导读：原文《18万字应急管理局智慧矿山煤矿数字化矿山技术解决方案WORD》（获取来源见文尾），本文精选其中精华及架构部分，逻辑清晰、内容完整，为快速形成售前方案提供参考。
目 录
第一章 项目概述
1.1项目背景和意义
1.2当前国内外煤矿行业信息化现状
1.2.1国外发展现状
1.2.2国内发展现状
1.3数字化矿山概况
1.3.1 数字化矿山建设历程
1.3.2 数字化矿山建设各阶段关键特征
1.3.3 数字化矿山定义
1.4XX煤矿概况及数字化矿山调研现状
1.4.1XX煤矿概况
1.4.2XX煤矿数字化矿山调研现状
1.5数字化矿山工程建设的目标和原则
1.5.1数字化矿山建设总体目标
1.5.2数字化矿山建设具体目标
1.5.3数字化矿山建设的预期效果
1.5.4数字化矿山建设指导思想
1.5.5数字化矿山建设原则
第二章 数字化矿山建设设计依据与范围
2.1数字化矿山建设设计依据
2.2数字化矿山的建设范围
2.3数字化矿山建设与集团信息化的关系
第三章 数字化矿山架构及建设模型
3.1 数字化矿山系统架构
3.1.1数字化矿山统一的平台或系统规划
3.1.2数字化矿山的六层架构
3.2系统建设的理论支撑和模型研究
3.2.1灰色地理信息系统的理论及技术
3.2.2灰色地理信息系统的相关概念
3.2.3灰色地理信息系统的定义及特征
3.2.4灰色地理信息系统数据模型
3.2.5 GGIS的功能特点
3.3高精度透明化三维动态地质模型和巷道建模
3.3.1矿井三维地质模型的自动构建
3.3.2巷道几何建模
3.3.3高精度透明化三维地质模型的动态生成
3.4面向多部门管理与信息共享应用的管理模型
3.4.1面向多部门协作与信息共享应用模型
3.4.2基于工作流的安全信息分级处理反馈管理模型
3.5矿井重大危险源评价指标体系和方法
3.5.1煤矿重大危险源分级体系
3.5.2评价指标体系构建的原则
3.5.3评价指标体系结构
3.5.4评价指标体系
3.5.5瓦斯、水害评价方法研究
3.6煤矿重大危险源预警模型
3.6.1基于GIS的煤矿重大危险源隐患识别预警模型研究
3.6.2其他数学模型的研究与应用
第四章 数据传输与集成数据处理平台
4.1XX煤矿数据传输平台
4.1.1管理网络
4.1.2工业以太环网（综合自动化网络）
4.1.3接口标准
4.1.4服务器和磁盘阵列
4.1.5网络安全系统
4.1.6网络行为管理系统
4.1.7工业以太环网主干光缆
4.2XX煤矿数据传输系统
4.2.1传输系统设计
4.2.2传输系统功能特点
4.2.3各监测监控网络和以太网的融合
4.3XX煤矿数据仓库、模型及软件平台的集成开发
4.3.1矿山数据仓库
4.3.2软件平台的总体架构设计
4.3.3软件系统与网络集成的总体架构设计
4.4XX煤矿专用GIS的开发和设计
4.4.1开发内容
4.4.2关键技术
4.5三维可视化平台的关键技术开发
4.5.1开发内容
4.5.2关键技术
4.6XX煤矿组态软件平台的设计
4.6.1功能设计
4.6.2软件平台系统设计
4.6.3关键技术
第五章 综合自动化和在线数据监测
5.1综合自动化监控平台
5.2组态软件
5.3综合自动化子系统的建设和接入
5.3.1 综采工作面监控系统
5.3.2 主煤流运输集控系统
5.3.3 井下排水监控子系统（接入）
5.3.4 矿井通风监控系统（接入）
5.3.5 矿井压风机监控系统
5.3.13瓦斯抽放监控系统
5.3.14洗煤厂生产系统（接入）
5.3.15钢丝绳在线检测系统
