基于GIS技术的煤矿瓦斯事故应急救援管理系统应用研究修订.doc
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1、基于通篇要注意表达的流畅、还有标点符号的全角问题。不能出现半角逗号和句号。GIS技术的煤矿瓦斯事故应急救援管理系统应用研究论文题目:基于GIS技术的煤矿瓦斯事故应急救援管理系统应用研究专 业:安全技术及工程硕 士 生:许永刚 (签名) 指导教师:田水承 (签名) 摘 要煤炭企业是我国国民经济和社会发展的基础,一直以来其在我国一次能源生产和消费结构中始终占据70%左右。近几年,煤矿重特大事故频繁发生,其中瓦斯事故尤为突出,在瓦斯事故发生后,往往由于缺乏必需的应急救援管理系统或救援管理系统不完善、不畅通而延误了最佳救援时机,导致瓦斯事故范围扩大,伤害程度加重,给企业带来了深重灾难。因此需要制定发生
2、瓦斯事故时,应该采取的紧急措施和应急方法,将瓦斯事故对人员、财产和环境造成的损失降低至最小程度。建立瓦斯事故应急救援管理系统是煤矿有效控制瓦斯事故的有效手段。本文将地理信息系统((Geogaphic Information System,简称:GIS)运用于煤矿瓦斯事故应急救援管理工作中,结合煤矿生产实际情况,介绍了基于GIS技术的煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的设计方法及其GIS技术中快速响应技术。论文结合我国煤矿企业的生产现状和安全形式,从实际应用的层面,分析了煤矿重大危险源数据采集,安全预警等危险源监控技术及井下的空间和属性信息。通过对GIS软件的对比分析,最终选取了美国MapInfo公司
3、的组件式地理信息软件MapX,应用通用开发语言Visual Basic,采用了Microsoft SQL Server关系型数据库实现了系统的集成,详细介绍了基于GIS技术的煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的设计过程,阐述了GIS中图形快速显示的几种策略和基于R树的空间索引框架,通过控制读入内存的图形数据量和减少绘制图形本身的数据量相结合的策略,实现了图形的快速、动态显示。论文还对最短路径算法进行了研究及优化,缩短了系统对事故的响应时间,提高了系统的实用价值。关 键 词:GIS;应急救援;空间索引框架;最短路径;研究类型:应用研究目 录摘 要1ABSTRACT21 绪论11.1 问题的提出及研究意
4、义11.1.1 煤矿安全现状11.1.2 建立煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的意义21.2 国内外研究现状31.2.1国外煤炭行业信息化研究现状31.2.2国内煤炭行业信息化研究现状41.3 研究目的及内容61.3.1 研究的目的意义61.3.2 研究的内容61.4 技术实施路线72 应急救援管理系统的构建分析82.1 煤矿瓦斯灾害概述82.1.1 瓦斯灾害类型82.1.2 瓦斯灾害预防措施92.2 重大事故的应急救援102.2.1 重大事故应急救援的基本任务102.3 监控预警与信息管理系统技术分析122.3.1监控预警系统122.3.2信息管理系统152.4 应急救援系统平台的系统架构192
5、.5 基于GIS技术的应急救援管理系统202.6本章小结223 基于GIS的煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的总体设计233.1系统设计的目标及原则233.2生产监控系统的结构设计253.3系统的功能及数据库设计263.3.1系统的功能划分263.3.2系统的数据结构分析和数据库设计273.4系统安全性设计293.4.1权限管理模型设计303.4.2系统的角色控制模型设计313.5 GIS平台的设计思想323.5.1平台开发的技术路线323.5.2 GI S平台的开发333.5.3 GIS开发模式的选择373.6本章小结39第四章GlS地图显示的优化设计404.1空间索引简介404.1.1网格索引
