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摘要: 矿井一通三防工作是煤矿安全管理的重点，建设完备的“矿井一通三防管理系统”能够实现对煤矿通风、防火、防尘、瓦斯防治等工作的信息化和现代化，以信息化的形式，利用先进的地理信息系统（GIS）、计算机图形技术和计算机网络技术对矿井一通三防工作进行管理，从而达到矿井一通三防工作的本质安全型管理。本文就对整个系统的设计和实现进行了研究。
关键词：一通三防;本质安全
1 引言
煤矿生产管理中，安全是头等大事，而“一通三防”又是安全生产的重中之重。多年来的经验和实践也告诉我们，煤矿中大部分的事故是由于在“一通三防”上管理松懈造成的，很多煤矿的事故都是因为“一通三防”上的漏洞而引发的。
建立矿井一通三防管理系统，对矿井的通风系统以地理信息系统的方式进行展示并进行图形化建模与网络解算，同时基于煤矿网络基础实现图纸、报表、各种监测设备的网络化查看，从而提升矿井“一通三防”信息化管理水平。
结合矿井一通三防现状，我们开发了一套基于GIS的本质安全型矿井一通三防管理系统。主要实现如下功能：
（1）实现矿井通风专题图的绘制。基于GIS平台实现了通风系统图、通风网络图、避灾路线图、救灾路线图等通风专题图纸的计算机辅助制图功能。
（2）进行通风阻力测定及网络解算。实现在通风系统图或通风网络图上进行网络模拟解算，可以实现巷道贯通模拟解算、辅助通风模拟解算、可控循环通风模拟解算、火灾影响模拟解算、反风模拟与瓦斯排放等，并可以实现多方案的模拟、比较与决策。
（3）基于Web实现图纸、文档的网络化管理报表的自动计算生成功能。
（4）基于WEBGIS实现远程监控管理。实现基于 WEBGIS的矿井瓦斯监测监控和重点区域设备监测监控功能。
2 系统关键模型
矿井一通三防管理系统是一个经过数据获取、存储、传输、处理、分析与控制等流程处理的复杂系统，是一个业务过程控制的系统程序。一通三防信息化涉及的主体成员主要是包括井下生产人员、地面控制人员、领导决策者、主管部门与政府机构，他们对系统模型均具有不同的应用需求，但都遵循一条原则就是信息按不同业务流程来源于数据控制中心，并为煤矿安全、高效生产管理服务，为煤矿安全生产、指挥调度与决策分析服务。为此，基于数据驱动的流程管理将会提高安全生产管理的效率，同时可降低因安全隐患带来的人员伤亡等，真正服务于安全生产管理。
煤矿一通三防管理信息化的关键模型主要包括统一的数据存储管理模型、信息共享的数据驱动模型、信息共享安全管理模型、基于GIS/WebGIS的数据接口一体化模型等。
（1）统一的数据存储管理模型
如何动态存储与管理煤矿一通三防数据是系统建设与成功应用的重要环节。在现有的煤矿地理信息系统或专业图形处理软件中，一般采用文件进行煤矿空间数据的存储。但随着地理信息系统理论和技术的发展，统一的空间数据库逐渐体现出了优越性。数据库的内容就是经过抽象、收集产生的，是反应现实世界中事物及其联系的，现实世界中的事物反应到人们头脑中，产生想法、概念是一个抽象过程。在抽象过程中使用的方法有丰富的含义，它使人们从现实世界进入信息世界（Information World）（也称概念世界（Concept World）），由信息世界再经过加工并用一定方法来表示，使得数据或信息能进入计算机世界。
如何存储与管理煤矿地测空间数据、通风管理数据、矿井瓦斯地质等危险源隐患数据以及相关评价指标体系数据，是解决矿井一通三防管理信息系统项目建设的核心问题。针对不同数据源采用E-R数据模型、面向对象数据模型以及对象-关系数据模型混合一体化管理相关数据是实现系统应用的最佳解决方案。