5.3.16矿井产量监测系统
5.3.17机车信集闭系统
5.3.18综掘工作面监控系统（接入）
5.3.19其他子系统接入
5.3.20集团公司和XX矿系统平台
5.4矿井通讯系统建设
5.4.1矿井调度通讯系统
5.4.2矿井无线通讯系统（wifi方案）
5.4.3矿井无线通讯系统（3G方案）
5.4.4矿井信息引导发布系统
5.4.5矿井IP广播系统
5.5矿井辅助系统建设
5.5.1数字工业电视系统
5.5.2大屏幕显示系统
5.5.3煤矿安全生产三维仿真培训与地质构造透明化3D环幕显示系统
5.5.4综合布线工程
5.5.5机房工程
5.5.6瓦检员巡更系统
5.5.7无人值守灯房系统
第六章 安全生产监测系统
6.1 通风调度大屏显示系统
6.1.1 系统概述
6.1.2 系统设计
6.1.3 系统功能
6.1.4 产品主要指标和技术参数
6.2 安全监测子系统
6.2.1 系统概述
6.2.2 系统设计
6.2.3 系统功能
6.2.4 系统接入
6.3 井下人员定位管理系统
6.3.1系统概述
6.3.2系统组成
6.3.3系统功能
6.7.1 系统概述
6.7.2 系统组成与特点
6.7.3 系统接入
6.8 防火灌浆监控系统
6.9其它安全生产监测监控子系统接入
第七章 数字化矿山软件平台及应用系统
7.1生产技术综合管理系统
7.1.1地测空间管理信息系统
7.1.2防治水管理信息系统
7.1.3地质保障数据处理系统
7.1.4“一通三防”管理信息系统
7.1.5采矿辅助设计系统
7.1.6矿井供电、固定与运输设备选型设计系统
7.1.7调度指挥系统
7.1.8机电设备管理系统
7.1.9质量标准化管理系统
7.1.10煤质、运销管理信息系统
7.1.11基于Web生产技术管理信息系统
7.2安全生产管理信息系统
7.2.1安全管理信息系统
7.2.2安全生产综合管理信息系统
7.2.4矿井应急救援管理系统
7.2.5矿井安全闭环管理系统
7.3煤矿井下危险源识别、预测、预警系统
7.3.1水害识别、预测、预警系统
7.3.2通防危险源识别、预测、预警系统
7.3.3顶板危险源识别、预测、预警系统
7.3.4其他危险源预警
7.4 技术资料数字档案馆系统
7.4.1总体方案说明
7.4.2总体方案架构
7.4.3技术设计方案
第八章 煤矿三维综合管理系统
8.1地质模型、巷道模型和机电设备模型等的建立及可视化
8.1.1地层与断层建模与三维可视化
8.1.2巷道几何建模及可视化
8.1.3钻孔自动建模及可视化
8.1.4工作面、采空区、积水区、异常区等建模与三维可视化
8.1.5 机电设备的建模与三维可视化
8.1.6煤矿管网的建模与三维可视化
2.2数字化矿山的建设范围
1. 从应用范围的角度
2. 从系统建设的角度
（1）煤矿生产综合自动化系统：根据管控一体化思想，结合工业自动化技术，信息化技术，嵌入式技术，网络技术和通讯技术等先进技术，同时通过对矿井生产安全、地测信息以及井巷工程等信息的广泛利用和深度开发，以实现全矿井生产过程集中监控，调度计算机网络化，信息管理决策网络化，全面提升矿井自动化水平，并最终实现建立高产、高效的数字化矿山的目的。
XX煤矿综合自动化系统主要内容包括：
- 矿井综采面监控子系统。
- 主煤流运输集控系统。
- 井下排水自动控制系统。
- 矿井通风机监测系统。
- 矿井压风机监控系统。
- 矿井井下水处理系统。
- 生活水、污水处理监测系统。
- 水源井水处理系统。
- 锅炉房监控系统。
- 主副立井提升机监控系统。