6、404.1.2 R树索引414.1.3 R+树和R*树索引434.2空间索引框架设计444.2.1 ESIL存储管理器模块的设计454.2.2 ESIL功能和性能的优越性464.3地图显示的优化设计464.3.1道格拉斯普克 (Douglas Peucker)压缩算法474.3.2快速图形显示模型的分块思想494.3.3快速图形显示模型的方案设计504.3.4快速图形显示模型的实验结果及评价524.4本章小节54第五章基于GIS的最佳避灾路线设计555.1 Dijkstra算法分析555.2改进Dijkstra算法的思想基础585.3改进Dijkstra算法的实现方法605.4最短路径的案例分
7、析625.5小结63第六章总结与展望646.1总结646.2展望65参考文献661 绪论1.1 问题的提出及研究意义1.1.1 煤矿安全现状煤炭作为一次能源,在我国的能源消费组成中的比重达70%,产量占世界煤炭总产量36.5%1。煤矿是世界上最为复杂的企业和生产组织形式。煤矿的生产过程包括掘进、开采、运输、提升、筛选等环节,而且面临着复杂多变的地质条件,同时要求人员井下作业,因此存在着多种不安全因素,容易导致各类事故尤其是各类重大事故的发生2。2003-2010年,全国煤矿共发生事故18258起,其中瓦斯重特大事故2062起。我国煤炭开采形式中有96%为地下开采,国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井
8、,其中46%为高瓦斯矿井,在我国煤矿事故中,瓦斯事故的危害程度最大,死亡人数占煤矿事故总死亡人数的30%左右3。新中国成立以来煤矿发生的死亡百人以上事故,95%为瓦斯事故,瓦斯始终是我国煤矿安全的最大威胁。粗略估算,从各种途径投入瓦斯灾害的防治费用每年高达20亿元以上,给煤矿生产带来沉重的经济负担。瓦斯事故的威胁极大地限制了煤矿生产能力的发挥。在当前市场经济条件下,瓦斯灾害治理、预防的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一。我国瓦斯伤亡事故情况:2003年-2010年我国共发生煤矿事故18258起,瓦斯事故2062起。对瓦斯事故统计情况如下:2003年为596起,2004年266
9、起,2005年19月为233起,2006年265起,2007年272起,2008年182起,2009年167起,2010年81起,死亡人数分别为1595人、1389人、4228人、1319人、1084人、778人、551人、341人4;值得注意的是,2005年同期瓦斯事故死亡人数分别为2003年和2004年的1.16倍和1.91倍。2005年至今,一次死亡十人以上的煤矿企业特大事故已达49起,死亡1325人,同比增加16起、618人5,煤矿事故与瓦斯事故起数对比如图1.1所示。同期比可以看出,虽然瓦斯事故逐年减少但瓦斯事故造成的危害依然严重,严重制约着煤炭行业的良性发展。图1.1 历年事故起数
10、统计图1.1.2 建立煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的意义根据各国的事故统计分析得出,有效的事故应急救援管理系统可以将事故损失降低到无应急救援管理系统的 6%6。我国有一些事故由于及时启动事故应急救援管理系统而降低了事故损失,有些甚至避免了人员伤亡,如郑煤集团超化煤矿 2004 年“4.11”透水事故、辽宁阜新艾友煤矿 2006年“2.18”顶板事故等。但也有一些煤矿由于在发生事故时没能及时启动事故应急救援管理系统,造成事故危害和灾害范围的扩大。建立煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的目的是一旦发生瓦斯事故,控制危险源,避免瓦斯事故扩大,在可能的情况下予以消除;尽可能减少瓦斯事故所造成的人员伤亡和财产
11、损失。建立煤矿瓦斯事故应急救援管理系统,其主要作用是管理各种危险源信息,及时控制造成瓦斯事故的危险源是应急救援工作的首要任务,只有控制住危险源,防止瓦斯事故的继续扩展,才能及时、有效地进行应急救援;抢救受害人员是应急救援的重要任务,在应急救援行动中,及时、有序、有效地实施现场急救与伤员安全转移,是降低伤亡率、减少事故损失的关键;指导井下工人防护,组织工人撤离,由于瓦斯事故发生突然、扩散迅速、涉及范围广、危害大,应及时指导和组织工人采取各种措施进行自身防护,并迅速撤离出危险区域或可能受到危害的区域;帮助现场清查,消除危害后果;对瓦斯事故外逸的物质,应及时组织人员予以清除,消除危害后果,防止对人的
