CN108009738A - 一种“一张图”模式的煤矿管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种“一张图”模式的煤矿管理系统，其基于计算机网络和煤矿采掘工程平面图的包括数据源层、协同更新服务层、数据存储层和业务应用层，所述数据源层通过协同更新层将其内部数据分别纳入数据存储层中对应的各个数据库中，所述业务应用层将分散的各业务应用系统相关关联形成的综合应用系统。所述数据存储层包括业务数据库、空间数据库和实时数据。本发明提供的“一张图”模式的煤矿管理系统建立了规范标准体系，实现数据集成管理、时态空间数据管理以及空间数据服务。

Description

一种“一张图”模式的煤矿管理系统

技术领域

本发明属于煤矿管理技术领域，具体涉及一种“一张图”模式的煤矿管理 系统及其实现方法。

背景技术

煤矿生产环境复杂多变，为了实现安全生产的目标，需要煤矿地测、一通 三防、机电、生产、监测等业务部门紧密协作。由于煤矿生产是一个实时动态 变化的过程，伴随着煤矿的开采、掘进工作，时时刻刻都在产生大量的监测监 控、综合自动化、地质测量等数据，这些数据中隐含了煤矿当前和未来一段时 间内的生产运行状况，但目前还无法对这些海量数据进行充分挖掘和利用，仍 停留在单一的汇总统计和展示阶段。

随着IT技术飞速发展，使得煤炭生产和管理架构由传统的人工管理模式向 数字煤矿、智慧煤矿方向发展成为可能。运用先进的信息化技术、自动化技术， 借助物联网、大数据和云计算最新发展成果构建智能矿山，以信息化手段推进 煤炭生产方式变革，是降低安全事故、提升生产效益的必然举措，是煤炭企业 在资源、安全、环保政策的强力约束下应对严峻市场危机、促进企业转型升级 的必然选择。

由于煤矿是一个典型的多部门、多专业管理的行业，如何将原有分散、孤 立的业务系统和数据采集源建立统一的管理平台是建立新型信息化矿井需要首 先解决的问题。现阶段我国煤矿在这方面存在的主要问题有：①建设的各类业 务管理、监测监控、综合自动化等系统相互孤立存在，缺乏数据管理和集成共 享的标准规范，无法综合管理和应用；②各类监测系统和业务系统产生的数据， 从数据本身来看是具有天然的地理空间参考和共同属性关联的，但由于缺乏统 一规划和GIS平台支撑，数据仍是分散和弱关联方式存在，大大降低了数据本 身的利用价值；③煤矿各业务部门间的数据共享和交换多数仍是人工方式，时 效性较低，而且准确性也受人为因素影响较大，是安全生产管理管理的薄弱环节。

因此，结合煤炭行业实际情况，基于大数据、物联网、云计算等背景，研 究建立统一的煤矿基础数据管理平台是煤矿信息化、智能化建设进程中必须解 决的新课题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明在深入研究国内外信息化基础数据平 台技术基础上，结合多年数字矿山生产服务实践经验，创造性的提出了煤矿“一 张图”模式的管理思路，并对涉及的技术架构、关键技术等内容做了深入探索 与实践。

本发明提供一种“一张图”模式的煤矿管理系统，其基于计算机网络和煤 矿采掘工程平面图，包括数据源层、协同更新服务层、数据存储层和业务应用 层，所述数据源层通过协同更新层将其内部数据分别纳入数据存储层中对应的 各个数据库中，所述业务应用层将分散的各业务应用系统相关关联形成的综合 应用系统，以访问数据存储层。

优选地，所述数据存储层包括业务数据库、空间数据库和实时数据。

优选地，所述数据源层的数据包括业务管理数据、实时数据以及煤矿生产 各个阶段的历史数据、档案资料，所述业务的管理数据包括地测、一通三防、 机电设计、采矿设计等业务的管理数据，所述实时数据包括监测监控、人员定 位、综合自动化的实时数据。