- 副立风井绞车监控系统。
- 电力监测监控系统。
- 瓦斯抽放监测系统。
- 洗煤厂监控系统。
- 钢丝绳在线检测系统。
- 防火灌浆站监测系统。
- 其他子系统接入。
（2）煤矿安全监测监控信息系统：基于网络平台实现所有监测量及其状态和报警信息等实时数据的列表显示；实现所有监测量及其状态和报警信息等实时数据的图示显示，包括实时曲线、直方图和饼图可以对历史数据进行分类汇总分析、统计，报表和图示输出；按监测监控系统的数据采集时间同步更新与集成到三维可视化系统实现直观演示。
XX煤矿安全监测监控系统主要内容包括：
- 安全环境监测子系统。
- 井下人员定位管理子系统。
- 矿压在线监测子系统。
- 水文监测子系统。
- 煤层自燃（束管）监测子系统。
（3）煤矿安全和生产技术综合管理信息系统：系统是在网络环境下基于统一的地理信息系统平台（含2DGIS、WebGIS、三维可视化系统）集地测、生产、通防、安全、机电、设计、调度等专业于一体的系统，系统支持专业设计、资料管理、综合业务信息查询和发布、矿井信息统一监测的信息化平台，包括综合自动化系统与监测监控系统等系统集成应用。系统是一个典型的多部门、多专业、多层次管理的围绕地质、测量、通风、安全数据变化管理的空间信息共享与Web协作平台。
煤矿安全和生产技术综合管理信息系统是采用计算机网络技术、数据库技术、计算机图形学、组件技术及GIS技术等，建设矿山统一的空间数据采集、存储、输出、查询与分析平台，构建服务于生产技术人员的地测、通风、安全、生产技术、调度、机电、运输等专业应用系统平台，在公司网络环境的基础上搭建面向公司管理决策层的WEB服务决策平台，实现多部门多层次井上下数据共享和决策分析，从而进一步提高矿山安全生产管理能力、进一步提升矿山技术水平，为安全生产决策提供技术保障，最终实现集团自下而上的安全生产信息采集，自上而下的安全生产管理调度指挥，基于信息化和管理现代化的本质安全型“数字化矿山”的建设。
数字化矿山建设历程
随着自动化、信息化技术的不断发展及在煤矿行业的逐步应用，我国数字化矿山的建设历程主要分为如下几个阶段（参见图1-2）：
图1-2 数字化矿山的发展历程
目前矿井单一自动化系统基本已经实现，绝大多数单系统，例如主排水、主运输等都已实现了自动化管理。但到目前为此，虽然高速网络及软件技术得到了飞速发展，但数字化矿山建设绝大多数矿井仍然处于浅层次的综合自动化水平，主要实现了地面的远程监测监控。只有在单系统自动化的基础上，通过高速网络接入各单系统，充分数据融合，建立合理的联动机制才能完成从单系统自动化到综合自动化的转变，该部分的转变从投入的资金和实现的容易度相对来讲可实现性和可控性都比较容易，但是从综合自动化向数字化矿山发展，涉及的面比较广，必须由多方共同来推进，一般涉及到“综合自动化”、“空间数字化”及“管理信息化”三大方面，三者缺一不可，通过三者的有机融合，再通过合适的平台例如三维可视化平台进行展示，同时通过科学合理的管理制度和流程加以应用才是真正意义上有血有肉的数字化矿山。这阶段的转变除了需要大量的资金投入，更多的需要理念的转变，相对来说难度较大，数字化矿山同时也是后续矿山数字化发展的基础，在合适的环节加以有效的决策分析系统，必然能够为领导层提供生产经营管理的决策依据，实现向智能矿山的发展，实现这一阶段的转变需要不断的对决策分析系统进行丰满，完成信息化向知识化的转变。
数字化矿山建设各阶段关键特征
1. 单系统自动化阶段关键特征
（1）具备可靠和全面的传感和执行机构。
（2）具备可编程的控制系统。
（3）具有远程监测监控功能。
