基于GIS的分布式协同“一张图”决策支持信息系统的研发与应用
完成单位：北京龙软科技股份有限公司
北京大学
一、企业基本信息
公司成立于2002年，总部位于北京中关村国家自主创新示范区，为北京市A类高新技术、双软认证企业，目前拥有三河龙软全资子公司、徐州分公司和成都分公司。龙软科技以自主研发的“龙软地理信息系统”为核心，基于云计算、大数据、物联网、空间信息等技术，以矿山、城市管理和安全管控为重点，为企业、政府、公众提供智慧矿山、智慧安监、智慧城市整体解决方案。公司的技术和产品已在全国18省市、90多家能源集团企业、1400。公司及其研发团队主持或参与国家级项目9项，荣获国家科技进步奖2项，5项，其他省部级奖和行业奖数十项，获专利和软件著作权100余项。
项目负责人：毛善君。工学博士，北京大学教授、博士生导师，中国安全生产协会信息化工作委员会第一届委员会副主任委员，中国地理信息产业协会地下空间信息工作委员会副主任委员，中国煤炭工业协会信息化分会常务理事、中国煤炭教育协会高等教育分会委员、中国煤炭学会计算机通讯专业委员会委员，中国煤炭学会第五届煤矿自动化专业委员会委员，现在主要从事地理信息系统的教学和数字矿山、智慧矿山的研发工作。
二、项目基本情况
基于GIS的分布式协同“一张图”决策支持信息系统（以下简称“一张图”系统）是采用新一代互联网、大数据、面向服务架构及GIS等技术，基于统一的数据标准体系，统一的空间数据管理平台，根据GIS数据空间数据的多元性特点，将地质、测量、防治水、通风、机电、生产采掘等不同部门的业务数据统一处理集成（如图1所示），存储在统一的空间数据库服务器中。基于“统一存储、协同工作”模式的矿图管理服务平台，支持矿图相关数据的集中管理及动态更新，实现基础矿图的集中统一管理和开发利用，构建矿井协同化的一张图服务平台。为煤矿安全生产运营管理提供空间数据和业务数据的集成与应用服务，实现协同调度、集中管控及科学决策，提高防灾救灾能力和安全管理水平。
图1 “一张图”系统目标
通过“一张图”管理系统，对各类矿井图形信息以及设施、设备等属性信息进行一体化管理。用户可以在一个视图下查询巷道、工作面、安全监测、通风设备设施、工业视频、人员定位、调度通讯、供配电设备、运输设备、供排水设备、监测点等几乎所有与地理图形有关的信息，也可以通过GIS网络协同平台分专业录入、修改、更新及输出系统里的元素信息，从而实现协同实时更新矿井数据的目标，如图2所示。
图2 基于“一张图”的数据一体化管理
建设煤矿“一张图”管理信息系统的技术路线如下：
（1）整合与建立统一坐标系、统一数据标准、统一数据格式的空间数据库，形成“一个库”。
（2）统一标准和规范的矿图综合处理与整合技术，支撑各部门各专业的图形数据整合，形成“一套标准”。
（3）在统一技术标准和规范的前提下，研究数据统一管理的技术路线和流程，研究多专业数据分层的统一管理平台，形成“一个平台”。
（4）在矿图数据标准制定及数据整合处理的基础上，通过协同处理技术各类数据的动态更新机制和技术，支撑整个系统的良好运转，实现“协同化”。
（5）一张图协同GIS平台具备一般煤矿GIS系统的所有功能，如图形编辑绘制平台、地测空间管理、通风安全管理、供电计算与管理、采矿辅助设计与管理等，实现“专业化”。
三、项目实施需要解决的关键问题
1、关键技术
基于GIS的分布式协同“一张图”决策支持信息系统的基础是统一地理信息系统平台、统一矿图工作和管理平台、统一空间数据存储平台，核心是研究探讨矿图整合和管理标准，难点是研究建立支持多专业协同工作的数据更新、维护机制，实现整个系统的实用化。
（1）海量空间数据的存储与管理。