实体（Entity）就是指问题域中存在的人、事、物、地点等客观存在的具体事务以及抽象的概念，即现实世界中可区别于其他对象的一个“事件”或一个“物体”，例如，矿井通风机是一个实体。数据库中的实体通过属性集合来描述，例如，通风机的电动机型号、额定电流、额定电压、风量范围、转数、功率等描述这个实体。联系（Relation）是两个或多个实体之间的一种自然的对应关系，例如风机与巷道中位置关系的关联。E-R模型图是实体-关系模型的符号化表示，直观地表示实体的概念模式，是地理实体数据的总体逻辑结构的直接反应，（如图1）为矿井通风机作为实体对象的E-R模型图。
图1 E-R模型图
（2）信息共享的数据驱动模型
矿井一通三防管理模型完全是一个基于分布式网络环境下的不同业务流程上数据变化引发的驱动系统，是一个基于多层数据、信息与任务的协作管理应用模型，如图2为分布式信息共享数据驱动模型。
其頂层是目标任务层，即用户请求需要完成的目标任务组，它是基于不同专业主体成员协调解决冲突、集成数据或信息协作处理完成；中间层是信息层，即为完成不同的目标任务提供所需的信息，包括空间与非空间信息两部分，并在必要时不同信息需要相互协作；底层当然是分布于网络中的异构数据源，含空间与属性等多源数据，它是信息形成的基础，也是一切任务成功处理的基础。随数据源（瓦斯监测监控数据、瓦斯突出监测数据、煤层突出监测数据、设备运行动态监测数据、综合自动化监控数据等）的变化，就可能引发相关安全事故，这必将引起安全生产管理业务流程中相关信息层与任务层的变化，系统用户层（主体成员）必须依据不同的目标任务实现影响煤矿安全生产管理中的各类问题调度分析、预测预报与决策指挥等问题的数据共享应用问题。
数据层、信息层、任务层和用户层之间的通信主要通过Http协议、网络技术和五层元数据等实现，即集中管理的地面控制中心部门可以通过网络通信实现不同类型安全隐患或突发事故问题的处理，同时可以提供给更高一级的主管部门或其他部门应用。
矿井一通三防管理模型是多部门在统一的数据驱动下的智能化信息管理模型，其过程必须严格遵循相关业务流程才能获得最佳效果应用。当前，煤矿企业正逐步实现以人为本、高效安全生产的思路，井下资源开采也正在逐步由粗放密集型向集约型甚至无人开采迈进，实现数字矿山建设与管理。为此，信息化促进煤炭企业工业发展是一种趋势，在煤矿企业安全生产中占有重要地位的一通三防管理信息化、自动化、智能化也将成为必然。
图2分布式信息共享数据驱动模型
（3）基于GIS/WebGIS的数据接口一体化模型
基于GIS/WebGis的数据接口一体化模型，主要基于矿井现有监测系统实现基于GIS的监测数据地图显示功能，在对方提供数据接口的前提下实现监控数据，如瓦斯监控数据、设备监控数据的在线可视化显示，发现问题实现在线报警。
3 系统总体设计
一通三防管理信息系统是在网络环境下实现通风、防火、防尘、瓦斯防治、设备监控于一体的信息化系统，系统是一个支持专业图设计、资料管理、综合业务信息查询和发布、矿井信息统一监测的信息化平台；是一个典型的围绕通风专业数据变化管理的空间信息共享与Web协作平台。为此，煤矿一通三防管理信息系统平台不是孤立存在的，而是典型C/S+B/S体系结构。
系统整体设计面向生产技术层和管理决策层两个层面。实现了基于C/S结构面向生产技术层的通风专题图绘制系统及通风网络解算系统和基于B/S结构面向管理决策层的一通三防内业管理、基于WE BGIS的监测监控系统、重点区域的通防设施运行状态监控系统和危险源预警系统。系统的总体架构图如图3所示。
4 系统功能模块设计
一通三防管理系统主要包括通风专题图形管理系统、通风网络解算系统、通防数据报表管理系统与基于Web的远程实时监测管理系统等，系统集成日常地测动态处理的图形实现通防图形与解算数据的一体化管理，实现数据的集中式管理，具体模块大致可分为面向生产矿井技术层面和面向管理决策层面：
面向生产矿井技术层面用户，主要有：
（1）通风专题图形管理系统。