（4）单系统根据条件可以进行系统自动化运行。
2. 综合自动化阶段关键特征
（1）具备高速网络通道。
（2）实现各自动化系统的数据融合。
（3）具备一定的数据挖掘能力。
（4）具备可建模的联动控制策略。
3. 数字化矿山阶段关键特征
（1）综合自动化、管理信息化、空间数字化三化数据融合；
（2）在多维空间矿山实体的基础上动态嵌入与矿山安全、生产、经营相关的所有信息如环境参数、机电设备运行状态、人员、产量、业务管理信息等，并找出这些信息内在的联系，赋予数字化矿山更丰富的含义。
（3）具备基于GIS的二维、三维或多维展示平台。
4. 智能矿山阶段关键特征
（1）在数字化矿山的基础上，运用人工智能技术、数据挖掘技术，将煤矿行业内各专业的专家思想及专业解决方案编制成若干可重复运行、决策指挥的决策分析系统，能为安全生产经营提供决策依据；
（2）运用云计算、物联网等技术实现矿山的“物联化、互联化、智能化”。
1.3.3 数字化矿山定义
数字化矿山由数字地球的定义延伸而来, 即在矿山范围内以三维坐标信息及其相互关系为基础组成信息框架, 并在该框架内嵌入所获得的静态和动态信息及并对进行分析、操作和决策。集团数字化矿山的定义如下：
“数字化矿山”是以先进的煤矿机电及一体化技术、计算机技术、3S技术、与信息化相适应的现代企业管理制度为基础，以网络技术为纽带，以煤矿安全生产、高产高效、绿色开采、可持续发展为目标，实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、查询、动态修正与专业空间分析，并实现多源信息的多方式输出、实时联机分析处理与决策、专家会诊煤矿安全事故与调度指挥等的现代化矿山系统。
归纳起来,“数字化矿山”主要涵盖四大部分：网络和底层支撑系统，综合自动化和在线检测系统、安全和生产技术综合管理系统、行政办公和经营管理系统。
数字化矿山建设具体目标
1. 加强底层设备自动化的建设
XX煤矿“数字化矿山”的建设采用技术领先、标准统一的千兆工业以太网网络结构，集成全矿各个生产安全子系统的实时监控数据，完成生产系统的远程集中监控，通过数据分析、数据整合，保证数据同企业管理决策信息系统无缝的连接，保证整个综合自动化系统数据的有效性、一致性，实现不同业务和系统间能够实时的交换和数据共享。
1. 加强井下感知物联网和数据中心建设
提高底层监测设备和传感器的可靠性，加大无线物联网传感器的应用，感知矿井各个地域的环境参数，实现设备的智能化在线检测。
通过工业以太网、安全监测监控等采集的数据，根据信息化的标准要求，实现统一标准、统一存储、统一管理，实现最大程度的数据共享。
2. 加强煤矿安全生产技术综合管理系统建设
建设基于（2D＋3D）地理信息系统的生产技术管理系统。数字化矿山是一个典型的多部门、多专业、多层次管理的煤矿空间信息共享与Web协作应用平台。煤矿空间数据应用涉及到地质测量、一通三防、生产调度、生产技术、矿井安全、安全监察、质量标准化和机电设备等专业数据的输入、计算、统计、分析和输出等多个生产专业部门环节上的信息，涉及面广，更新快，由大量的图形、图像、属性数据以及元数据构成。统一建设的地理信息系统平台能够实现多部门、多专业、多层次的数据共享。
3. 加强重大危险源预测预警和决策支持系统建设
由于XX煤矿地质构造复杂，危险源较多，应运用GIS技术、物联网技术、数据库技术、专家系统等开展煤矿井下水、火、瓦斯、顶板等重大危险源检测、识别及预测预警，将煤矿井下各类危险源数据集成于同一平台，基于WebGIS统一展示，实现重大危险的早期预测预警，以提高煤矿重大危险源预警能力，降低重大危险源事故发生率，进而提高煤矿整体安全管理水平。