“一张图”建设涉及到的数据量巨大，根据支撑接入煤矿所有业务数据来估算，系统存储管理的数据总量在TB级别，并且随着协同数据更新,数据量将不断增长。需要研究海量空间数据存储管理关键技术，采取有效策略和方法，对数据物理存储、数据索引、数据压缩、空间数据引擎、数据提取、数据缓存以及显示等一系列关键技术进行优化创新，提高海量空间数据的查询、浏览和调用速度。需要对数据管理和应用服务模式进行深度研究和开发，探索海量空间数据的统一管理模式，实现多源、多尺度、海量数据的统一存储和高效管理，采用数据管理和数据应用松散耦合的方式，实现数据库和应用的松散偶合。
（2）数据标准及数据的整合与整理
煤矿地质勘查、规划设计、建设施工、生产运营各个阶段的数据具有多源、异构、多态等特征，由此决定了数据的整合与整理是一项复杂、艰巨的工作。在制定统一的数据整合、整理以及数据建库的标准规范前提下，从数据来源、业务内容、空间参数、存储格式、数学基础、标准化程度、数据规模、存储介质、应用需求、工作程度、数据更新等方面调研分析各类数据源的现状，梳理、分析并整理煤矿相关基础地理、地质、生产、调度、安全监测等资料数据等，结合行业相关数据规范、制图规范、煤矿安全规范以及企业的具体情况，总结出一套适合企业的矿图空间数据标准和管理规范，以此作为企业空间数据成果数据库的技术标准，并在此基础上对数据进行完整性检查、标准化处理，数据项补充、数据格式转换、坐标转换、拓扑重建、数据入库等工作。
（3）煤矿协同设计编辑
一张图平台中，“协同”是整个系统的核心和最主要特点，是以协同地理信息系统作为基础理论和技术支撑。
煤矿地理信息管理是一种群体协作的任务，是一种数据协同，以异步协同为主，存在部分同步协同需求。煤矿地理信息协作的主体是煤矿各业务部门的制图技术人员，协作的对象是煤矿地理数据，通过网络共同完成各种矿图的绘制与属性数据管理的任务。因此，需要结合煤矿地理数据协同管理流程，实现煤矿地理数据制图过程中的协作关系，构建适合煤矿地理数据“一张图”的煤矿协同地理信息模型。
2、标准规范
数据整合处理之前必须对已有的数据标准进行整合。首先要全面梳理现有的行业、企业内部的矿图制作规范和标准，收集各类图形使用的符号、图层分层习惯等，摸清各类家底资料，明确各个专业对不同类型不同形式的矿图的需求，按数据类型、专业类型、使用场合进行分类、梳理。
综合现有标准，按照煤矿开采方式、地形地质、采掘（剥）工艺、生产与安全等基本要素，结合煤矿生产不同专业需求，分为采掘、机电、运输、通风、地测及防治水、安全等七大类，每大类矿图又细分为若干小类图件，如表1所示。
表1 矿图分类标准
序号 | 矿图类别 | 类别含义 | 具体图件 |
1 | 采掘类 | 反映矿井开拓准备、采区布局、采掘生产等空间信息的图件。 | 采掘工程平（立）面图、主要巷道平（剖、断）面图、井底车场平面图、井筒断面图。 |
2 | 机电类 | 反映矿井机电设备系统空间信息，主要设备数量和技术特征的图件。 | 机电设备布置图、供电系统图、供/排水系统图。 |
3 | 运输类 | 反映矿井运输系统空间信息、主要设备数量和技术特征的图件。 | 运输系统图。 |
4 | 通风类 | 反映矿井通风系统空间信息、主要设备型号及其技术参数的图件。 | 通风系统图、通风网络示意图、瓦斯抽采系统图、防灭火系统图、防尘系统图、瓦斯地质图。 |
5 | 地测及防治水类 | 反映煤矿地形地貌、地质构造、水文地质、资源储量及防治水等空间信息的图件。 | 区域地形图、矿井地形地质图、工业广场平面图、井上下对照图、主要保护煤柱图、煤层底板等高线及资源储量估算图、综合水文地质图、矿井充水性图、矿井涌水量与各种相关因素动态曲线图。 |
