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)(GIS)是以地理空間和動(dòng)態(tài)的地理信息為地理研究和地理決策服務(wù)的信息系統(tǒng)，已被廣泛用于資源管理、城市規(guī)劃、應(yīng)急救援等各個(gè)領(lǐng)域。G1S的主要特點(diǎn)有：
1)強(qiáng)大的圖形信息處理功能。從圖形學(xué)的角度來(lái)看，GIS實(shí)質(zhì)上是一種便于計(jì)算機(jī)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字化地圖或圖紙，可以方便地對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、編輯、顯示、查詢、空間分析和輸出打印，也可以利用三維動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)各種要素實(shí)現(xiàn)仿真模擬，構(gòu)造一個(gè)符合實(shí)際的模擬空間，展現(xiàn)各種地物之間復(fù)雜的時(shí)空關(guān)系。
2)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的完美結(jié)臺(tái)。GIS不但包括各種要素分布的空間數(shù)據(jù)，也包括這些要素的屬性數(shù)據(jù)，如管道的管徑、材質(zhì)、維修記錄、事故的應(yīng)急預(yù)案等，而且空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間是一種密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間信息和屬性信息形成一個(gè)有機(jī)的整體。通過檢索空間數(shù)據(jù)可查詢相應(yīng)屬性信息；通過檢索屬性數(shù)據(jù)也可以查詢相應(yīng)的空間信息。避免了圖形與相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)分離的現(xiàn)象，給企業(yè)資源的全面管理帶來(lái)了極大的方便。
3)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。一些數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用系統(tǒng)公司，如Oracle，Microsoft和SAS等，已擴(kuò)展了其產(chǎn)品容納空間數(shù)據(jù)管理功能。另一方面，許多GIS軟件也包含空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎(SpatialDatabaseEngineSDE)數(shù)據(jù)模型，借助這一模型可將空間數(shù)據(jù)加入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中。這樣使得大規(guī)模的GIS系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)技術(shù)一體化成為可能，便于各種系統(tǒng)的集成和信息共享。
4)獨(dú)特的空間分析功能。空間分析是GIS最主要的特色。GIS系統(tǒng)可以利用其空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合高效的算法進(jìn)行空間分析。如對(duì)距離某一事故地點(diǎn)一定范圍內(nèi)各種空間要素的搜索，并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為事故處理提供所需要的信息和應(yīng)急預(yù)案等。這種空間分析的功能是其他信息管理系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
2礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能
2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)系統(tǒng)需求分析和開發(fā)目標(biāo)，礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)主要包括：決策系統(tǒng)模塊、礦井災(zāi)害模塊、應(yīng)急預(yù)案模塊、災(zāi)害處理模塊、法律法規(guī)模塊和系統(tǒng)總控模塊，其結(jié)構(gòu)見圖1。
1)決策系統(tǒng)模塊。它具有維護(hù)和管理礦井基礎(chǔ)信息所需的基本功能，主要由相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和地物屬性分布組成。基礎(chǔ)信息包括礦井情況數(shù)據(jù)庫(kù)、主要災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)、安全設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、井下主要設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)以及采掘工作面分布、井下消防設(shè)備分布和井下電話分布等。主要災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括水災(zāi)、火災(zāi)和瓦斯等信息數(shù)據(jù)庫(kù)。
2)礦井災(zāi)害模塊。它具有礦井災(zāi)害知識(shí)庫(kù)的功能，囊括了礦井災(zāi)害從預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)到控制處理的一般方法，主要包括礦井災(zāi)害預(yù)測(cè)方法、礦井災(zāi)害控制方法、礦井災(zāi)害處理方法。同時(shí)還提供了礦升災(zāi)害案例庫(kù)這一功能，方便查找相關(guān)的礦井災(zāi)害案例，以期達(dá)到學(xué)習(xí)借鑒的目的。此模塊所有內(nèi)容均按照水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯3種礦井常見災(zāi)害類型進(jìn)行分類編排，便于查找使用。
