0 引言
目前我国大多数煤矿企业都部署了环境监测、人员定位、视频监控、调度、扩播等系统。为了及时获取各系统运行状况，调度人员需要及时关注不同系统的数据。图形界面可以呈现系统全景，向调度人员直观地展示监测监控结果。现有部分煤矿安全监测监控系统虽然提供图形界面，但各厂商的标准不一致，呈现效果差别很大，甚至连巷道图的方向都不统一，更无法将各系统的数据叠加在1张图上展示，使得各系统成为“信息孤岛”，无法实现联动效应。针对该问题，本文根据《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》要求，提出了煤矿多系统“一张图”融合联动平台设计方案：采用基于开源的WebGIS数据发布技术，将煤矿不同安全监测监控系统数据集中在统一的GIS平台上进行展示，并对各系统设备之间的逻辑关系进行关联，使各系统融合为一个整体，实现多系统联动效应。
1 煤矿多系统“一张图”融合联动平台架构
煤矿多系统融合包括人员(车辆)定位、调度、扩播、视频监控、电力监控、机电设备故障诊断等系统的融合。针对目前各系统分属不同厂商开发的现状，需要研发统一的融合联动通信接口，制定标准通信协议。根据各系统特点，对于监测类系统采用基于XML+HTTP的WebService数据交互技术，自动化、控制类系统采用OPC数据交互技术设计通信接口。通过不同接口之间的转换，实现各系统之间的数据请求和获取。所有相关数据采用“一张图”模式[1-3]的GIS平台进行展示。煤矿多系统“一张图”融合联动平台架构如图1所示。
煤矿多系统“一张图”融合联动平台以安全监控系统为主体进行多系统数据融合，GIS平台从通信接口获取对应信息，主要包括：① 获取某区域(读卡机位置附近)人员、车辆位置信息和读卡机工作状态并进行显示。② 通过GIS平台上视频图标标记，调用相应API函数或http地址与视频服务器连接，以弹窗模式显示该位置的实时视频。③ 通过OPC通信接口获取电力监控系统监测数据及设备馈电状态数据。
在数据融合基础上，煤矿多系统“一张图”融合联动平台通过关联和设置各系统参数，实现系统间关联报警，主要包括：① 将安全监控系统传感器与人员定位系统读卡机ID绑定，当监测区域内监测数据超限、断电报警时，可通过通信接口将数据下发到人员定位系统读卡机或扩播系统设备，进行人员、车辆危险通知或语音扩播警告。② 当人员或车辆进入禁区时，GIS平台可实时显示人员或车辆位置信息，并通过扩播系统进行提示。③ 将安全监控系统中断馈电传感器与电力监控系统设备关联，若馈电状态不一致，则GIS平台进行提示报警。
图1 煤矿多系统“一张图”融合联动平台架构
Fig.1 Structure of coal mine multi-system fusion linkage platform based on "one map"
2 融合联动通信接口设计
在煤矿多系统“一张图”融合联动平台应用中，安全监控系统可作为系统融合的发起方，也可作为支持方。另外，由于煤矿安全监测监控系统一般分属于不同厂商，所以需要制定统一的融合联动协议及通信接口，以便进行数据交互。
以人员定位系统通信接口设计为例，煤矿多系统“一张图”融合联动平台通过定期访问http://IP:PORT/PersonPointDefine/GetPlsPointInfo接口，获取当前井下所有人员的基本信息、人员进入当前基站时间、基站状态等；当前基站关联的传感器发生报警时，通过调用http://IP:PORT/PersonPointDefine/PlsPointAlarm接口使基站发出报警，通知相关人员迅速撤离。人员定位系统融合信息列表描述如图2所示。
煤矿多系统“一张图”融合联动平台基于C/S架构设计，为不同的安全监测监控系统制定了独立的配置模块。用户通过简单配置即可实现系统之间的数据交互。融合联动通信接口配置界面如图3所示。通信接口可根据安全监测监控系统的特点选择多种数据通信方式，如通过Socket方式或厂商提供的API接口实现井下扩播机信息及报警命令下发，通过连接OPC接口获取电力监控系统数据等。
图2 人员定位系统融合信息列表
Fig.2 Fusion information list of personnel location system
图3 融合联动通信接口配置界面
Fig.3 Distribution of communication interface of fusion linkage
3 “一张图”模式的GIS平台设计
