1、第28卷第4期2008年12月西安科技大學學報JOURNALOFXIANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.28No14Dec12008文章編號:1672-9315(2008)04-0711-053GIS系統(tǒng)在礦井救援機器人中的設計與應用賈建華,桑玲玲(西安科技大學測繪科學與技術學院,陜西西安710054)摘要:區(qū)別于以往的礦井管理系統(tǒng),礦井救援機器人自主導航GIS系統(tǒng)主要面向煤礦救援機器人,建立井下巷道空間數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)圖形與屬性信息雙向查詢;型,;,實現(xiàn)井下巷道三維場景模擬,的現(xiàn)狀和技術水平,S系統(tǒng)。以滿足機器人定位與導航的需要,從而提高我國煤礦關鍵詞:;

2、定位;導航中圖分類號:TD77P91文獻標識碼:A0引言針對我國煤礦事故頻發(fā),且救援水平較低的現(xiàn)狀,研究適用于井下發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸等重大事故后,能夠代替人及時進入事故現(xiàn)場,監(jiān)測井下環(huán)境狀況、準確地判斷井下作業(yè)人員的受困位置以及獲取環(huán)境信息的煤礦救援機器人系統(tǒng),實現(xiàn)煤礦災后科學救援,最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失,從而提高我國煤礦安全事故的救援水平具有非常重要的意義。本文依據(jù)當前我國煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)狀和技術水平,研究一種適用于救援機器人運行的地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS),以實現(xiàn)機器人在井下巷道中的定位與導航。將GIS技術引入礦井災害應急救援管理工

3、作中,使礦井災后應急救援信息與地理信息有機地結合起來,構建一個基于GIS技術的礦井災害應急救援系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。研究對比了當前流行的GIS軟件,選擇ArcGIS作為系統(tǒng)平臺。該軟件是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(EnvironmentSystemResearchInstitute,ESRI)在全面整合了GIS與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡技術及其他多方面的計算機主流技1,2術之后推出的代表GIS最高技術水平的產(chǎn)品。目前已經(jīng)成為中國地理信息界用戶群體最大、應用領域最廣的GIS技術平臺之一3。在該軟件運行環(huán)境下,將礦井巷道信息與數(shù)字化地圖、GIS系統(tǒng)與煤礦安全管理和監(jiān)控系統(tǒng)相結合,進行礦井救援

4、機器人自主導航GIS系統(tǒng)的設計,實現(xiàn)礦井救援機器人在井下巷道中的自主定位與導航以及最佳救援線路的選擇。1系統(tǒng)的結構和功能設計本系統(tǒng)不僅具備普通礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)的基本功能,而且要通過與機器人的信息傳輸實現(xiàn)其在井下巷道中的定位與導航,因此本系統(tǒng)的結構更復雜(圖1)。同時也要求系統(tǒng)具備如圖2所示的多種功能。本系統(tǒng)主要用來指導機器人在救援過程中的定位與導航,并實時地對運行的路徑進行分析和選擇。3收稿日期:2007-10-23責任編輯:楊忠民基金項目:國家自然科學基金項目(50674075/E041504)作者簡介:賈建華(1953-),男,甘肅民樂人,副教授,博士,主要從事地理信息系統(tǒng)方面

5、的教學與研究.712西安科技大學學報2008年因此必須具有以下功能:井下巷道空間數(shù)據(jù)庫集成與入庫、巷道幾何網(wǎng)絡分析、三維可視化模擬與分析。1)井下巷道空間數(shù)據(jù)庫集成與入庫:如圖2所示,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)入庫,顯示一個多層結構的地圖、地圖的放大和縮小等基本功能,進行圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的交互查詢4,用于實時地圖定位。并圖1系統(tǒng)結構Fig11Thestructureofsystem可根據(jù)機器人實時采集數(shù)據(jù)繪制圖形元素如:點、線、文字等功能。數(shù)據(jù)庫以巷道為基礎數(shù)據(jù),并導入巷道導線點、工業(yè)廣場、井筒、井田邊界等相關數(shù)據(jù)作為輔助信息。2)巷道幾何網(wǎng)絡分析模型構建:根據(jù)井下巷道的空間數(shù)據(jù)庫建立井下巷道幾何網(wǎng)絡,重

6、點在于網(wǎng)絡結構的設計。由于在2維GIS中不能很好地表現(xiàn)井下巷道之間的空間關系,因此需要通過對網(wǎng)絡節(jié)點添加不同的屬性字段以區(qū)圖2系統(tǒng)功能模塊Fig12Functionofsystem分兩個巷道在空間相交還是交錯的情況。本文以采掘工程平面圖上的巷道交叉點作為網(wǎng)絡節(jié)點,通過網(wǎng)絡連接要素建立幾何網(wǎng)絡。3)救援機器人的定位與導航:系統(tǒng)根據(jù)機器人獲取的井下空間信息和環(huán)境信息實現(xiàn)機器人的空間定位,根據(jù)井下巷道的幾何網(wǎng)絡特征和屬性信息,實現(xiàn)機器人的自主導航。系統(tǒng)的網(wǎng)絡分析功能可以實時地選擇機器人運行的最佳路徑。4)三維可視化模擬與分析:由井下巷道空間數(shù)據(jù)庫中的導線點和高程點提供巷道高程數(shù)據(jù),建立井下各層面巷道