12、再次危害和对井下环境的污染;辅助事故调查,估算危害程度,瓦斯事故发生后应及时调查事故的发生原因和事故性质,估算出事故的危险程度及范围,查明人员伤亡情况,做好事故调查,防止有毒有害物质及气体再次对人和井下环境造成二次破坏7-10。煤矿瓦斯事故应急救援制约因素多、情况复杂多变,与其它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,要求反应快速、判断准确、应变及时,措施有力。一旦发生瓦斯事故,需要多支矿山救援队伍协同救援、密切配合、集中指挥11。为此,为保证煤矿的安全生产、保障煤矿瓦斯事故应急救援工作的及时有效,煤矿必须建立一套完整的瓦斯事故应急救援管理系统,提高煤矿对瓦斯灾害的抗灾
13、救灾能力,也是处理煤矿特重大瓦斯事故的关键。1.2 国内外研究现状1.2.1国外煤炭行业信息化研究现状国外从六十年代开始着手管理信息系统的研究,经历了由简单到高级逐步完善的发展过程后,利用其先进的管理技术、通信技术、计算机网络技术和数据库技术使管理信息系统应用于各行各业。特别是近年来随着企业内部网intranet和国际互联网internet的发展和全球化的进程,在全球五百强的企业中的一些跨国公司里,管理信息系统已经成为了其核心竞争力之一。发达的煤炭生产大国如美国、德国、澳大利亚等,他们的信息基础设施齐全、信息化程度高,信息资源的开发加工能力、国民信息意识及公众信息服务等方面都比其他国家高。德国
14、矿井平均生产规模达到280万吨,波兰200万吨,英国180万吨。高新技术的应用改变了煤炭工业的面貌,发达国家在实现煤炭生产工艺综合机械化的基础上,向遥控和自动化发展,煤炭工业由劳动密集型向资本及技术密集型转化。信息数据库是发达国家煤矿行业信息服务的一个主要方式,其超过一半的电子信息资源是数据库,其开发的数据库规模大、容量大、结构合理,覆盖了产品、技术、科研等各个方面。在煤矿企业方面,英国的Robshaw L教授提出用信息技术来提高采掘工作面的获利能力12。他利用信息技术建立一个煤矿信息系统(CIS),该系统给企业经理提供了关于煤矿采掘工作面性能的及时、准确的信息。通过该系统能实现提高生产效率,
15、减少采掘面滞后和改进采掘面系统的功能。1.2.2国内煤炭行业信息化研究现状在我国,金融、电力、钢铁、石油、石化、有色、电子等行业的信息化建设走在了煤炭行业的前头,从煤炭行业自身来看,各煤炭集团信息化水平参差不齐。信息化建设仍存在一些问题13-17:1)整个煤炭行业对企业信息化重要性的认识和重视程度远远不够。对如何运用信息技术促进企业发展,提高企业的竞争力缺乏相应的战略对策和具体规划;对信息技术有所应用也停留在急功近利的阶段,或用传统的计划经济思想,来看待和规划本企业的信息化建设。2)计算机应用开始普及,但信息工程建设比较滞后。煤炭企业大都使用上了计算机,但只能说是刚刚起步,计算机信息管理系统仍
16、然是在分工基础上按部门设计,处于封闭和静止的状态,系统的集成相差很远。3)信息化建设缺乏具体的规划,带有很大的随意性和盲目性。企业信息化建设必须要与企业内部管理改革同时进行,但绝大多数煤炭企业没进行这一步。有的企业只知道计算机和计算机网络先进,就投资建起本企业的计算机网络。而不是从本企业的人员素质、技术力量和基础管理条件等实际出发,充分进行方案的论证和规划。系统建起来干什么?如何用?达到什么样的目标?是否会有成效?全然不顾。4)忽视软件和本单位信息资源的开发、应用和管理,造成信息资源的浪费。在我们所接触的企业中,有相当多的企业仅将计算机用于部门办公和单项事务管理,有少数企业建立了自己的计算机通
17、信网络,并且资金投入较多,网络带宽、速度、结构等指标都是比较高的。信息通道有了,而通道上数据传输却未能解决好。没有符合本企业实际的数据软件,信息的采集、处理、利用等工作做得还很不够,企业内部的信息资源未能开发,没有本企业的数据库,网上有价值的数据寥寥无几,数据流向单一,整个网络未能发挥出应有的效益,造成资源的极大浪费。在矿山企业领域,信息管理系统的应用也有许多成功的实例。近十几年来煤矿也完成了安全监测系统、工业电视等多种计算机辅助管理系统。黑龙江省是我国重要的能源基地,也是主要产煤区。煤矿分布点多面广,情况复杂,单靠有限的煤矿安全监察人员和监察装备,对可能出现的安全隐患很难做到及时发现。工作人