4. 加强高精度三维透明化地质模型和三维可视化系统甚至虚拟矿井建设
构建包含各种复杂地质构造（正断层、逆断层、陷落柱、含水层、老窑区等）的高精度三维地质透明化模型，并实现基础地测数据的动态更新。有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术，集成安全监测、综合自动化、通讯视频等各类工业实时数据，构建矿井“采、掘、机、运、通”专业仿真模拟系统，实现全矿井“监测、管理、控制”的一体化，最终实现基于三维虚拟矿井平台的网络化、分布式综合管理，为煤矿安全生产管理提供保障。
数字化矿山建设具体目标
1. 加强底层设备自动化的建设
XX煤矿“数字化矿山”的建设采用技术领先、标准统一的千兆工业以太网网络结构，集成全矿各个生产安全子系统的实时监控数据，完成生产系统的远程集中监控，通过数据分析、数据整合，保证数据同企业管理决策信息系统无缝的连接，保证整个综合自动化系统数据的有效性、一致性，实现不同业务和系统间能够实时的交换和数据共享。
1. 加强井下感知物联网和数据中心建设
提高底层监测设备和传感器的可靠性，加大无线物联网传感器的应用，感知矿井各个地域的环境参数，实现设备的智能化在线检测。
通过工业以太网、安全监测监控等采集的数据，根据信息化的标准要求，实现统一标准、统一存储、统一管理，实现最大程度的数据共享。
2. 加强煤矿安全生产技术综合管理系统建设
建设基于（2D＋3D）地理信息系统的生产技术管理系统。数字化矿山是一个典型的多部门、多专业、多层次管理的煤矿空间信息共享与Web协作应用平台。煤矿空间数据应用涉及到地质测量、一通三防、生产调度、生产技术、矿井安全、安全监察、质量标准化和机电设备等专业数据的输入、计算、统计、分析和输出等多个生产专业部门环节上的信息，涉及面广，更新快，由大量的图形、图像、属性数据以及元数据构成。统一建设的地理信息系统平台能够实现多部门、多专业、多层次的数据共享。
3. 加强重大危险源预测预警和决策支持系统建设
由于XX煤矿地质构造复杂，危险源较多，应运用GIS技术、物联网技术、数据库技术、专家系统等开展煤矿井下水、火、瓦斯、顶板等重大危险源检测、识别及预测预警，将煤矿井下各类危险源数据集成于同一平台，基于WebGIS统一展示，实现重大危险的早期预测预警，以提高煤矿重大危险源预警能力，降低重大危险源事故发生率，进而提高煤矿整体安全管理水平。
4. 加强高精度三维透明化地质模型和三维可视化系统甚至虚拟矿井建设
构建包含各种复杂地质构造（正断层、逆断层、陷落柱、含水层、老窑区等）的高精度三维地质透明化模型，并实现基础地测数据的动态更新。有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术，集成安全监测、综合自动化、通讯视频等各类工业实时数据，构建矿井“采、掘、机、运、通”专业仿真模拟系统，实现全矿井“监测、管理、控制”的一体化，最终实现基于三维虚拟矿井平台的网络化、分布式综合管理，为煤矿安全生产管理提供保障。
数字化矿山架构及建设模型
3.1 数字化矿山系统架构
数字化矿山需要统一的数据传输网络、统一的数据仓库、统一的2DGIS和三维管理及组态平台、统一的管理平台。
数字化矿山总体构架自下而上由六层组成，他们分别是：数据采集与执行层、数据传输层、数据存储层、控制层、管理决策层、表现层。
集团数字化矿山的系统架构参见图3-1所示。
图3-1 数字化矿山总体架构