7、柵格表面。在設置巷道基準高程時選擇由表面獲取要素圖層的高程,即可在ArcScene模塊中建立多層巷道場景,并控制場景中每個圖層的符號化、三維空間定位和渲染。2關鍵技術2.1井下巷道空間數(shù)據(jù)庫建立5礦井是一種特殊的地理區(qū)域,通常擁有數(shù)百條巷道和大量的通風安全設施,而每條巷道又包含大量的信息,如控制點坐標、巷高及巷寬等,這些繁雜的信息增加了了巷道數(shù)據(jù)庫建立的復雜性。本文以滿足救援機器人所需信息為原則,以主要巷道信息和導線點坐標為主要數(shù)據(jù),以鉆孔、井筒、井田邊界、主要公路等為輔助數(shù)據(jù),對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行詳細設計。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源主要有以下3種。1)礦圖快速矢量化。對于沒有建立信息化管理系統(tǒng)的礦井,必

8、須研制專用數(shù)字化儀對該礦的主要礦圖實現(xiàn)快速矢量化。煤礦通常具有包括井上下對照圖、采掘工程平面圖、礦井通風系統(tǒng)圖等基礎圖件。有的礦井還會有安全監(jiān)控設備布置圖、排水防塵系統(tǒng)圖、井下避災路線圖等。根據(jù)機器人救援需求,首先對以上圖件進行快速矢量化。2)煤礦已有的電子地圖或礦山地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)。根據(jù)我國煤礦信息化的現(xiàn)狀,需要開發(fā)一個數(shù)據(jù)第4期賈建華等:GIS系統(tǒng)在礦井救援機器人中的設計與應用713格式轉換子系統(tǒng),以便將CAD圖件、數(shù)據(jù)庫文件、Excel表以及MGIS的數(shù)據(jù)引入本系統(tǒng)。3)機器人在井下實時采集的各種數(shù)據(jù)。救援機器人的主要工作是探測礦井環(huán)境信息,其中礦井瓦斯?jié)舛鹊男畔⑻綔y是非常重要的信息。2

9、.2開發(fā)井巷網(wǎng)絡分析模型,規(guī)劃救援機器人運行路線2.2.1巷道幾何網(wǎng)絡分析模型構建6。另外還要獲取巷道中的粉塵濃度、溫度、濕度以及機器人的空間定位為了將GIS網(wǎng)絡分析技術應用于井下巷道,需要建立數(shù)字化的井巷網(wǎng)絡模型7。構建井下巷道幾何網(wǎng)絡是實現(xiàn)網(wǎng)絡分析的基礎。其重點在于網(wǎng)絡結構設計,本文以巷道為網(wǎng)絡的邊要素,以巷道交岔點為網(wǎng)絡節(jié)點,通過網(wǎng)絡連接要素建立網(wǎng)絡規(guī)則(圖3)。該模塊主要針對指定網(wǎng)絡設定網(wǎng)絡邊線旗標并進行最佳路徑分析,最后在地圖上顯示分析結果。在地理數(shù)據(jù)庫(Geodatabase)中,(邊)和交叉點數(shù)據(jù)(點),在網(wǎng)絡中是連接的,幾何網(wǎng)絡中是以要素的位置坐標,以字段進行關聯(lián)完全不同。2.

10、2.2事故救援最佳路徑分析煤礦通常有主、副井和1多個風井,和不同類型的巷道選擇最佳路徑,以便機器人盡快到圖3建立幾何網(wǎng)絡流程圖Fig13Flowchatofgeometrynetworkestablishment達出事地點非常重要。決策時首先考慮的是選擇最短路徑,其次是每條巷道是否發(fā)生冒頂、片幫和突水等事故影響通行。另外,還會考慮井下哪些地點有急需救援的人員等無法預見的因素。這就使得救援方案的選擇非常困難。在目前的技術條件下,只有GIS的網(wǎng)絡分析功能才能迅速給出最佳路徑,為救援行動提供決策支持。在ArcGIS中實現(xiàn)的方法是設置一個網(wǎng)絡連通性字段,以決定機器人能否從某巷道通過,另外,給巷道的長度