3)應(yīng)急預(yù)案模塊。它是整個(gè)礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)的核心，具有維護(hù)和管理整個(gè)礦井災(zāi)害應(yīng)急救援的基本功能，主要包括礦井災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急救援隊(duì)伍、救災(zāi)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、救災(zāi)專家數(shù)據(jù)庫(kù)以及國(guó)家級(jí)礦山救援基地分布等內(nèi)容。在礦井災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案中可以查詢到通用的應(yīng)急救援預(yù)案，如國(guó)家局制定的礦山重特大生產(chǎn)安全事故應(yīng)急預(yù)案，也可以查詢到針對(duì)本礦井實(shí)際的自行制定的應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容。
4)災(zāi)害處理模塊。為提高應(yīng)急救援反應(yīng)速度和協(xié)調(diào)水平，以知識(shí)庫(kù)的形式向決策者提供災(zāi)害處理方法、救災(zāi)專家?guī)旌途葹?zāi)設(shè)備庫(kù)等內(nèi)容，幫助決策者及時(shí)采取適當(dāng)措施應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。此模塊按照水災(zāi)、火災(zāi)和瓦斯3種災(zāi)害類型提供針對(duì)礦井特定災(zāi)害的應(yīng)急處理措施和專家、設(shè)備的查詢功能。
5)法律法規(guī)模塊。以電子文檔的形式提供了礦山生產(chǎn)適用的各項(xiàng)法律法規(guī)和部門規(guī)章制度，能夠按照目錄、索引和關(guān)鍵字進(jìn)行查詢、打印，同時(shí)預(yù)留了擴(kuò)展接口，用戶可以隨實(shí)際變化增減法律法規(guī)條文，有效地減少了檢索規(guī)章制度文件的時(shí)間，為領(lǐng)導(dǎo)者決策提供依據(jù)。
6)系統(tǒng)總控模塊。此模塊以數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)構(gòu)筑系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，輔以友好的用戶界面和人機(jī)對(duì)話過程，有效地實(shí)現(xiàn)了礦井采掘工程平面圖的顯示、查詢、編輯功能，以及避災(zāi)路線的動(dòng)態(tài)顯示。
礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)能夠?yàn)榈V井突發(fā)性事故和災(zāi)害的應(yīng)急管理提供一個(gè)完整的解決方案。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井基本情況、主要災(zāi)害信息、危險(xiǎn)源分布及救災(zāi)力量等信息的查詢、圖形編輯、屬性更新，確定特定災(zāi)害的影響范圍，大致預(yù)測(cè)災(zāi)害損失。在災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)與快速救援指揮中顯示最佳避災(zāi)路線，調(diào)度與管理抗災(zāi)力量，對(duì)應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行決策支持和數(shù)據(jù)更新，從而方便生產(chǎn)單位在災(zāi)害發(fā)生時(shí)及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，輔助領(lǐng)導(dǎo)全面掌握災(zāi)情并進(jìn)行救災(zāi)指揮決策，將災(zāi)害損失降到最低限度。
2.2數(shù)據(jù)庫(kù)的組織與建立
2.2.1建庫(kù)流程
數(shù)據(jù)的豐富性、正確性和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到礦井災(zāi)害救援的效果。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是在資料收集和策劃階段即開始建立，在軟件編制過程中不斷豐富其內(nèi)容。考慮到本系統(tǒng)建成之后結(jié)合礦山企業(yè)現(xiàn)有內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)數(shù)據(jù)共享的問題，以及數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)表單較多數(shù)據(jù)豐富、未來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)充的需要，為保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的安全和提高數(shù)據(jù)的管理效率，本系統(tǒng)選用了功能強(qiáng)大的SQLSever2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。先后建立了礦井情況數(shù)據(jù)庫(kù)、主要災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)、安全設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、主要設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖屬性數(shù)據(jù)庫(kù)以及救災(zāi)專家數(shù)據(jù)庫(kù)和救災(zāi)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)等。
2.2.2數(shù)據(jù)的分層組織
GIS數(shù)據(jù)庫(kù)存在2類數(shù)據(jù)：屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)表示空間物體與幾何位置無(wú)關(guān)的屬性。空間數(shù)據(jù)表示物體的位置、形狀以及相互關(guān)系等方面的信息。數(shù)據(jù)采用分層的方式存放。