3.1.1数字化矿山统一的平台或系统规划
从数字化矿山建设的基础层面，需要实现四个统一：
1. 统一的2DGIS、三维管理和组态软件平台
对“采、掘、机、运、通”整个安全生产流程空间数据和属性数据的管理，采用统一的GIS、三维可视化或虚拟矿井平台；对综合自动化系统，采用统一的组态软件平台。
2. 统一的管理平台
生产矿井运营管理、安全生产在线检测管理、安全生产技术综合管理、决策支持采用统一的管理平台，实现数据矿山软硬件系统的集成操作、分析和管理。
3. 统一的数据传输
除了瓦斯监测系统外（目前国家规定必须是专网），井上下企业管理、综合自动化、在线检测、安全生产技术综合管理，采用统一的网络进行传输。
4、统一的数据仓库
生产矿井运营管理、综合自动化、安全生产在线检测管理、安全生产技术综合管理、决策支持采用统一的数据仓库，实现数据的共享。
从数字化矿山建设的应用层面，需要实现两个统一，即安全生产运营管理平台和安全生产执行控制平台。
（1）安全生产运营管理平台
通过GIS平台以及对三维高精度透明化地质模型、设备模型的建模，实现对生产过程的数据进行实时集中监测，为生产运营提供生产技术综合管理、安全生产决策支持管理等。
（2）安全生产执行控制平台
按专业面向使用部门对相关关联系统实现远程集中控制。
3.1.2数字化矿山的六层架构
1. 数据采集与执行层
本层主要设备既是数据的采集者，也是决策执行信息的执行者，他包括三个层次的内容：
（1）安全生产井上下动态实时在线信息的采集。这里主要包括生产环境在线检测系统（如水、火、瓦斯、顶板、人员定位等）、综合自动化系统（如综采工作面控制系统、胶带机集控系统等）、其他生产指挥信息采集系统（井下工业电视系统等）。
（2）生产技术和运营管理数据的采集。这里主要包括非实时的生产数据，如钻孔、地震、机电设备、通风阻力测定成果等等；运营管理的数据，如财务管理、运销管理、人力资源管理等。
（3）执行控制层或管理决策层信息。通过管理决策层的分析、处理，其结果通过控制层、传输层达到执行层，完成对设备的控制、矿体的空间形态和属性的动态修正。
2. 数据传输层
由工业以太网和企业管理网构成；是一个由有线和无线组成的全覆盖网络。
3. 数据存储层
构建包括从数据采集、传输、存储、分析、反馈、发布全过程的元数据标准和元数据库；构建数字化矿山编码体系和标准；完成安全生产分析和决策支持的知识库和模型库(如“水、火、瓦斯、顶板”决策支持模型库)的组织和管理；完成在线检测、综合自动化、生产技术、经营信息的存储和管理。
为此，需要建立矿用监控数据中心、矿用空间数据中心、矿用管理数据中心。
4. 系统控制层
包括对设备、矿体等的控制或动态修正。下面对部分内容进行阐述。
（1）原煤生产分控中心。实现对原煤系统，包括采掘工作面系统、井底配仓、综采运输顺槽、采区大巷运输、一水平东翼运输胶带、主斜井皮带等系列原煤生产流程相关的子系统集中远程控制；可独立设置控制室。
（2）电力系统分控中心。实现对地面变电所、副井变电所，井下中央变电所、采区变电所等矿井动力相关的系统集中远程控制；独立设置控制室。
（3）机电分控中心。实现对井下主排水、矿井水处理、生活污水处理等与水处理有关的系统控制，实现对压风机监控系统、热交换站控制系统、副井提升监控系统等与机电有关的各类控制系统，可独立设置控制室。
（4）通风分控中心。实现对主扇通风控制系统、人员定位系统、安全监控系统、火灾束管监测系统、顶板压力安全监测系统、矿灯房信息管理系统等与通风管理相关的系统集中控制和监测，除安全监控系统规程要求必须有独立监控室外，其他集控可在调度中心实现远程集中控制和监测。
