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WebGIS在煤矿防救灾管理系统
内容
    目前,在美国、日本等先进国家,已建立了技术先进、成熟的灾害应急救援联动系统,我国一些城市已经或正在建立城市应急联动系统。我国早在九十年代已经提出,建立各行业特别是高危行业的重大事故应急救援预案:1997年原化学工业部就发出了《关于实施化学事故应急救援预案,加强重大化学危险源管理的通知》;2002年6月颁发的《中华人民共和国安全生产法》,更是将建立特大生产安全事故应急救援预案以法律的形式予以确立。一些石油、化工、电力的企业更是率先建立了重大危险源监控及事故应急响应系统。煤炭行业特大生产安全事故应急联动系统的工作开展较晚,技术手段比较落后,大部分还停留在应急救援程序上墙,事故发生后手工操作阶段,效率低、效果差,在一定程度上制约了煤矿重大事故抢救工作的开展,事故造成的影响及损失巨大。
    WebGIS是Internet和WWW技术应用于GIS开发的产物,是实现GIS互操作的一条最佳解决途径。
    随着Internet和WWW技术的不断发展和提高,WebGIS在各个领域得到前所未有的应用前景,适用的范围非常广泛,可应用于物流、农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、新闻媒体、城市建设、教育、资源(土地、森林、水、矿物、海洋等)、环境、人口、海洋以及军事等几十个领域,如资源合理利用、数字天气预报、灾害监测与评估、灾害模拟和预报、渔场预报、智能交通管理、城市管道管理、在线政府公共信息服务等。
    WebGIS还可以应用于Intranet建立企业/部门内部的网络GIS,可以在科研机构、政府职能部门、企事业单位得到广泛应用。
    WebGIS提供了一种易于维护的分布式GIS解决方案。尽管目前的WebGIS软件提供的空间分析功能很难满足专业应用的需要,但是随着技术的发展,WebGIS终将取代传统的GIS。
    2、WebGIS地理信息系统设计及开发
    峰峰集团公司防救灾联动系统包括矿山应急救援体系、重大危险源辨识专家系统、应急救援地理信息系统平台、应急救援决策支持平台、防救灾应急救援智能联动系统、安全生产及应急救援网络平台、应急救援无线通信系统等7个子系统的庞大系统,其中应急救援地理信息系统平台,采用了面向对象、分布式和互操作为关键特征的WebGIS。
    2.1WebGIS开发基本思想
    WebGIS是基于浏览器/服务器模式的地理信息系统,客户端仅需通过通用的浏览器进行系统操作,简单易用,使得不仅是专业人员,而且普通用户也能方便地获取所需的信息,使得任一Internet用户均可获得WebGIS服务器提供的服务;同时,具有良好的可扩展性和开放性。WebGIS已成为GIS的重要发展方向,各种GIS平台,如国外的Arc/Info、MapInfo和国内的北京超图SuperMapIS和中遥地网GeoBeans等均已推出了相应的WebGIS产品。
    WebGIS从逻辑上可分为三层:客户、Web应用服务器和GIS系统服务器。
    客户:使用Internet标准(如TCP/IP、HTTP、HTML和XML)与Web应用服务器通信来获取GIS应用数据和应用逻辑;
    Web服务器:为WebGIS应用提供数据存取和应用继承等服务,对客户端通过Web页面产生的用户请求根据业务逻辑进行分析处理,产生新的页面,并送回到客户端;
    GIS系统服务器:通过连接器与Web服务器连接,与Web服务器集成起来为客户服务。
    2.2WebGIS开发环境:
    WebGIS的开发环境根据各行业的需求有所不同,WebGIS的开发环境依赖于服务器的操作系统、地理信息系统平台、所用的数据库类型和所用的开发语言。
    目前WebGIS系统从实现模式上主要可以分为两类:采用服务器端策略和采用客户端策略。服务器端策略的WebGIS系统通常是通过CGI(公共网关接口)、ASP(ActiveServerPage)、JSP(JavaServerPage)或ServerAPI实现客户端于服务器之间的交互,达到进行GIS数据处理和分析;客户端策略的WebGIS系统通常是通过GISPlug-in(插件)、ObjectWeb(分布式对象组件结构,基于 DCOM/ACTIVE标准或CORBA/JAVA标准)来进行GIS数据处理和分析。
    在河北峰峰集团的WebGIS系统开发中,根据集团的需求拟出如下开发环境的:
    (1)WebGIS平台:
    根据平台的选择原则,对比了国内外的GIS厂商的产品,我们选择国产的地网GeoBeans作为GIS开发平台。
    地网GeoBeans采用B/S计算模式,由分布在Internet上的客户端、Web服务器、多应用服务器、多数据库服务器以及图形编辑器组成。主要功能包括:栅格与矢量地图的放大、缩小、全图、漫游,栅格与矢量合成操作,属性和空间双向查询,图层控制与鹰眼,空间分析与网络分析,动态制图和三维可视化,分布式计算等。该软件的主要特色包括:跨平台操作,灵活的构件化技术,海量数据支持,开放式体系结构,多种开发模式,客户端兼容矢量和栅格数据操作,基于RMT/CORBA等先进技术,扩展能力较强。系统的文档规范齐全,商品化程度较高。
    (2)服务器操作系统
     根据操作系统的直观性、普遍性、稳定性、安全性和易用性原则,我采用了美国微软的Windows操作系统。
    (3)数据库平台
    在性能价格比以及考虑到稳定性、兼容性、稳定性、安全性和易用性,我们选择美国微软的SqlServer2000数据库平台。
    (4)开发语言
    根据Web编程的特点、各支撑平台的选择以及综合考虑集团公司的需求和系统的稳定性、易扩展性跨平台性,我们拟采用服务器端策略和客户端策略相结合的系统实现模式,所以在在开发语言中,客户端开发语言采用HTML4语言和Javascript语言;客户端开发语言采用当前流行而且成熟的asp语言。
    (5)其他支撑的软件
    本系统的客户端采用JavaApplet策略,所以需要到JAVA虚拟及来支撑运行。由于集团的图形数据大多是用AutoCAD来做,所以在倒入数据方面采用c/s结构。
    2.3系统总体结构设计:
    系统的基本框架采用B/S和C/S相结合的结构,空间数据的更新部分及系统维护部分采用C/S结构,用户查询统计部分采用B/S结构,三层结构的浏览器 /服务器模型(B/S)是当前网络应用程序的主要开发模型(见下图),这种方案将系统划分为三“层”,客户机、网络应用服务器和数据库服务器。B/S结构通过平衡客户机/服务器间的数据通讯,利用服务器的高性能处理复杂的关键性的应用,降低网络数据流量,并简化了客户端的应用运行环境,降低了软件的维护费用。
    (1)浏览器
    进行Web-GIS的设计最重要的一点是在客户端如何显示地图,无论是矢量还是栅格,对于Web-GIS来说,客户端的程序在浏览器中运行,如IE、 Netscape等,为用户服务提供一个可视化的界面,用来接收用户输入以及最终的信息表示。应用IE等浏览器,从Web服务器卸载程序和数据,进行地理信息服务。GeoBeans图形浏览模块,是以Java软件包的形式提供给用户的JavaBeans组件。用户利用这些软件包与HTML、 JavaScript、VBScript语言开发网页。在客户端使用本系统时,尽量不下载控件及安装本系统的软件,保证系统的安全及客户方软件系统的独立性,尽量在客户方做到零维护,同时使客户方的软硬件资源得到充分的利用,以减轻服务端的负担,客户方通过服务方提供服务,通过应用服务器访问数据库。
    用户界面可以通过标准的HTML的表元素的组合来实现,如按纽、文本框、下拉框等,但标准的HTML语言只支持GIF、JPEG格式的图像,而不能读取矢量图形,因此必须将矢量地图在服务器上转换成栅格形式才能下载到客户机上显示。每次客户对地图的操作都要传回到服务器,等待服务器生成新的栅格图像传回来显示,这种方法兼容性强,适用于各种浏览器,对于客户端要求不高,但操作和数据显示不够直观,而JavaBeans组件正好可以解决这个问题。
    (2)分布式应用服务器
    服务器端要负责Web服务器与数据库服务器之间的通信,负担比较大。可以考虑多台应用服务器,进行负载均衡,负责服务端的计算、与数据库服务器交换数据,Web服务,空间数据的发布。多台服务器可以分担不同的任务,如:GIS应用服务器,属性数据搜索、统计计算应用服务器,也可设多台GIS应用服务器,多台Web服务器,系统根据用户访问的数量及系统运算量,进行负载均衡,以确保系统的速度和安全可靠,安装系统的服务端控件及数据库接口。
    系统由下列几部分组成:后台维护计算机组、网络服务器群、应用服务器群、数据库服务器群和用户端,简要描述如下。
    各类用户通过安全认证访问系统,由安全机制作保障。
    (3)系统界面采用框架结构。
    1)系统标题栏(TitleFrame)
    系统标题栏显示系统标题,包括集团名称和系统名称。
    2)图层列表栏(LayerListFrame)
