龙 杰

（贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵阳 550025）

煤矿瓦斯事故的发生除了与开采方式、自然条件、生成工艺等自然或工程因素有关外，还与煤矿瓦斯地质数据的管理密切相关［1］。在煤矿信息化高速发展的当下，虽然许多煤矿都实现了对瓦斯、地质等生产数据的自动化采集，但是却在数据管理、数据分析层面表现出了相当的滞后性，在数据的综合管理上缺少统一的规范，使得整合不同煤矿的数据变得困难。在日常的生产、管理中，瓦斯地质数据对安全生产具有重要意义，通过分析瓦斯涌量，总结规律可以指导防突预测图的绘制［2］，通过对瓦斯压力、含量信息的跟踪可以指导抽采钻孔的作业，但数据的多源性和管理混乱等问题为煤矿的安全施工带来隐患［3-4］。随着信息化和多学科融合发展趋势的推进，结合GIS技术的煤矿瓦斯系统得以发展，利用GIS提供的空间分析和属性检索功能，能为瓦斯地质信息数据的生产、管理提供支撑，有效提高煤矿生产的安全性［4-5］，并在数据的可视化表达层面得到良好支撑，实现数据与图形的良好结合［6-7］。WebGIS 技术的广泛应用也让煤矿瓦斯数据的共享交互更加便捷［8］。本文基于GIS 技术设计并实现瓦斯地质数据库平台，以期通过信息化手段为煤矿的瓦斯、地质、钻孔等数据的规范化管理提供助力，为瓦斯地质数据的时空规律分析、状态分析等提供数据支撑，达到提升相关数据的日常信息化管理水平的目的。

软件系统的开发流程一般包括需求分析、系统设计、编码、测试和运维五个阶段。需求分析是研发的基础，它确定了系统的功能边界和建设目标。围绕瓦斯地质数据库平台的建设任务，需要充分考虑如下几点：

（1）确定建设目标，包括服务对象、建设内容、展现形式、系统功能、用户角色等，它是系统设计、实施、测试、交付的重要依据，指导了系统整个生命周期的运行。

（2）根据实际生产情况和数据使用情况，梳理数据来源、数据格式、数据结构等信息，以指导系统的数据逻辑构建和数据库的建设。

（3）梳理业务流程，明确平台数据涉及的管理功能，包括数据的录入形式、数据的使用范围、数据呈现方式等。

（4）用户角色的划分，明确系统在录入、查询、使用、管理等方面可能涉及的角色及响应权限。包括：系统管理员、录入员、普通用户、技术人员等。

（5）运行环境和操作界面的确定，包括页面设计、网络环境、硬件环境、软件环境等信息的确定，以指导软件开发的适配性。

根据实际的需求调研和生产应用的需要，确定瓦斯地质数据库平台是建立在数据管理的基础上，包括：矿井信息、煤层信息、坚固性系数信息、放散初速度信息、瓦斯含量点信息、瓦斯压力点信息等数据，提供数据的录入、导出、查询、空间可视化、用户管理、文档管理、文档检索等功能，并基于B/S架构进行系统开发，为实现瓦斯地质数据的规范化管理提供支撑。

2.1 数据表设计

数据库表设计是支撑管理平台正常运作和高效运作的重要部分，数据表的逻辑关联直接影响系统的运行效率和功能模块的操作方式，设计上紧围绕需求分析中明确的业务流程和系统功能展开。对于煤矿管理而言，通常是采用煤矿、矿井、煤层再至具体参数信息，这样的逻辑轴来实现对瓦斯地质数据的查询，因此在设计上充分考虑用户的使用习惯和客观需要，以构建数据规范为目标进行数据表设计。

以煤层信息表为核心，用矿井对象的主键属性来构建矿井到煤层的一对多关系；
通过煤层的主键属性来串联煤层信息到各个具体参数表的一对多关系。系统共分设了瓦斯含量点信息表、瓦斯压力点信息表、放散初速度信息表、工业分析信息表等六张参数表，涵盖了从矿井到煤层、煤层到钻孔、地质等生产上主要涉及的瓦斯地质数据。科学地梳理和设计相关的瓦斯地质数据表是决定系统数据管理规范性的关键，通过整合业务需要和日常管理的需求，整理出的数据表逻辑设计如图1所示。

图1 瓦斯地质数据表逻辑设计图

除上述介绍的瓦斯地质数据表外，本文还围绕信息系统本身的管理需要设计了相关的系统表，包括用户信息表、部门表、角色表、岗位表等，用以支撑系统在权限管理上的多方位综合管理需要；
操作日志表、登陆日志表用以加强系统的操作监控能力，满足系统对加强数据安全性管理的需要；
录入信息表、文档存储表等用来追溯数据的录入、上传行为。