煤矿多系统“一张图”融合联动平台中“一张图”模式的GIS平台采用基于GeoServer开源软件的WebGIS数据发布技术设计[4]。采用WebGIS展示安全监控系统设备实时状态或人员定位系统中人员运行轨迹的研究[5]，为在“一张图”中展示多系统数据奠定了基础。
3.1 WebGIS应用设计
“一张图”模式的GIS平台的WebGIS应用设计如图4所示。在GeoServer工作区中发布一套公用底图。前端通过地图管理器调用OpenLayers访问WMS(Warehouse Management System，仓库管理系统)，将底图在浏览器中显示出来。WebGIS上展示的各系统被抽象成系统服务，可根据煤矿实际情况配置是否启用，由服务管理器来启动或停止。每个服务至少包含1个设备图层，可根据需要显示或隐藏。为减少系统耦合性，各服务完全独立，仅通过消息与其他服务通信。
图4 WebGIS应用设计
Fig.4 WebGIS application design
前端分为编辑和监控2种模式。在编辑模式下，管理员从设备树中将各系统设备拖拽到底图相应位置。设备管理器将该设备添加到系统对应的设备图层中，并通过Ajax请求将设备编号、坐标等信息发送给后端位置服务，保存在数据库中[6-7]。在监控模式下，各系统中已安排位置的设备会显示在对应设备图层中，定时更新数据和状态，实现在“一张图”上展示多系统数据。
在该WebGIS应用设计模式下，管理员只需维护1份底图，大大减少了工作量，且不会出现底图互相冲突的情况；管理员能够以“所见即所得”的方式安排设备位置，解决了因缺少设备坐标而无法自动布置的问题，后期维护工作量很小；各系统可独立运行，减少了系统耦合性，方便部署、维护和扩展。
3.2 多系统融合
3.2.1 多系统设备关联方法
各系统设备间存在一定的逻辑关联，如某区域瓦斯超限时，应触发该区域内井下扩播系统设备发出报警，并通过该区域内人员定位系统基站向相关人员发送撤离通知。要实现多系统设备关联，需要从区域中筛选出相关设备，具体步骤：① 在WebGIS中绘制一个区域。该区域可能是不规则图形，因此调用OpenLayers绘图交互(ol.interaction.Draw)功能绘制一个多边形(ol.geom.Polygon)。② 获取多边形的几何形状(ol.geom.Geometry)。③ 通过该几何形状的intersectsCoordinate方法，与某一设备图层中所有设备坐标进行对比，将坐标位于该区域的设备加入集合。④ 重复步骤③，直到所有的设备图层检查完毕。⑤ 返回坐标位于该区域的设备集合。
采用该多系统设备关联方法时，计算完全在前端实现，无需使用网络要素服务，简单灵活。但由于二维GIS的局限性，有些在平面上距离较近的设备，可能会处于不同的水平位置，实际上并不在同一区域，此时需要辅以人工判断。接下来设置设备间的逻辑关系，并发送给后端业务服务，保存在数据库中。在煤矿多系统“一张图”融合联动平台中，安全监控系统的传感器是关联的发起者，其他系统设备是关联的响应者。
3.2.2 多系统融合展示
多系统融合展示(以关联报警展示为例)流程如图5所示。当后端业务服务监测到安全监控系统的关键传感器发生报警时，将“关联报警”消息通过WebSockets推送给前端安全监控服务[8]。“关联报警”消息包含触发报警的传感器编号、报警内容、关联系统的设备编号。使用WebSockets实现事件驱动响应，前端无需通过轮询后端服务获取数据，大幅减少了前端等待时间，提升了服务器响应能力[9-10]。
图5 多系统融合关联报警展示流程
Fig.5 Display flow of relative alarming of multi-system fusion
安全监控服务通过CustomEvent[11]广播“关联报警”消息。所有监听“关联报警”消息的服务都会收到该消息，根据消息中包含的编号查找本系统设备图层中的设备，并执行相应的报警动作。
当后端监测到安全监控系统的关键传感器停止报警时，通过WebSockets将“停止报警”消息推送给前端[12]，安全监控服务通过CustomEvent广播“停止报警”消息，各服务接收到该消息后停止报警。
当安全监控系统中甲烷传感器超限报警时，甲烷传感器、人员定位系统的关联读卡器、井下扩播系统的关联扩播器、视频监控系统的关联摄像头均产生报警动画，且视频监控系统的关联摄像头自动弹出实时监控视频，如图6所示。
图6 多系统融合关联报警界面
Fig.6 Relative alarming interface of multi-system fusion