优选地，所述协同更新层通过基于煤矿协同GIS平台的各业务管理系统， 将数据源层中的各业务数据分别纳入数据存储层的业务数据库和空间数据库， 对于实时数据，通过与基于煤矿协同GIS平台关联的方式接入、集成到实时数 据库。

优选地，所述数据源层的数据具有标准规范体系，所述标准规范体系包括 分类标准、编码标准、分层标准以及要素数据字典。

优选地，所述具有数据集成管理功能，具体采用以下方式进行管理：

①数据源层中由煤矿技术工人按实际坐标(X、Y、Z)绘制的图形，协同更 新层通过建立不同图层后叠加在“一张图”的数据存储层中，实现多专业的“一 张图”模式管理；

②数据源层中不按实际坐标(X、Y、Z)绘制的图形，将图形按专题图的方 式保存到数据存储层中同一数据平台，协同更新层通过实体属性关联，统一到 “一张图”模式的煤矿管理系统；

③根据制图需要，煤矿各专业应用人员结合属性化配置，协同更新层从GIS 空间数据库提取部分数据，形成各类专题图形，各专业人员对相应的专题图进 行维护，更新后的数据自动同步更新到“一张图”模式的煤矿管理系统的数据 存储层上。

优选地，所述具有时态空间数据管理功能，具体采用以下方式进行管理：

①检查变化相关的数据是否存在版本冲突；

②冲突检查完成后，在全局版本记录表中添加一条ID为VN的记录；

③在数据集历史版本表中插入所有变化实体对应的VN历史版本记录，并区 别版本类型；

④将变化实体的数据更新到数据集对象表。

优选地，所述业务应用层采用WMS+WMTS的方案来优化数据的访问能力

本发明具有的优点在于：

本发明提供的“一张图”模式的煤矿管理系统建立了规范标准体系，从而 能够实现数据集成管理、时态空间数据管理以及空间数据服务分布。

附图说明

图1为本发明提供的“一张图”模式的煤矿管理系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种“一张图”模式的煤矿管理系统，是指建立数据标准规范、 数据存储环境之后，将相互独立的各类业务数据，根据地理空间参考、对象属 性等关联关系，统一纳入GIS空间数据库管理。同时，随着煤矿生产工作的不 断推进，利用GIS空间数据库的时态特性支持，对空间数据库内的数据进行分 布式协同更新、查询，并根据版本建立历史记录和回溯机制，实现实时更新的、 全过程可回溯的“一张图”。

本发明提供的“一张图”模式的煤矿管理系统如图1所示，包括数据源层、 协同更新服务层、数据存储层和业务应用层四层架构。

(1)数据源层

“一张图”模式的煤矿管理系统的数据源层的数据源包括地测、通防、机 电、生产、监测等业务的管理数据，以及监测监控、人员定位、综合自动化等 实时数据等，还包括煤矿生产各个阶段的历史数据、档案资料等，这些数据成 为煤矿“一张图”管理系统与煤矿生产紧密结合的数据源，形成数据源层。

(2)协同更新层

协同更新层通过基于煤矿协同GIS平台的各业务管理系统，如地测空间管 理系统、通风管理系统、供电辅助计算及图形系统、采矿辅助设计系统等，实 现数据源层中的数据协同、更新，对应存储于数据存储层中，具体实现将数据 源层中各类业务数据分别纳入业务数据库和空间数据库；对于数据源层中监测 监控、综合自动化等实时数据，通过对接设备厂家，解析各类数据协议，通过 与GIS关联的方式接入、集成实时数据到实时数据库。

(3)数据存储层

数据存储层是以GIS空间数据库为核心的数据中心管理方案，地理空间位 置相关的图形数据、属性数据均按照地理数据标准规范存储到GIS空间数据库 中，业务管理流程相关的数据则保存在业务数据库中，各类实时数据通过添加 与GIS空间数据库关联后，存储在实时数据库中。同时，数据存储层通过建立 空间索引、属性索引相关机制，对数据的存储和访问进行优化，通过统一的数 据发布服务接口提供高效、全面、准确的矿井各类数据访问。

