井下设备设施GIS管理系统设计与实现
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
随着我国经济发展的加速，国家对煤矿的需求也与日俱增，而频繁发生的煤矿事故成为了阻碍煤矿安全生产的原因之一，故根据我国十二五;规划的战略要求，煤矿生产的安全化、信息化和自动化是我国今后发展的重中之重。从煤矿管理思想入手，贯穿整个煤矿管理流程，利用自动化、可视化和安全化的方法将煤矿各个系统进行整合，保障煤矿安全生产。不能放弃现有的自动化系统，将已有系统进行无缝整合，杜绝资源浪费。
在我国采用计算机数据库管理井下设备设施起步较晚，发展速度相对较慢，很多煤矿对设备设施管理重视程度不高。据关于部门对我国 13 个综采工作面的数据统计，在影响采煤机工作开机率的 14 类事故中，井下设备事故约占总事故的 30%左右，对我国煤矿生产造成了较大的经济损失。
目前我国井下设备设施管理的主要方法和流程为： 在CAD格式的井下电气设备布置图上标注设备设施的地理坐标，定期更新，完成设备设施的位置管理。定期派专业人员下井，检查机电设备运行状况，并填写相关报表，完成对机电设备运行现实的管理。若设备发生故障，则故障设备所在采区停电停工，更换库存设备后恢复生产，并将故障设备运送至地面进行维修。
上述管理模式存在的缺陷包括：缺乏专业的设备设施管理软件，无法实现办公自动化，对各类设备台账报表的快速生成、统计和分析。无法在计算机上通过专业 GIS 软件完成对设备设施的可视化管理，快速直观了解设备设施的现实、库存和历史维修记录等信息。无法在计算机上通过采掘工程平面图准确、直观了解设备设施空间位置分布和相互连接关系。
伴随计算机科学、GIS 技术和地理信息技术的快速发展，如何利用 GIS 系统强大的图形和属性数据处理功能，分类整理井下设备设施在巷道的空间位置分布、相互连接关系和属性信息，以便能够以可视化方式实时了解井下设备设施的运行状况，促进煤矿安全生产，提高设备的使用效率，本文将对此进行探索和研究。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国内外研究现状
国内有诸如北京芯力达科技有限公司的煤矿企业安全生产系统，徐州中矿鹏博士软件科技有限公司的煤矿安全生产指挥信息系统等。北京芯力达科技有限公司的煤矿企业安全生产系统本身架构合理，但是主要采用视频监控器与固定电话结合的方式作为监控机电的手段，仅在排水等环节采用先进的传感器进行监控，无法做到巷道最优路径计算选择，井下人员网络定位。徐州中矿鹏博士软件科技有限公司的煤矿安全生产指挥信息系统对地籍分类，地图操作有深入的研究，但是对于煤矿井下安全信息化管理的细节有着不少缺陷。
1.2.2 发展趋势
利用先进传感器实时监测设备设施各项属性数据，自动操作数据库更新设备设施台账信息，通过先进的机械模型分析数据阈值，构建煤炭事故知识库，判断故障等级，自动预警及处理故障信息，自动进行最短路径分析，协调生产从而保证煤炭安全生产，未来煤炭设备设施管理的趋势就是：自动化，智能化，安全化。
2 系统总体设计
2.1 系统总体设计
系统设计需要完成系统建模所规定的任务，而且要对设计的系统进行优化。系统设计是把GIS 前期工程中的软件需求转换为软件表示的过程，最初这种表示只是描述软件的总体结构，称为总体设计。
系统的设计任务应该是向下进行的，由设计总体结构开始，通过合理高效额定设计规则，循序渐进深入系统的各个角落，完善系统模块，直至系统的功能模块设计。总体设计任务主要是在对系统与需求的分析基础之上，对系统进行宏观层面的划分（以功能模块为划分准则的子系统）、环境设备配置（软设备与硬设备）、储存数据的方法与规律、系统实现的规划进行安排。系统模块设计主要是根据功能的不同对总系统进行划分，划分为不同的子系统，确定子系统的功能方向，然后以需求分析为基准确定子系统之间的相互关系，然后按照子系统之间的相互关系绘制模块结构图。在这个阶段需要考虑的是：根据什么样的规则将总系统进行划分，划分的子系统有包含哪些功能模块，根据什么样的规则确定子系统间的相互关系，如果判定检测模块结构质量并提出改进意见。为了提高系统的可变性，将整个系统看成一个整体结构，按功能作用分为不同的模块。每一模块只负责需求中的一种功能，这样就可以通过控制模块达到控制功能系统的目的，使得系统更具可变性。为增强系统的控制能力，在输入数据时，可以通过字符匹配对输入数据进行检查防止错误有害数据流入，建立层次性的权限系统，保证系统数据安全。总体设计要根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的硬件配置，规定系统采用的合适技术规范，以保证系统总体整体目标的实现。
2.2 逻辑结构设计
井下设备设施GIS 管理系统的逻辑架构可划分为五个层次两个体系，分别是基础设施层、数据管理层、数据访问层、业务逻辑层、用户层、信息化标准体系和信息安全防护体系。
（1）基础设施层
基础设施层包括井下设备设施 GIS 管理系统所需要的硬件设备包括：网络设备、服务器、操作系统等。