2.2.3數(shù)據(jù)的查詢與顯示
在礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)中，用于查詢和顯示等功能的數(shù)據(jù)全部存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶在查詢地圖中的某個(gè)地物信息時(shí)，GIS系統(tǒng)首先將此地物映射到地物所在圖層的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，并根據(jù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的有關(guān)字段檢索與之相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得此地物的屬性信息并以圖表的形式將查詢結(jié)果顯示出來(lái)。
當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，用戶只需在地圖上點(diǎn)擊災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，在彈出的菜單中選擇相應(yīng)的災(zāi)害處理情況，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)用戶所選擇的區(qū)域ID值自動(dòng)判斷和選擇相應(yīng)災(zāi)害的處理措施、救災(zāi)專家和救災(zāi)設(shè)備，并將結(jié)果顯示出來(lái)。系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系圖見圖2。
3系統(tǒng)應(yīng)用
開發(fā)本系統(tǒng)的主要目的是依托GIS平臺(tái)，將礦山生產(chǎn)工作范圍內(nèi)的電子地圖、屬性數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)成地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，通過此平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工作范圍內(nèi)井下巷道、采掘工作面和各種機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)的全面整合，達(dá)到數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和資源共享。同時(shí)在此基礎(chǔ)上提供災(zāi)害預(yù)測(cè)、控制和應(yīng)對(duì)方案，提高管理工作的科學(xué)性、規(guī)范性，以及災(zāi)害處理工作的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。
本系統(tǒng)建成后在河北東龐礦進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)需要繪制、編輯多條避災(zāi)路線；路線可以放在不同的圖層中；可以沿事先設(shè)定好的避災(zāi)路線動(dòng)態(tài)模擬人員避災(zāi)逃生路徑。本系統(tǒng)在開始研制時(shí)就考慮到了后續(xù)功能的可擴(kuò)展性，一次編程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能。目前該系統(tǒng)應(yīng)用于該礦的調(diào)度室、總工室、采掘工程、運(yùn)輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)等部門，系統(tǒng)運(yùn)行良好，并進(jìn)行了多次模擬救災(zāi)推演，效果理想。
4結(jié)論
通過對(duì)地理信息系統(tǒng)和礦井災(zāi)害救援技術(shù)的研究，建立了基于GIS技術(shù)的礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井災(zāi)害應(yīng)急救援技術(shù)的可視化，為災(zāi)害預(yù)防和處理提供了有力的技術(shù)支持。主要研究成果有：
1)根據(jù)相關(guān)法律、法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和事故應(yīng)急救援要求，建立了礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)軟件平臺(tái)，并編制了礦井災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。
2)利用GIS強(qiáng)大的圖形信息處理功能，實(shí)現(xiàn)礦井電子地圖的可視化，并將圖中地物的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)完美結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)圖元的查詢和反查詢，為礦井災(zāi)害應(yīng)急救援提供決策依據(jù)。
3)將GIS與井下重大危險(xiǎn)源及應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)了井下重大危險(xiǎn)源分布在地圖上的顯示功能，并能動(dòng)態(tài)模擬各區(qū)域相應(yīng)災(zāi)害的避災(zāi)路線、影響范圍及災(zāi)害處理措施，引導(dǎo)人員及時(shí)逃生，同時(shí)指導(dǎo)救援人員及時(shí)開展救援工作。
4)建立了強(qiáng)大的災(zāi)害應(yīng)急救援知識(shí)庫(kù)，為領(lǐng)導(dǎo)和事故救援人員的決策提供依據(jù)。
5)建立了一套相對(duì)完整的礦井災(zāi)害應(yīng)急救援系統(tǒng)軟件，軟件界面友好、圖文并茂，為礦井的安全生產(chǎn)、制定相關(guān)的災(zāi)害預(yù)防和控制措施提供科學(xué)的決策體系，為礦井的應(yīng)急救援技術(shù)提供一條新思路。