(4)业务应用层

业务应用层是各类基于煤矿“一张图”管理系统的业务应用系统。通过“一 张图”数据发布服务提供的支撑，可以将原有分散、孤立的业务系统，通过“一张 图”数据的关联，搭建跨业务、跨部门的综合型应用系统，提升信息化建设的质 量和水平。服务的方式和协议方面，有WMS、WMTS服务，从具体业务内容方 面，包括地图、属性、煤矿地质、测量、通防、机电、采掘等各种类型的数据 服务接口。

本发明提供的“一张图”模式的煤矿管理系统建立了规范标准规范体系， 实现数据集成管理、时态空间数据管理以及空间数据服务分布三种功能。

1)标准规范体系

“一张图”模式的煤矿管理系统的目标是建立全矿井基础数据管理和应用 平台，由于面对的业务和数据来源的复杂多样，无论从原始数据的入库管理， 还是从成果数据的集成应用，都必须以统一的标准规范为前提。因此本发明中 通过协同更新层对数据源层的数据进行标准规范，以满足标准规范体系的数据 信息储存于对应的数据储存层的对应库中。

本发明在参考国家相关标准的指导思想、制定原则、分类编码规则、完整 性和可扩展性要求等方面的基础上，结合我国煤矿的实际情况，提出了“一张 图”模式的煤矿管理系统中煤矿空间信息数据标准规范的框架，主要包括地理 信息的分类标准、编码标准、分层标准及要素数据字典等。数据源层的数据源 本身不一定符合以上标准，通过协同更新层的协同、更新、汇总、入库，到最 后存储到数据存储层的时候，按照具体的标准规范体系进行。

(1)分类标准

采用线分类法将煤矿地理信息要素类型分为大类、中类、小类、子类、要 素类五个有序层次，并可以规定大类、中类、小类、子类、要素类的分类名称， 其中要素类根据应用需求进行细分和命名。

煤矿地理要素类的大类是根据煤矿地理信息的来源分类，根据煤矿中各专 业部门产生的煤矿地理信息分为6大类(如表1)。

表1煤矿地理信息要素分类表

对于煤矿数据涉及的地形部分，可按GB/T 13923-2006执行。

2)编码标准

煤矿地理要素类的代码采用10位定长数字码，不足10位用“0”补齐。代码 结构如表2所示，大类、中类、小类、子类、要素类各2位，按它们的从属关 系顺序编码。

表2煤矿地理要素类的代码结构

基于以上代码结构，可将大类、中类、小类的每一类要素对象对应唯一的 代码，部分编码表如表3所示。

表3煤矿地理要素类的代码表示例

当前定义的要素不能满足分类需要时，可进行扩充，扩充遵循规则：

①大类不得重新定义和扩充；

②中类和小类不能重新定义，可根据需要进行扩充；

③子类和要素可重新定义及扩充；

④编码10位结构不能扩充。

3)分层标准

煤矿空间数据分层遵循如下原则：

①煤矿矿图分层应便于制图操作和数据查询。

②煤矿矿图分层符合煤矿制图习惯，属于同一矿图的要素组合成一层。

③同一性质的要素组合为一层。

④重要的、需要经常使用的要素单独分层。

⑤充分考虑矿图中要素的用途。

煤矿矿图图层名称由下列部分组成(表4)：

①图层内容描述：图层的内容描述参考煤矿相关标准及习惯确定，图层内 容描述长度最多不超过6个汉字(12位)。

②煤层代码：区分煤层名称的代码，长度为2位，根据各矿井煤层数量情 况自行编码。取值范围为01-99，不区分煤层的图层取值为00。

③矿井行政区代码：区分矿井所在区、市、县(旗)的代码，长度为6位， 参见国家行政区划代码。

④矿井代码：区分矿井名称的代码，长度为3位，根据区、市、县(旗) 辖区内煤矿数量自行编码。取值范围为001-999。

表4煤矿矿图图层代码结构

同时，分层标准确定了煤矿矿图图层名称的1-12位，如表5所示。

表5煤矿矿图图层分层代码

4)要素数据字典

“一张图”模式的煤矿管理系统中地理空间数据是基础支撑，每一类地理 要素背后均关联了大量的属性数据，这些数据可能来源于不同的技术专业部门， 为了统一管理和方便共享应用，需要针对每一类要素对象制定数据字典，规定 要素属性的结构、内容及属性表的相关内容。