（2）通风网络解算系统。
（3）矿井通风智能分析系统。
（4）一通三防数据库管理系统。
面向生产矿井的管理决策层用户，主要有：
（1）通防数据报表管理系统。
（2）基于Web的远程实时监测管理系统。
（3）基于WEBGIS的重点区域设备监测监控系统。
（4）信息发布子系统。
在具体的功能模块设计方面，依据科室业务职能划分，将矿井一通三防业务划分为一通三防处室业务、一通三防概况、一通三防专业图纸、矿井通风、瓦斯防治、矿井防灭火、综合防尘、通防技术装备台账、人员管理、矿报报表几个子系统，各子系统实现功能如下：
（1）一通三防处室业务，主要实现矿井通风科和局通风处之间专业文件的上报下发功能。
（2）一通三防概况，主要实现矿井一通三防概况的网络化管理，包括通风方式、通风方法、矿井瓦斯等级、主通风机情况、通风旬报、通风月报、通风季报、通风年报的管理，基于集团公司及矿井局域网实现通防基础数据的查询和填报。
（3）一通三防专业图纸，主要实现矿井一通三防各类专题图形，包括通风系统图、通风立体图、通风网络图、防尘系统图、防灭火系统图、瓦斯抽放系统图、灌浆系统图、安全监测系统图、避灾路线图、救灾路线图的计算机辅助制图功能及基于局域网、浏览器、客户端插件技术的远程浏览功能。
（4）矿井通风，主要针对矿井通风情况实现测风报表的远程录入、风量自动计算、通风设施台账及其设施检查情况、矿井局部通风台账、矿井风阻、巷道贯通情况、配风月计划、矿井通风作业计划、气体分析化验单等进行远程填报及在线浏览查看。
（5）防治瓦斯，主要针对矿井瓦斯防治部门，实现瓦斯检查计划、瓦斯排放情况、瓦斯日报和月报、瓦斯抽放情况、瓦斯月份安全技术装备台账、防治突出技术措施、石门揭煤工作面危险性预测、掘进工作面危险性预测、采煤工作面危险性预测、月份抽放量台账、煤与沼气突出记录等进行远程填报及在线浏览查看。
（6）矿井灭火，主要针对矿井防灭火部门，实现矿井灌浆管路台账、防火密闭台账、防灭火检查记录单等进行远程填报及在线浏览查看。
（7）综合防尘，主要针对矿井防尘部门，实现对供水管路台账、防尘设施台账、巷道冲刷情况、粉尘浓度测定情况等进行远程填报及在线浏览查看。
（8） 通防技术装备台账，主要针对一通三防的技术装备台账情况，包括装备的规格型号、使用情况、检修情况等进行在线的查询和预警功能。
（9）监测联网及设备监控，主要針对井下瓦斯实时数据和井下重点区域设备运行情况，实现基于GIS的监测数据联网及设备运行状态和运行参数的在线查询。
5 系统现场应用情况
系统建成以后，进行了现场安装使用，系统实际运行良好，在提高煤矿一通三防安全生产，建设本质安全型矿井方面有非常重要的意义，归纳如下：
（1）为通风科专业技术人员提供了方便的计算机辅助制图功能，经过现场的培训指导，技术人员均能够利用系统绘制各种通风专题图，同时可利用系统提供的网络解算算法进行通风网络解算，从而大大减轻了其日常工作中的负担，提高了制图和计算的精度。
（2）为通风科和集团公司相关领导提供了基于GIS的瓦斯监测监控功能，结合GIS图纸和井下实时监测数据实现了监测信息的在线监测和声光报警功能。
（3）通过对重点区域的设备监控功能，实现了对矿井重点区域的设备参数查询和运行状态监控，通风科和矿领导可直接通过浏览器查看到设备运行信息。
（4）为通风科和集团通风处之间搭建了统一的数据存储平台，数据的同根同源性保证了数据来源的唯一性，同时消除了数据冗余，矿井填报内容可根据条件在集团公司自动进行汇总，实现了报表的自动生成功能，基于集团公司局域网实现了报表、图纸、文档的远程在线浏览。
参考文献：
[1] 黄群英，毛善君，李梅，卢鹏. 基于三层B/S结构的一通三防管理信息系统[J]. 煤炭工程
[2] 卢青，魏威. “一通三防”可视化管理系统的研究与应用[J].煤炭科技，2004（4）：3-4