    图层列表栏最好以树形结构列出各项目所涉及到的图层,根节点为项目名,子节点为图层名,同时可控制图层的可视。项目及其图层应动态读取。
    3)工具栏(ToolBarFrame)
    系统操作的基本工具栏。
    4)地图浏览栏(MapFrame)
    浏览地图的窗口。
    5)查询结果栏(ResultFrame)
    如机械设备查询结果等。
    6)编辑操作条件选择栏(ConSelectFrame)
    如在工具栏点击编辑按钮时,给出编辑图层下拉列表框共选择编辑,选中一个图层,添加图元属性输入栏列出相应的属性输入框。
    查询操作也类似。
    7)添加图元属性输入栏(InPutProFrame)
    2.4源数据库设计:
    根据集团公司对WebGIS能进行在线编辑的需求,考虑到当前WebGIS原有平台不支持在线编辑的局限性,本系统决定在图形数据的存取方式采用脱离原有平台的文件格式,把所有数据全部放在数据库中。由于地理信息图形存储的特殊性,所以涉及到图形存储的数据库表结构设置应该是层次性的、关联性的。整个系统设计了矿区表、子系统表(集团公司称之为项目)、图层集信息表、动态演示路线图层集信息表、点、线、面图层表、注记图层表、设备配件表、与图层关联表的信息表、与图层关联表的字段信息表。
    3、系统的应用及主要功能
    系统应用
    河北峰峰集团的WebGIS项目的主要目的是依托于GIS平台,将峰峰集团范围内(包括地上和地下)的电子地图、属性数据以及统计数据相结合,构成峰峰集团WebGIS地理信息系统平台,并将此平台集成到集团公司的门户网站中。通过此平台,实现峰峰集团管辖范围内的地理数据、井下巷道、采掘工作面和各种机械设备数据及其他数据的全面整合,达到数据统一管理和资源共享。同时在此基础上,系统将面向局领导和相关职能部门及时准确的提供统计、分析资料,防救灾模拟及对应采取的方案为领导决策和职能部门办公提供辅助决策手段和辅助分析数据,提高集团公司行政管理工作的科学性、规范性、准确性和及时性。
    WebGIS系统在煤矿中可包括多个子系统,如:采掘工程、运输系统、供电系统、避灾系统、提升系统等。在此,避灾系统在煤矿企业的放救灾管理中尤为重要,该系统可以灵活与现成的安监系统无缝挂接,当发生事故时,能够根据安监系统中的事故类型和发生地点立即在图上显示定位。也能与各个现有系统直接挂接,共享现有系统的数据资源。
    峰峰集团的WebGIS能在线绘制、编辑多条避灾与救灾路线(路径);路线可放在不同的图层,可沿事先设定的避灾路线动态模拟显示避灾人群,能根据可调的速度自动计算避灾所需的时间。河北省峰峰集团的WebGIS项目一开始就考虑到系统的可扩展性,一次编程,多个项目发布,元数据管理模式,在线动态配置。目前该系统应用于集团公司的采掘工程、运输系统、供电系统、避灾系统、提升系统、通风系统,系统运行良好,特别是2004年9月26日集团公司牛儿庄矿,由于小煤矿超层越层开采下三层煤,引发奥灰水通过矿井采空区溃入矿井,最大涌水量达到95m3/min,严重威胁矿井井下380多人的生命安全,调度室在接到事故通报后,立即启动矿井水灾应急救援预案,并实时在各计算机终端动态显示各生产地区避灾路线走向以及避灾路线长度、升井大约需要的时间,救灾指挥部根据系统提供的数据,制订了不同的应急方案,由于采取措施得当,虽然矿井最后被淹,但当时井下380多人都按避灾路线顺利升井。该系统的成功应用受到各个部门领导的好评。
    3.2系统的主要功能
    3.2.1基础空间数据库的资料查询、浏览等基本功能:
    3.2.1.1对地图进行放大、缩小、漫游、复位。
    3.2.1.2图层控制,浏览器端矢量格式显示。
    3.2.1.3支持并发用户,浏览不同的WebGIS项目
    3.2.1.4从信息查询图形,从图形查询信息  
    3.2.1.5选择图元闪烁
    3.2.1.6鹰眼
    3.2.1.7表示出多层数据(各种专题、基础矢量数据的分类,动态显示图层数据)
    3.2.1.8支持多个WebGIS项目的发布;
    3.2.2图形显示
    系统能将各类等级矢量图、以及基础地形图进行分层综合显示,包括图形无级缩放、图形平滑漫游、图形显示“鹰眼”功能。
    3.2.3空间查询
    可对WebGIS系统中的图形信息和属性信息(数据库信息)进行灵活多样的双向空间查询。
    3.2.4其他基本功能
    用IE浏览器能方便显示整个集团公司的总地理图;能导航到下属的各子公司(煤矿或厂);
    能动态模拟显示矿井避灾、救灾路线图;
    能显示各煤矿的地面及井下的设备布置图并动态关联到指定的设备;