11、,軌道數(shù)量,巷道類型等影響機器人運行速度的因素賦以不同的權重值。使用ArcGIS的UtilityNetworkAnalyst,網(wǎng)絡分析工具,指定機器人運行的起點和終點,系統(tǒng)便可根據(jù)每條巷道的權系數(shù)和長度計算出在最佳路徑,并在視圖窗口顯示。反映事故發(fā)生后井下可變因素的信息由機器人攜帶的各種傳感器實時采集,通過控制系統(tǒng)傳輸給GIS。而各種影響因素的權系數(shù)則根據(jù)其影響程度在軟件開發(fā)時確定,并輸入屬性庫。2.3井下巷道系統(tǒng)的三維模擬與分析方法8三維空間分析除了對空間對象的位置坐標進行分析外,更重要的是對第三維坐標的分析。利用基礎地形數(shù)據(jù)生成三維地形透視圖,模擬仿真井下巷道,并在此基礎上進行三維空間分析

12、,是礦山地理信息系統(tǒng)研究的一個重要內(nèi)容。在ArcGIS環(huán)境下,利用ArcScene可完成三維場景的生成和可視化表達。礦井巷道可以根據(jù)其高程屬性實現(xiàn)三維顯示,豎井和控制點還可以根據(jù)其深度屬性進行突出顯示,對于傾斜巷道則要生成DEM才能實現(xiàn)三維顯示。煤層巷道根據(jù)煤層頂、底板等高線生成DEM。開拓系統(tǒng)的井筒和大巷可根據(jù)導線點高程經(jīng)過插值后建立DEM。當需要精確的高程數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)采用曲線坐標方法以沿主要巷道的縱剖面圖作為輔助視圖,實現(xiàn)GIS的量測計算功能。3系統(tǒng)開發(fā)方法考慮到采用獨立開發(fā)方式開發(fā)本系統(tǒng)不僅成本高,周期長,而且對開發(fā)者的軟件開發(fā)能力要求很高。9,10所以采用了GIS組件技術(Visual

13、Basic+ArcGIS+ArcGISEngine)集成二次開發(fā)方法。即在VisualBasic6.0環(huán)境中調(diào)用ArcGISEngine組件實現(xiàn)基本的GIS功能,調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)巷道管理信息的功能,對各種數(shù)據(jù)、圖件、分析結果和一些空間數(shù)據(jù)分析方法及綜合評價進行集成,并在實現(xiàn)類似于ArcMap的常用數(shù)據(jù)、視圖管理、查詢等基本功能的基礎上,根據(jù)巷道信息管理的需要,構建友好的用戶界714西安科技大學學報2008年面,從而更好地實現(xiàn)礦井空間數(shù)據(jù)庫管理、巷道信息查詢、空間分析等功能的一體化,并充分利用計算機軟硬件條件,使得系統(tǒng)向高效、實用、獨立的方向發(fā)展。ArcGISEngine提供了大量的高級

14、開發(fā)控件,使開發(fā)人員可以建立或擴展GIS應用程序和創(chuàng)建高質(zhì)量的地圖用戶界面。這些控件包括MapControl、PageLayoutControl、ReaderControl、TOCControl和ToolBarCon2trol。GobleControl、SceneControl。ArcGISEngine包括了ArcObjects的核心功能。Ar2cObjects組件庫的每一個組件中定義不同14ogyframeworkofsystem的類,類下面定義了不同的接口,接口中包含不同的屬性和方法,系,rcObjects開發(fā)具體功能時候,為了獲得實現(xiàn)具體功能所需要的方法(函數(shù)),(函數(shù))的COM類中取得

15、接口的引用。系統(tǒng)開發(fā)的總體技術流程如圖4所示。4結論該系統(tǒng)應用組件化的設計思想,面向煤礦救援機器人,將地理信息系統(tǒng)和煤礦井下巷道管理系統(tǒng)進行集成,為煤礦井下巷道及機器人救援管理提供了一個實用、直觀、便于操作的可視化系統(tǒng)平臺,從而為煤礦救援工作提供了新的模式,能夠有效地提高煤礦救援工作的安全性、時效性和準確性,有著廣泛的應用前景。本文僅僅完成了系統(tǒng)的總體設計和數(shù)據(jù)庫的結構設計,還沒能涉及到數(shù)據(jù)庫及各功能模塊的詳細設計。另外,對于井下巷道的三維模擬與分析仍然存在一些技術上的難題需要解決。同時,由于將機器人用與礦井事故救援還處于理論研究和探討階段,必然還會不斷出現(xiàn)新的問題,例如系統(tǒng)和機器人的數(shù)據(jù)交換

16、問題,以及本系統(tǒng)和礦井安全監(jiān)測、生產(chǎn)運輸?shù)认到y(tǒng)的關系等等,都需要繼續(xù)進行深入的研究與探討。本文的不妥之處歡迎讀者批評指正。參考文獻References1科技部遙感中心.地理信息系統(tǒng)與管理決策M.北京:北京大學出版社,1999.RemoteSensingCenteroftheMinistryofScienceandTechnology.GISandmanagementdecisionM.Beijing:PekingUni2versityPress,1999.2董楓,蔣仲安,高蕊.地理信息系統(tǒng)在礦井災害應急救援中的應用J.礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,34(3):43-46.DONGFeng,JIAN

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