（2）数据管理层
数据管理层管理对象包括了所需的各类数据、通过对数据进行分类管理，基于大型数据库管理系统搭建设备设施台账数据库与设备设施空间数据库，通过完善数据存储管理基础设施建设，统一规划软硬件和网络环境，统一数据资源管理，为各应用服务的数据访问、管理、共享提供有效支撑。数据层采用 Oracle数据库进行数据的管理，设备设施空间数据库所需的空间数据采用 Geodatabase 进行统一管理。数据准备阶段，利用Geodatabase 进行数据的编辑、整理、建模与分析，将成果数据统一更新到空间数据库中进行发布。
（3）数据访问层
数据访问层是支持各专业应用服务的基础，通过 ADO.NET、CSLA、微软企业类库等方式提供对基于二维关系表进行管理的属性数据访问支持，通过 FTP 提供各类文档资料的远程存取访问支持。
（4）业务逻辑层
业务逻辑集中、直观地体现系统的各项应用功能。
（5）用户层
用户层根据系统的相关服务对象的特定需求，构建符合不同层次用户的界面。
3 开发工具与系统技术................... 10
3.1 程序架构选择........................ 10
3.1.1 B/S 架构的特点.......................... 10
3.1.2 C/S 架构的特点 ................... 11
4 功能设计与系统实现 .................. 22
4.1 陕西红石岩煤矿设备管理概况 .................... 22
4.2 系统需求分析...................... 22
4.3 系统建模............ 24
5 总结..................... 42
4 功能设计与系统实现
4.1 系统需求分析
系统需求分析的主要目的是：需求分析者在充分理解客户的需求后，将客户需求按照一定的规格以系统需求说明书表现出来，说明书必须完整、真实、确定、表述清楚。
以陕西省红石岩煤矿数字矿山系统设计与实现项目为例，通过与红石岩煤矿机电科科长、副科长和科员的充分沟通，进入井下实地观察设备设施运转情况与管理流程。
（1） 设备采购流程
由使用单位提交设备采购申请表，提供采购设备的设备名称、设备型号、设备用途、设备数量、设备单价和所需金额等相关信息，由机电科负责人审核批准后，供应商负责购买设备。购置完毕后，由机电科和使用单位一同开箱验收，验收合格后赋予其全矿唯一的编号
（2） 设备日常运行流程
各个分监区每周下井对设备设施进行质量检查工作，对设备的使用情况、磨损程度以报表的形式进行管理，月底将质量检查报告交由机电科进行统一汇总管理。 机电科每年年底对设备设施进行检修，检查设备是否需要修理，将检修见过以报表的形式汇总管理。
（3） 设备检修流程
每年定期进行统一维修检查，检修前提交设备检修计划表，提供维修设备的名称、型号、编号、纠防措施和负责人等信息。由专业人员进行检修，检修完毕后提交设备检修表。
当设备运行时发生故障，由使用单位自行检修，检修记录自行保存。
5 总结
本文系统的探讨了设备设施空间数据与台账数据数据库模型的设计与实现方法，设计了井下设备设施可视化管理的图形数据。利用关系型数据库管理设备设施台账信息、提醒信息等非空间数据。实现了设备设施相关数据一体化管理，探讨了空间数据与非空间数据的结合方式，以及 PLC 综合自动化与 GIS 的结合方式。利用备注模式与专题图模式实现基于煤矿需求的可视化显示，利用空间分析实现设备设施的自动化管理。在应用面向对象的统一建模思想进行软件设计系统的需求分析、总体设计和详细设计，基于ArcEngine 组件进行了井下设备设施 GIS 系统的开发，基本实现了系统所设计的各项功能总结以下结论：
(1)在对我国煤矿设备管理制度的充分了解、调查的基础上，针对煤矿设备管理信息化水平较低、安全隐患多等的特点，通过对现有煤矿设备系统现状的分析研究，提出了将 GIS 的可视化技术应用于煤矿设备管理的方法，除了煤矿机电设备实现信息化管理外，同时还实现机电设备信息的可视化、动态化、具体化，而在图上实现信息管理，实现设备设施管理安全化与自动化。
(2)系统采用了集成式开发地理信息系统的方式，在充分利用了现有组件资源的同时，大大地缩短了开发周期和降低了开发成本。开发出来的系统功能强大，并实现了图形数据和属性数据的统一管理，图层的分层显示，多比例自由缩放，地图的实时绘制，能最大限度地满足煤矿设备管理日常工作的需要。
(3)通过利用 GIS 可视化组件 ArcGIS Engine，以 Visual Studio 软件作为开发平台，研究并建立了基于 GIS 煤矿设备可视化管理系统;，并验证了此种开发方式的可行性和可靠性。
(4)通过基于 GIS 煤矿设备可视化管理系统研究，为我国现有煤矿，尤其是中小型煤矿的设备管理，提供了一种新的管理模式，将有利于提高煤矿企业的综合管理水平，加快煤矿企业的信息化建设，增强企业的竞争优势和可持续发展能力，为企业成为国际先进企业提供了技术保障。
参考文献（略）