    有人员、权限管理,并能集成到企业信息门户网站中;
    能从其他子系统(报表系统中的表格内容)动态关联到设备布置图中的设备;
    能从其他子系统关联到指定的避灾、救灾路线图中;
    动态用户数50个;
    3.2.5避灾、救灾路线图功能
    矿井防火、防水、防瓦斯避灾与救灾路线图、井下供电系统图的图文管理(有WebGIS图文信息的存储、打开、编辑、剪贴、复制、粘贴等基本功能)、图文显示、图文查询;在线动态绘制,动态修改,以及其他基本WebGIS功能;
    CAD等矢量图导入功能;
    能包含基本3维空间的图形属性;主要地点、线段可以设置三维属性,其他线段可以计算出三维属性;
    基本图形绘制功能;
    矿井防火、防水、防瓦斯避灾与救灾路线的在线动态绘制功能:
    要求能在线绘制、编辑多条避灾与救灾路线(路径);
    路线可放在不同的图层,能保存并显示。
    可选择多种、多组图元,绑定到路线上,并沿路线能连续、动态模拟显示人群的移动;
    移动的速度可调;
    有图层管理功能,能独立显示或关闭不同层;
    用户自定义图元功能:
    用户可以绘制或导入一些图元(例如:简单人像、箭头、风门、机电设备等),图元是一些基本(有颜色及填充的)图形组合;
    属性显示及查询
    能设置一些图形、图元的关联属性,点击图形、图元能显示其属性,例如:
    巷道(两条平行线)的属性:高度、宽度、标高,基本图形形状;风机、变压器等设备的属性:型号、功率、电压、电流、厂家、日期;
    外部动态关联
    能从外部子系统动态关联,可以直接调出并显示某指定的避灾与救灾路线图;
    人员、权限管理分设成两级,公司级可以全面管理,二级单位的人员只能编辑、管理自己的图形;有角色或组管理功能,每人属于某个或多个组,具有组所有的功能;系统能集成到企业信息门户网站中;
    3.2.6设备图文档案管理功能
    能处理井下设备布置示意图、地面运输系统图,提升系统图等CAD图形;
    能管理设备技术参数表;有添加、录入、编辑、删除、显示等功能
    能管理每个设备的总图(片)、多个子图(片),能动态关联,并与其各技术参数动态关联;
    报表显示内容与图形动态关联,设备系统图、设备布置图与设备技术参数等信息的动态关联;
    CAD等矢量图导入功能;
    基本图形绘制功能;
    用户自定义图元功能  
    用户可以绘制或导入一些图元(例如:提升机、水泵、风机等机电机械设备等),图元是一些基本(有颜色及填充的)图形组合;
    属性显示及查询
    能设置一些图形、图元的关联属性,点击图形、图元能显示其属性,例如:提升机、风机、变压器等设备的属性:型号、功率、电压、电流、厂家、日期等;
    外部动态关联
    能从外部报表子系统动态关联,可以直接调出并显示某指定的设备的总图或某矿的地面、井下设备布置图等;
人员、权限管理分设成两级,公司级可以全面管理,二级单位的人员只能编辑、管理自己的图形;有角色或组管理功能,每人属于某个或多个组,具有组所有的功能;系统能集成到企业信息门户网站中。
    4.结论
    依据河北省峰峰集团的WebGIS地理信息系统介绍WebGIS在煤矿防救灾管理系统中的开发及应用。实现为以下功能:
    1、WebGIS可用于除了一般数据外的特殊数据类型,尤其是矢量数据的处理,以网络浏览器为应用工作平台,在客户端可以实现对矢量数据的操作,可以在多个客户端实现原来在本机上才能实现的功能,并可通过网络远程调用和发布各类数据、图形、图像。
    2、实现了WebGIS地理信息系统与煤矿井下重大危险源及应急救援数据库的无缝连接。实现了事故后事故地点、事故类型等各类事故信息在地理信息系统中的定位显示。
    3、实现了客户端对WebGIS数据库的实时更新以及事故后煤矿井下避灾事故的动态模拟演示。如随着煤矿井下生产地区的不断变化,实时更新避灾路线等信息,保证事故抢险数据的快速、准确。
    当然,由于各自的空间数据技术策略和实现方案不同,而造成了各WebGIS不能相互兼容和互操作,从而不能根据各自特点进行有机集成。目前,国际万维网协会已推出了基于XML技术的SVG(可扩展矢量图形)描述语言,若用SVG来编码矢量空间数据,则浏览器就可直接显示,对于不同的WebGIS产品,只要将地图数据使用SVG语言编码,就可实现互操作。但,这些技术还不够成熟,需要进一步发展。

 

 
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