数据字典结构采用表格形式，描述的内容包括要素名称、要素描述、要素 分类代码、要素的属性表，分别从属性名称、属性描述、数据类型和字段要求、 属性值域或示例、约束/条件、备注几个方面进行了描述。

以典型的煤巷要素为例，属性表定义如表6所示。

表6煤巷属性字典表

2)协同更新层的数据集成管理

煤矿图形种类较多，图纸内容各不相同，有些图纸按实际坐标进行绘制， 如采掘工程平面图、井田区域地形图等。有些图纸不按实际坐标绘制，如钻孔 柱状图、巷道断面图等。针对这个问题，本发明的协同更新层提供数据集成存 储、管理的接口，具体采用以下方式进行管理：

①数据源层中由煤矿技术工人按实际坐标(X、Y、Z)绘制的图形，协同更 新层通过建立不同图层后叠加在“一张图”的数据存储层中，实现多专业的“一 张图”模式管理。

②数据源层中不按实际坐标(X、Y、Z)绘制的图形(一般为无空间坐标系 的图形)，将图形按专题图的方式保存到数据存储层中同一数据平台，协同更新 层通过实体属性关联(如复建坐标系)，统一到“一张图”模式的煤矿管理系统。

③根据制图需要，煤矿各专业应用人员可以结合属性化配置，协同更新层 从GIS空间数据库提取部分数据，形成各类专题图形，满足生产用图需要。各 专业人员对相应的专题图进行维护，更新后的数据自动同步更新到“一张图模 式”的煤矿管理系统的数据存储层上。

3)时态空间数据管理

煤矿数据具有典型的“时态”特性。随着煤矿的生产开采，煤矿安全生产 管理关注的重点数据时刻均在发生变化，如巷道掘进、工作面开采、环境监测 等。因此，“一张图”模式的煤矿管理系统不仅要存储和管理实时最新的煤矿 现状数据，还需要支持对历史数据回溯管理。

针对煤矿业务管理的实际需求，从满足煤矿“一张图”数据变化历史的管理 及基于时间点的历史数据回溯两方面需求出发，提出了基于GIS空间数据库的版 本化时态空间数据管理方案。

GIS空间数据库中一个典型的数据集表存储模型包括对象ID、对象外包矩形、 对象几何数据(点、线、面等元素)、属性，如表7所示。

表7数据集对象表

当数据发生变化时，数据的修改会直接覆盖原有数据集表中的记录。基于版 本化的时态空间数据管理，对每一个数据集对象表，建立一一对应的数据集对 象历史版本表，增加了协同ID、版本ID两个数据维，如表8所示。

表8数据集历史版本表

同时，在GIS空间数据库中建立全局的版本记录表，包括版本ID、版本创建 时间、版本创建者、版本唯一标识、版本描述等。当数据变化时，协同更新层 的系统协同更新服务端程序将经过如下步骤：

①检查变化相关的数据是否存在版本冲突；

②冲突检查完成后，在全局版本记录表中添加一条ID为VN的记录；

③在数据集历史版本表中插入所有变化实体对应的VN历史版本记录，并区 别版本类型(新增、删除、修改)；

④将变化实体的数据更新到数据集对象表。

基于GIS空间数据库的版本化时态空间数据管理方案以版本代替时间维，可 以大大减少时态GIS中保存连续时间数据带来的数据冗余及复杂度问题，在数据 存储的时间和空间方面达到了比较好的平衡。同时，数据物理存储的粒度也控 制到了实体对象级别，可以很好的满足对于数据修改历史记录和回溯的需求。

4)空间数据服务发布

“一张图”模式的煤矿管理系统的数据量大(一般在10GB以上)、数据类 型多样(图像、图像、属性、附件等)、全矿井范围的访问和统计分析需求量 大，这些都对“一张图”模式的煤矿管理系统的数据的对外服务能力提出了很 高的要求。