4 结语
煤矿多系统“一张图”融合联动平台基于“一张图”模式，采用WebGIS数据发布和WebService、OPC数据交互技术，在统一的GIS平台上展示煤矿安全监控、人员定位、视频监控、调度、扩播等系统数据；通过设计融合联动通信接口及关联各系统设备间的逻辑关系，实现各系统融合联动。该平台在满足煤矿安全监控系统升级改造技术要求的同时，可进一步提高煤矿安全生产监测监控水平和监管效率。
参考文献：(References)
[1] 毛善君,杨乃时,高彦清,等.煤矿分布式协同“一张图”系统的设计和关键技术[J].煤炭学报,2018,43(1):280-286.
MAO Shanjun,YANG Naishi,GAO Yanqing,et al.Design and key technology research of coal mine distributed cooperative "one map" system[J].Journal of China Coal Society,2018,43(1):280-286.
[2] 李红玲,肖金榜.煤矿“一张图”概念及其体系结构研究[J].测绘与空间地理信息,2014,37(8):168-171.
LI Hongling,XIAO Jinbang.The concept of coal mine "one-map" and the study of its system structure[J].Geomatics &Spatial Information Technology,2014,37(8):168-171.
[3] 陈国良.煤矿区“一张图”建设的若干关键技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2011.
[4] 张远.基于开源软件的WebGIS研究与实现[D].昆明:云南大学,2015.
[5] 易静.GIS中获取最优路径算法的研究和实现[D].保定:华北电力大学,2012.
[6] 任建刚,李瑞群.煤矿“一张图”系统开发及应用[J].煤炭工程,2018,50(11):63-66.
REN Jiangang,LI Ruiqun.Development and application of one-map system for coal mines[J].Coal Engineering,2018,50(11):63-66.
[7] 刘燕华.煤矿一张图协同机制及关键技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2016.
[8] MDN Web Docs.The WebSocket API (WebSockets)[EB/OL].[2019-04-30].https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebSockets_API.
[9] Websocket.org.HTML5 WebSocket:a quantum leap in scalability for the Web[EB/OL].[2019-04-30].https://www.websocket.org/quantum.html.
[10] AQUIL.IO.A comparison between WebSockets,server-sent events,and polling[EB/OL].[2019-04-30].https://aquil.io/articles/a-comparison-between-websockets-server-sent-events-and-polling.
[11] MDN Web Docs.CustomEvent[EB/OL].[2019-04-30].https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/CustomEvent.
[12] 聂立功,张海军.基于GIS的煤矿井下电力监控管理系统[J].工矿自动化,2013,39(11):93-95.
NIE Ligong,ZHANG Haijun.Underground power monitoring and management system based on GIS[J].Industry and Mine Automation,2013,39(11):93-95.