[3]张绍敏，王敏，等.煤矿安全信息管理系统的开发与应用[J].采矿技术，2005，5(1)：61-62
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：一通三防;本质安全
1 引言
煤矿生产管理中，安全是头等大事，而“一通三防”又是安全生产的重中之重。多年来的经验和实践也告诉我们，煤矿中大部分的事故是由于在“一通三防”上管理松懈造成的，很多煤矿的事故都是因为“一通三防”上的漏洞而引发的。
建立矿井一通三防管理系统，对矿井的通风系统以地理信息系统的方式进行展示并进行图形化建模与网络解算，同时基于煤矿网络基础实现图纸、报表、各种监测设备的网络化查看，从而提升矿井“一通三防”信息化管理水平。
结合矿井一通三防现状，我们开发了一套基于GIS的本质安全型矿井一通三防管理系统。主要实现如下功能：
（1）实现矿井通风专题图的绘制。基于GIS平台实现了通风系统图、通风网络图、避灾路线图、救灾路线图等通风专题图纸的计算机辅助制图功能。
（2）进行通风阻力测定及网络解算。实现在通风系统图或通风网络图上进行网络模拟解算，可以实现巷道贯通模拟解算、辅助通风模拟解算、可控循环通风模拟解算、火灾影响模拟解算、反风模拟与瓦斯排放等，并可以实现多方案的模拟、比较与决策。
（3）基于Web实现图纸、文档的网络化管理报表的自动计算生成功能。
（4）基于WEBGIS实现远程监控管理。实现基于 WEBGIS的矿井瓦斯监测监控和重点区域设备监测监控功能。
2 系统关键模型
矿井一通三防管理系统是一个经过数据获取、存储、传输、处理、分析与控制等流程处理的复杂系统，是一个业务过程控制的系统程序。一通三防信息化涉及的主体成员主要是包括井下生产人员、地面控制人员、领导决策者、主管部门与政府机构，他们对系统模型均具有不同的应用需求，但都遵循一条原则就是信息按不同业务流程来源于数据控制中心，并为煤矿安全、高效生产管理服务，为煤矿安全生产、指挥调度与决策分析服务。为此，基于数据驱动的流程管理将会提高安全生产管理的效率，同时可降低因安全隐患带来的人员伤亡等，真正服务于安全生产管理。
煤矿一通三防管理信息化的关键模型主要包括统一的数据存储管理模型、信息共享的数据驱动模型、信息共享安全管理模型、基于GIS/WebGIS的数据接口一体化模型等。
（1）统一的数据存储管理模型
如何动态存储与管理煤矿一通三防数据是系统建设与成功应用的重要环节。在现有的煤矿地理信息系统或专业图形处理软件中，一般采用文件进行煤矿空间数据的存储。但随着地理信息系统理论和技术的发展，统一的空间数据库逐渐体现出了优越性。数据库的内容就是经过抽象、收集产生的，是反应现实世界中事物及其联系的，现实世界中的事物反应到人们头脑中，产生想法、概念是一个抽象过程。在抽象过程中使用的方法有丰富的含义，它使人们从现实世界进入信息世界（Information World）（也称概念世界（Concept World）），由信息世界再经过加工并用一定方法来表示，使得数据或信息能进入计算机世界。
如何存储与管理煤矿地测空间数据、通风管理数据、矿井瓦斯地质等危险源隐患数据以及相关评价指标体系数据，是解决矿井一通三防管理信息系统项目建设的核心问题。针对不同数据源采用E-R数据模型、面向对象数据模型以及对象-关系数据模型混合一体化管理相关数据是实现系统应用的最佳解决方案。
实体（Entity）就是指问题域中存在的人、事、物、地点等客观存在的具体事务以及抽象的概念，即现实世界中可区别于其他对象的一个“事件”或一个“物体”，例如，矿井通风机是一个实体。数据库中的实体通过属性集合来描述，例如，通风机的电动机型号、额定电流、额定电压、风量范围、转数、功率等描述这个实体。联系（Relation）是两个或多个实体之间的一种自然的对应关系，例如风机与巷道中位置关系的关联。E-R模型图是实体-关系模型的符号化表示，直观地表示实体的概念模式，是地理实体数据的总体逻辑结构的直接反应，（如图1）为矿井通风机作为实体对象的E-R模型图。