针对以上问题，本发明中业务应用层采用“WMS+WMTS”的方案来优化数据 的访问能力，基于标准规范体系的约定开放“一张图”模式的煤矿管理系统的 最新数据，并使全矿井数据的查询和访问响应时间在秒级以下。

WMS(Web Map Service，网络地图服务)是OGC定义的GIS标准网络地图发 布服务协议，与之类似的还有WMTS(Web Map Tile Service，网络地图切片服 务)，二者均是基于地图服务器对外提供空间数据访问的方式，可以用来解决 煤矿“一张图”中大量的图形数据对外提供服务的问题。WMS提供的是实时切图 服务，每次服务请求均会在服务端根据矢量数据渲染成图片返回客户端，效率 较低；WMTS则需要服务端提前准备好所有矢量数据的切片，服务请求发生时直 接返回静态图片，效率更高，是GIS应用中主流的方式。

煤矿相比其他行业的GIS应用，由于其数据动态变化周期很短，无法采用 一般的WMTS方案，而单纯采用WMS方案又会存在性能问题。本文在版本化时态 空间数据管理的基础上，采用WMS/WMTS混合的地图服务方案。默认情况下，地 图服务端会提供WMTS的静态切片访问，当“一张图”数据经过分布式协同更新 时，会发送局部数据更新的消息到地图服务端，从而触发WMS服务来完成对局 部地图切片的更新，从而保证数据最新的前提下，兼顾地图服务的性能问题。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种“一张图”模式的煤矿管理系统，其基于计算机网络和煤矿采掘工程平面图，其特征在于，包括数据源层、协同更新服务层、数据存储层和业务应用层，所述数据源层通过协同更新层将其内部数据分别纳入数据存储层中对应的各个数据库中，所述业务应用层将分散的各业务应用系统相关关联形成的综合应用系统，以访问数据存储层。

2.根据权利要求1所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述数据存储层包括业务数据库、空间数据库和实时数据。

3.根据权利要求1所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述数据源层的数据包括业务管理数据、实时数据以及煤矿生产各个阶段的历史数据、档案资料，所述业务的管理数据包括地测、一通三防、机电设计、采矿设计等业务的管理数据，所述实时数据包括监测监控、人员定位、综合自动化的实时数据。

4.根据权利要求3所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述协同更新层通过基于煤矿协同GIS平台的各业务管理系统，将数据源层中的各业务数据分别纳入数据存储层的业务数据库和空间数据库，对于实时数据，通过与基于煤矿协同GIS平台关联的方式接入、集成到实时数据库。

5.根据权利要求1所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述数据源层的数据具有标准规范体系，所述标准规范体系包括分类标准、编码标准、分层标准以及要素数据字典。

6.根据权利要求1所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述具有数据集成管理功能，具体采用以下方式进行管理：

①数据源层中由煤矿技术工人按实际坐标(X、Y、Z)绘制的图形，协同更新层通过建立不同图层后叠加在“一张图”的数据存储层中，实现多专业的“一张图”模式管理；

②数据源层中不按实际坐标(X、Y、Z)绘制的图形，将图形按专题图的方式保存到数据存储层中同一数据平台，协同更新层通过实体属性关联，统一到“一张图”模式的煤矿管理系统；

③根据制图需要，煤矿各专业应用人员结合属性化配置，协同更新层从GIS空间数据库提取部分数据，形成各类专题图形，各专业人员对相应的专题图进行维护，更新后的数据自动同步更新到“一张图”模式的煤矿管理系统的数据存储层上。

7.根据权利要求1所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述具有时态空间数据管理功能，具体采用以下方式进行管理：

①检查变化相关的数据是否存在版本冲突；

②冲突检查完成后，在全局版本记录表中添加一条I D为VN的记录；

③在数据集历史版本表中插入所有变化实体对应的VN历史版本记录，并区别版本类型；

④将变化实体的数据更新到数据集对象表。

8.根据权利要求1所述的“一张图”模式的煤矿管理系统，其特征在于，所述业务应用层采用WMS+WMTS的方案来优化数据的访问能力。