18、员疲于奔命,安全事故频繁发生,一直是困扰该省煤矿安全监察工作的一个难题。为扭转工作被动局面,2002年10月,黑龙江省煤矿安全监察局着手建立煤矿安全信息化监控网络系统。该系统由5个子系统组成,分别为小煤矿主要扇风机运行监控子系统、煤矿瓦斯联网监控子系统、煤矿瓦检员远程定位监控子系统、煤矿超层越界预警监控子系统、低瓦斯矿井无线终端入井监控子系统。主要作用就是利用移动通讯系统及无线发射接收等高科技装备,对矿井个6万吨以上矿井实现井下瓦斯监控。2003年全省煤矿安全事故比2002年少死亡210人;2004年18月,煤炭产量比去年同期增加1200万吨,死亡人数减少24人。在2004年第二届全国安全生产
19、科技成果评选中,煤矿安全信息化网络监控系统获得一等奖,被列为国家煤矿安全生产领域重点推广应用技术项目。兖州矿务局机械化处,利用DBASE开发的采煤工作面数据管理系统,实现了采煤工作面及采煤数据、直接成本、油脂消耗等有关信息的采集、查询、维护、统计处理和报表生成,为生产管理人员及时提供生产管理工具。淮南工业学院安全工程教研室,采用FoxPro2.5为淮北卢岭矿开发的煤矿管理信息系统,将操作环境移植到Windows系统下,充分利用了网络技术和多媒体技术,将煤矿生产,监测,管理联为一体,使煤矿企业管理的信息化水平得到很大的提高。太原研究院张生益高工等人提出的矿区计算机综合网络系统设计,采用安全监控子
20、系统,实现安全生产自动化,采用人事,计划,财务等系统,实现管理自动化。矿井各子系统通过个智能信息转换装置接入虚拟管理机到计算机网络中,以矿井为单位采用改进型STAR网,将所有信息收集,以星型网联接最大可达4层,与原煤炭部联接采用国际CCITT标准。主要扇风机运行情况、瓦斯超限作业情况、瓦检员工作状态等事关煤矿安全的关键环节实施远程实时监控,及时发现隐患,控制瓦斯爆炸事故发生。目前该省已经建立起连接鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河四大矿区的13个监控网络,有310个煤矿安装了扇风机监控系统,274哈尔滨工程大学开发出一个基于组件式GIS的井下安全与救援信息系统,以GIS的组件MapX为核心,以井下安全
21、生产和事故救援信息支持为主要功能,系统使用组件化的结构,地图控制组件、管理信息子系统组件库(人员管理组件、考勤管理组件、设备管理组件、生产作业管理组件以及统一界面组件、公用核心类组件,并分层实现),做到模块化设计18。重庆市研发了重庆市煤矿应急救援指挥通信平台,是基于GIS和GSM /GPRS的远程无线监控技术与现有事故救援指挥通信体系的科学结合,实现了省(市)级煤矿应急救援指挥体系的自动化、信息化。系统以组件式GIS作为安全救援信息可视化的基础, 集空间数据显示、数据查询、数据分析于一身, 可帮助用户分析、查询、有序管理大量数据信息并以直观的图形方式显示结果19。北京杰龙公司研发了应急救援管
22、理信息系统。此系统是国内第一套基于DotNet平台的专门应用于煤矿救护管理的专业煤矿软件。它是为实现矿山应急救援(矿山救护)管理信息的计算机化、网络化而设计开发的。系统的目的在于通过计算机及网络,实现信息远程、异地、科学管理。以提高应急救援的工作质量和工作效率。为应急救援工作提供科学、准确、综合的信息支持20。从信息管理系统的发展现状来看,仍然存在一些问题和困难:一是系统大;二是缺乏一定的分析功能;三是地图或专题数据的修改和编辑功能不够完善,不方便进行系统数据库的更新维护,从而降低了系统的实用性。针对以上这些不足,在本论文中进行了相应的研究和探索,并在系统设计中做了一些有益的尝试研究现状应整理
23、归纳。1.3 研究目的及内容1.3.1 研究的目的意义本文研究的目的:煤矿瓦斯事故应急救援管理系统是一个庞大的系统工程,在很大的地域范围内,需要根据瓦斯事故的灾害类型、破坏程度、地质条件等因素的不同,选择适用的救援方式。将地理信息系统(GIS-Geographic Information System)和煤矿瓦斯事故应急救援管理结合起来,是瓦斯事故的应急救援决策指挥软件的发展趋势。从功能和内容上讲,地理信息系统是一种以计算机为工具,具有地理图形和潜在危险范围的信息管理系统,它是信息技术高速发展的产物,它具备变枯燥、死板的数据为直观、生动图表的能力,将它应用于煤矿瓦斯事故应急救援管理系统的开发,
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