2.2 系统架构设计

系统采用B/S 架构，自上而下分为：展示层、逻辑层、数据层。①展示层，采用Java-Script 语言进行开发，利用开源的WebGIS 框架，为用户提供良好的数据可视化服务，通过提供空间查询、属性查询、文件浏览、数据录入、数据检出等功能来满足用户的信息化管理需要；
②逻辑层，处理用户与后台数据之间的操作逻辑，在此层包装常用的数据分析模型、业务处理逻辑和数据审核逻辑等，简化日常的业务处理操作；
③数据层，为系统提供数据支撑，通过整合关系型数据库和非关系型数据库，提供对多源数据的综合管理能力。

图2 系统架构图

矿井边界数据、瓦斯含量点、瓦斯压力点具有空间坐标信息，因此，可以基于WebGIS 框架构建出一个具有空间可视化能力的地理信息系统，结合网络地图服务，可以让管理者直观地了解到数据的空间分布情况。瓦斯地质数据通常会附有与作业过程和检查验收相关的PDF、DWG、XLS 等格式的文档数据，在数据存储上为了支撑多源数据的导入导出、数据检索等功能，系统引入MinIO 对象存储系统，结合MySQL 数据库可以到达对结构化数据和非结构化数据的快速查询、浏览和下载。

在前文设计的系统架构基础上，开发出了具体的瓦斯地质数据管理平台，其核心功能如下：

（1）数据的录入、审核：平台提供日常的数据管理功能，在数据的录入、导出上，考虑到作业人员的批量操作需要，提供了数据模板，可支撑作业人员的批量导入操作，并提供对多源数据的管理能力，支持多种文档格式的上传、查询,包括：CAD、PDF、WORD、EXCEL 等文档，并在用户权限的允许下支持数据的下载和常用文档格式的在线预览功能；
数据的审核功能主要交由管理员角色来完成，对于管理员而言，有权决定录入数据的合规性，即判断录入的数据是否资料齐全、录入完整、符合系统的采集需要，对于通过审核的数据条目将能够在角色权限范围内提供查询，对于审核不过的数据，管理员可以施行删除、退回或者修改等操作指令。

（2）空间查询：系统提供多种空间查询方式。空间范围查询：用户通过交互式操作在地图上绘制多边形以触发检索条件，该方法能帮助用户快速勾画出兴趣区，并查询出范围内的矿井、瓦斯含量点和瓦斯压力点数据；
空间关联性查询：用户通过下拉框的形式选择感兴趣的矿井，系统会自动跳转视野到对应矿井的空间范围处并标识出矿井边界范围，得益于数据表的逻辑设计，用户可以在地图上通过点击、选择等交互式操作行为查询到矿井范围内涉及的煤层、瓦斯点信息；
条件查询：同样得益于数据表在逻辑设计上的有效关联，系统在支持传统的属性查询能力外，还可以实现对查询到的瓦斯含量点数据、瓦斯压力点数据的空间可视化操作，可以算作是对系统空间关联性查询的逆向操作。

（3）细粒度的权限管理能力：系统考虑到了基于角色、基于部门、基于用户、基于岗位等多方面权限控制行为，可以在管理员角色下实现权限的动态配置，包括对数据录入、文档上传、数据查询、文档下载等操作行为的有效管理，同时，考虑到数据管理的规范性和防止恶意的数据查询、录入行为，在传统的角色权限管理的基础上额外增设了基于行政区化的权限控制能力，管理员能通过乡镇、区县或者省份的空间范围来限制用户的数据查询结果。

图3 属性查询

图4 批量管理

本文在着眼于瓦斯地质数据规范化管理的基础上，进一步探索了GIS技术在煤矿行业的数据分析、数据挖掘、数据可视化方面的有效融合，并取得了如下成果：

（1）将GIS 技术与瓦斯地质数据的动态管理和分析需要进行结合，有效补足了瓦斯地质数据的可视化和查询能力，同时提升了数据的分析维度，为用户的宏观分析和决策提供了良好支撑。

（2）对复杂的瓦斯、地质数据进行了梳理，将日常生产和业务相关的矿井、煤层、钻孔及多种地质参数数据进行规范化的建库建表，实现了对多矿井、多煤层的空间查询、关联查询、复合查询、浏览等功能，极大丰富和方便了用户对瓦斯地质数据的日常管理能力，提高了管理效率。

（3）通过对业务数据和生产数据的认真分类整理，在数据管理上实现了对多源数据的关联查询和多源数据的录入、导出等操作。

本系统已投入实际的生产工作中，为煤矿瓦斯的安全生产和有效治理提供了有力支撑。随着互联网技术的不断发展和应用技术的不断延伸，探索基于4D 地理信息系统技术和大数据分析技术的深度融合在瓦斯地质数据管理方面的应用，势在必行。

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