6 | 安全类 | 反映矿井安全监测监控、人员定位、通信、避灾路线、避险硐室、救生装备和抢险救灾设施空间信息的图件。 | 安全监测监控系统图、人员定位系统图、避灾路线图（紧急避险系统图）、压风自救系统图、通信系统图、供水施救系统图。 |
通过分类体系，将现有矿图分门别类后，继续对矿图内的图层进行细分。图层的规范化管理是“一张图”实施的基础，没有规范、统一的图层就无法实现“一张图”管理和多专业协同工作。针对各类具体图件内容，结合分类体系，按规范进行图层名称命名。图层名称由名称、矿井编码、矿图类别编码、图件编码、煤层编码共五部分组成。
3、信息共享及集成
建立矿图数据规范是一张图系统的基础，基于标准和规范将现有图形整合处理到一张图空间数据库后，还需要解决数据的共享、集成和更新问题。
从矿图的来源和使用来看，分专业、分部门各司其责是当前我国煤矿的现实国情，针对这种情况设计地测、通风、机电、生产设计等多部门“协同工作”理念的一张图更新机制。
一张图协同工作的基本核心是“统一矿图工作平台、统一后台存储数据库”，在数据层面既有一张图理念进行统一管理，在功能应用层面则继续面向不同的专业和部门，由各专业技术人员负责本专业的一张图数据子集更新和维护，并通过基于网络的协同管理服务平台实现数据的安全性控制、版本控制和权限控制，从而实现安全、可靠的数据更新。
协同工作管理软件系统的核心在于将矿图管理业务流程与符合一张图标准的空间数据管理平台进行结合，借助系统的空间图形数据管理功能，实现基于分层管理的各类矿图在线协同读取、多终端在线提交等，实现各类矿图的在线浏览及编辑，从而达到协同工作、更新的目的。
4、人员培训及项目实施
“一张图”系统的培训主要通过使用手册、制定培训计划和培训目标，对系统操作人员和运维人员进行培训与指导。
针对本项目的技术特点为企业相关技术人员和管理人员提供相关的技术培训，整个培训可分为基础培训和高级培训两部分。
通过基础培训使企业相关管理人员能够达到对应用系统的应用，以及一般的故障排除，能够维护系统的基本运行，保证企业相关业务的正常进行。
高级培训的目的是使技术人员具备比较深入的维护能力，能够承担系统的扩张与升级任务，具有一定的应用开发能力。
基础培训及高级培训均采用正式课堂授课的方式进行，并通过现场实际操作指导相结合，使得理论与实际相结合，保证培训效果；每个培训阶段通过答卷考试及操作考核的方式对培训的效果进行验证，以保证培训质量。
四、项目价值、优势和创新点
煤矿“一张图”管理系统通过二三维GIS平台、一张图协同等先进技术，为提升矿井灾害治理和应急救援应变能力、提高安全生产效益具有重要价值。
（1）构建了满足煤矿企业安全生产技术应用的标准规范体系。
在综合国家、行业、企业标准规范的基础上，经过大量调研、讨论，完整地建立了指导安全生产运营管理平台建设和应用的企业标准规范体系。所建标准规范体系规范了煤炭行业地理数据的获取、处理、存储、分析、访问和表达，以及煤矿地理信息在不同用户、不同系统之间的数据共享和服务。
（2）研究并实现了“一张图”模式下的煤矿“采、掘、机、运、通”协同图形处理与分析技术。
针对煤矿空间数据更新快、业务流程管理复杂、多变因素业务过程计算等问题，在一张图协同GIS框架下，基于协同化、流程化、一体化的思路，研究了大量相应的图形处理与分析技术，如地测空间变量插值、复杂TIN模型构建及自动更新、任意剖面切割、通风网络构建、通风网络解算及模拟、供电网络数据模型、机电设备选型计算、生产设计自动成图等。
（3）研究并实现了GIS一张图协同和服务及多级架构的分布式在线协同管理系列化核心技术。
基于煤矿地理信息的协同特征，构建了煤矿协同制图的网络数据传输通信机制与协同作业体系结构，建立了协同服务技术体系。通过融合GIS与协同技术的一张图平台，解决了煤矿地理信息的共享性、一致性、完整性和现势性问题。