图1 E-R模型图
（2）信息共享的数据驱动模型
矿井一通三防管理模型完全是一个基于分布式网络环境下的不同业务流程上数据变化引发的驱动系统，是一个基于多层数据、信息与任务的协作管理应用模型，如图2为分布式信息共享数据驱动模型。
其頂层是目标任务层，即用户请求需要完成的目标任务组，它是基于不同专业主体成员协调解决冲突、集成数据或信息协作处理完成；中间层是信息层，即为完成不同的目标任务提供所需的信息，包括空间与非空间信息两部分，并在必要时不同信息需要相互协作；底层当然是分布于网络中的异构数据源，含空间与属性等多源数据，它是信息形成的基础，也是一切任务成功处理的基础。随数据源（瓦斯监测监控数据、瓦斯突出监测数据、煤层突出监测数据、设备运行动态监测数据、综合自动化监控数据等）的变化，就可能引发相关安全事故，这必将引起安全生产管理业务流程中相关信息层与任务层的变化，系统用户层（主体成员）必须依据不同的目标任务实现影响煤矿安全生产管理中的各类问题调度分析、预测预报与决策指挥等问题的数据共享应用问题。
数据层、信息层、任务层和用户层之间的通信主要通过Http协议、网络技术和五层元数据等实现，即集中管理的地面控制中心部门可以通过网络通信实现不同类型安全隐患或突发事故问题的处理，同时可以提供给更高一级的主管部门或其他部门应用。
矿井一通三防管理模型是多部门在统一的数据驱动下的智能化信息管理模型，其过程必须严格遵循相关业务流程才能获得最佳效果应用。当前，煤矿企业正逐步实现以人为本、高效安全生产的思路，井下资源开采也正在逐步由粗放密集型向集约型甚至无人开采迈进，实现数字矿山建设与管理。为此，信息化促进煤炭企业工业发展是一种趋势，在煤矿企业安全生产中占有重要地位的一通三防管理信息化、自动化、智能化也将成为必然。
图2分布式信息共享数据驱动模型
（3）基于GIS/WebGIS的数据接口一体化模型
基于GIS/WebGis的数据接口一体化模型，主要基于矿井现有监测系统实现基于GIS的监测数据地图显示功能，在对方提供数据接口的前提下实现监控数据，如瓦斯监控数据、设备监控数据的在线可视化显示，发现问题实现在线报警。
3 系统总体设计
一通三防管理信息系统是在网络环境下实现通风、防火、防尘、瓦斯防治、设备监控于一体的信息化系统，系统是一个支持专业图设计、资料管理、综合业务信息查询和发布、矿井信息统一监测的信息化平台；是一个典型的围绕通风专业数据变化管理的空间信息共享与Web协作平台。为此，煤矿一通三防管理信息系统平台不是孤立存在的，而是典型C/S+B/S体系结构。
系统整体设计面向生产技术层和管理决策层两个层面。实现了基于C/S结构面向生产技术层的通风专题图绘制系统及通风网络解算系统和基于B/S结构面向管理决策层的一通三防内业管理、基于WE BGIS的监测监控系统、重点区域的通防设施运行状态监控系统和危险源预警系统。系统的总体架构图如图3所示。
4 系统功能模块设计
一通三防管理系统主要包括通风专题图形管理系统、通风网络解算系统、通防数据报表管理系统与基于Web的远程实时监测管理系统等，系统集成日常地测动态处理的图形实现通防图形与解算数据的一体化管理，实现数据的集中式管理，具体模块大致可分为面向生产矿井技术层面和面向管理决策层面：
面向生产矿井技术层面用户，主要有：
（1）通风专题图形管理系统。
（2）通风网络解算系统。
（3）矿井通风智能分析系统。
（4）一通三防数据库管理系统。
面向生产矿井的管理决策层用户，主要有：
（1）通防数据报表管理系统。
（2）基于Web的远程实时监测管理系统。
（3）基于WEBGIS的重点区域设备监测监控系统。
（4）信息发布子系统。
在具体的功能模块设计方面，依据科室业务职能划分，将矿井一通三防业务划分为一通三防处室业务、一通三防概况、一通三防专业图纸、矿井通风、瓦斯防治、矿井防灭火、综合防尘、通防技术装备台账、人员管理、矿报报表几个子系统，各子系统实现功能如下：
（1）一通三防处室业务，主要实现矿井通风科和局通风处之间专业文件的上报下发功能。
（2）一通三防概况，主要实现矿井一通三防概况的网络化管理，包括通风方式、通风方法、矿井瓦斯等级、主通风机情况、通风旬报、通风月报、通风季报、通风年报的管理，基于集团公司及矿井局域网实现通防基础数据的查询和填报。
（3）一通三防专业图纸，主要实现矿井一通三防各类专题图形，包括通风系统图、通风立体图、通风网络图、防尘系统图、防灭火系统图、瓦斯抽放系统图、灌浆系统图、安全监测系统图、避灾路线图、救灾路线图的计算机辅助制图功能及基于局域网、浏览器、客户端插件技术的远程浏览功能。
（4）矿井通风，主要针对矿井通风情况实现测风报表的远程录入、风量自动计算、通风设施台账及其设施检查情况、矿井局部通风台账、矿井风阻、巷道贯通情况、配风月计划、矿井通风作业计划、气体分析化验单等进行远程填报及在线浏览查看。
（5）防治瓦斯，主要针对矿井瓦斯防治部门，实现瓦斯检查计划、瓦斯排放情况、瓦斯日报和月报、瓦斯抽放情况、瓦斯月份安全技术装备台账、防治突出技术措施、石门揭煤工作面危险性预测、掘进工作面危险性预测、采煤工作面危险性预测、月份抽放量台账、煤与沼气突出记录等进行远程填报及在线浏览查看。
（6）矿井灭火，主要针对矿井防灭火部门，实现矿井灌浆管路台账、防火密闭台账、防灭火检查记录单等进行远程填报及在线浏览查看。
（7）综合防尘，主要针对矿井防尘部门，实现对供水管路台账、防尘设施台账、巷道冲刷情况、粉尘浓度测定情况等进行远程填报及在线浏览查看。
（8） 通防技术装备台账，主要针对一通三防的技术装备台账情况，包括装备的规格型号、使用情况、检修情况等进行在线的查询和预警功能。
（9）监测联网及设备监控，主要針对井下瓦斯实时数据和井下重点区域设备运行情况，实现基于GIS的监测数据联网及设备运行状态和运行参数的在线查询。
5 系统现场应用情况
系统建成以后，进行了现场安装使用，系统实际运行良好，在提高煤矿一通三防安全生产，建设本质安全型矿井方面有非常重要的意义，归纳如下：
（1）为通风科专业技术人员提供了方便的计算机辅助制图功能，经过现场的培训指导，技术人员均能够利用系统绘制各种通风专题图，同时可利用系统提供的网络解算算法进行通风网络解算，从而大大减轻了其日常工作中的负担，提高了制图和计算的精度。
（2）为通风科和集团公司相关领导提供了基于GIS的瓦斯监测监控功能，结合GIS图纸和井下实时监测数据实现了监测信息的在线监测和声光报警功能。
（3）通过对重点区域的设备监控功能，实现了对矿井重点区域的设备参数查询和运行状态监控，通风科和矿领导可直接通过浏览器查看到设备运行信息。
（4）为通风科和集团通风处之间搭建了统一的数据存储平台，数据的同根同源性保证了数据来源的唯一性，同时消除了数据冗余，矿井填报内容可根据条件在集团公司自动进行汇总，实现了报表的自动生成功能，基于集团公司局域网实现了报表、图纸、文档的远程在线浏览。
参考文献：
[1] 黄群英，毛善君，李梅，卢鹏. 基于三层B/S结构的一通三防管理信息系统[J]. 煤炭工程
[2] 卢青，魏威. “一通三防”可视化管理系统的研究与应用[J].煤炭科技，2004（4）：3-4
[3]张绍敏，王敏，等.煤矿安全信息管理系统的开发与应用[J].采矿技术，2005，5(1)：61-62
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。