（4）研发了基于“一张图”和云服务的煤矿企业安全生产系统集成技术
针对煤矿企业安全生产业务流程复杂、数据来源多样、海量数据存储等问题，基于地理信息服务技术与云服务架构技术，在“一张图”框架下，研发了具有插件式接入、弹性计算、服务自适应伸缩扩展、海量空间数据存储和管理能力的煤矿企业安全生产系统集成技术，可以有效支撑安全生产运营平台面向企业级的全面业务管控及深度分析挖掘需求。
五、项目实际应用情况及效果分析
基于GIS的煤矿“一张图”管理信息系统可方便地实现煤矿企业安全生产技术的分布式、协同管理，实现网络环境下的远程指挥与调度管理；自动化与监测数据共享提高了劳动效率，减轻了劳动强度；数据的自动传输，消除了人为误差，进一步提高了决策的准确性、可靠性；同时，基于“一张图”模式的生产技术综合管理为安全生产工作的无纸化办公奠定了基础，带来的间接经济效益也很可观。
“一张图”管理系统的推广实施，将为我国数字煤矿、智能煤矿建设奠定坚实的基础，助推我国煤炭工业安全生产技术的信息化管理，不仅能够减员增效，而且还能够进一步保障矿井安全生产，具有重要的社会效益。
系统目前已在神华神东煤炭集团公司、山西中煤华晋能源有限责任公司、阳泉煤业（集团）有限责任公司及等煤炭企业得到推广应用。以神华神东煤炭集团公司为例，一张图系统建成后，形成了各类矿图的制图标准及内容管理规范，提高了煤矿基础地理信息的标准化程度、生产业务数据的更新速度和准确性，为企业宏观管理、保障安全生产、领导决策支持等提供了重要支撑。同时，“一张图”系统采用统一部署的方式实施，一方面有效保证了煤矿数据安全，提高安全生产效率，及时准确的数据更新可以在煤矿安全生产指挥和管理中发挥更大的作用，为降低安全生产事故保驾护航；另一方面由于矿图管理软件是煤矿生产运营的必需品，统一部署、统一建设的实施方式可以在后期快速推广接入各专业业务数据，从而大大节约矿图管理相关软件的整体采购成本，避免了重复建设，具有很高的社会效益和经济效益。
六、项目成果的应用前景、示范意义及行业推广价值
基于GIS的分布式协同“一张图”决策支持信息系统已经基本解决了煤矿“采、掘、机、运、通”相关的安全生产相关业务数据统一管理和集成问题，为实现矿井安全生产相关的大数据分析、决策分析、智能开采等打下了坚实的基础。同时，基于“一张图”模式的煤矿业务管理方式，还可以很方便的扩展到全集团应用，也是煤炭企业集团的信息化基础平台之一。
目前“一张图”系统在神华神东煤炭集团公司、山西中煤华晋能源有限责任公司、阳泉煤业（集团）有限责任公司等企业的应用为下一步的推广实施积累了技术基础和建设应用经验，应用实践表明“一张图”模式的信息化系统具有数据统一组织管理、自动协同更新、方便集成应用等有点，可为企业信息化提供强大的基础支撑。
基于GIS协同“一张图”、虚拟矿井、大数据安全动态诊断等核心技术的研发，解决了高度一体化管控的智慧、高科技矿区关键问题，为煤矿企业领导层正确决策提供科学依据，在煤炭行业具有很强的推广应用价值。
七、项目经验总结和下一步计划
公司作为专注于能源行业的高新技术企业，同时在北京大学、中国矿业大学等科研院校的支持下，具有持续、强大的技术创新能力，紧跟现代信息技术的发展趋势和潮流，相继推出了面向煤炭行业的专业地理信息系统、安全生产综合管理系统、虚拟矿山系统、移动GIS系统、“一张图”管理系统等产品。下一步，公司将继续围绕“一张图”系统与大数据分析平台、服务式GIS平台、移动GIS平台、基于次世代引擎的虚拟矿井平台以及基于上述平台技术基础的煤矿安全生产综合管理信息管理决策等方面进行深入研究，不断完善和提升“一张图”解决方案的实用性和技术水平。
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