（5）辅助监测中心。实现对架空人车监控系统、计量称重系统、井下车辆监控系统、机房环境监测系统、机房门禁系统、工业电视系统等各类辅助监测系统的集中监测和控制。
（6）地测动态修正。执行对采掘工程平面图或三维图形的动态更新操作；根据最新的掘进、回采、物探、补探等信息，执行对三维高精度透明化地质模型进行动态修正的操作。
5. 管理决策层
包括四部分内容，即运营管理信息系统、生产技术综合管理系统、三维综合管理系统、决策支持系统。
（1）运营管理信息系统。基于企业管理网络平台和数据仓库，实现对产、供、销、人、财、物等办公自动化的网络化管理。
（2）生产技术综合管理系统。实现对“采、掘、机、运、通”整个生产业务流程中地质、测量、水文、储量、“一通三防”、采矿辅助设计、机电设计、设备选型等的完全信息化、网络化管理。
（3）三维综合管理系统。基于三维GIS或三维可视化系统或虚拟矿井平台，实现数字化矿山主要管控过程的可视化展示、分析和操作。
（4）安全管理和决策支持系统。基于在线检测系统、综合自动化系统、知识库和模型库等，完成对危险源（水、火、瓦斯、顶板等）、作业环境、地质构造、设备故障等的动态分析和预测。
6. 表现层
通过网络、固定或移动设备对煤矿多媒体信息进行发布和展示。
3.2系统建设的理论支撑和模型研究
XX煤矿数字化矿山系统是一个复杂的巨系统，不仅涉及先进的地理信息系统理论和技术方法，以解决动态处理煤矿生产信息的目的，而且涉及最新的智慧矿山技术以及大量的煤矿专业核心技术，只有研发、集成系列化的高新技术，才能实现XX煤矿的现代化建设，并为集团打造一个高科技的示范矿井，为全集团安保型矿井建设提供高科技支持。
3.2.1灰色地理信息系统的理论及技术
在地质勘探、矿山开采等领域，常常有这样的现象。随时间的推移，GIS处理的数据越来越多，GIS对空间对象的描述和表达趋于准确。在研究初始阶段，如地质勘探初期，只能通过有限的采样数据获得对空间对象整体的猜想和控制，这种控制是对实际对象的近似和模拟。随着时间不断增长，通过各种途径获取的准确数据越来越多，空间对象的真实状态也逐渐被揭示出来，控制越来越准确，认识越来越清晰。在研究最后阶段，如露天开采中盖层的剥离、地下开采中的工作面回采等，对空间对象达到完全准确或近似完全准确的控制。
由于数据获取或各种限制因素，人们能够获得的已知信息不能满足需要，只能通过有限的数据对空间对象进行整体猜想和控制，空间对象呈现灰色状态。随着时间推移，确定性信息不断加入使得空间对象由灰色状态不断向白色状态转移，这种变化引起了GIS数据模型的局部或全部重构。我们提出灰色地理信息系统（Gray Geographic Information System，简称GGIS）的概念。GGIS能够分析和处理灰色空间数据的时空变化，动态修正和快速更新空间对象的模型和图形。目前国内外广泛使用的地理信息系统都可划分为白色或者是接近白色的地理信息系统，它们对空间对象的表达和处理时，认为获取的空间对象的信息比较完全，不考虑信息缺少而产生的空间对象的灰色不确定性。综上所述，GGIS作为研究具有灰色特征的空间对象的理论和技术，目前还是崭新的研究领域，具有十分重要的科学研究价值。本文针对GGIS理论和技术中存在的概念、特点和研究体系等问题进行研究。
.1.2基于GIS的区域评判预警模型
煤矿重大危险源受多种条件综合影响，主要包括地质背景条件（瓦斯地质、水文地质与构造地质）、煤层条件（煤尘与煤自燃）、各种动力作用（如降水量、底板突水或涌水）以及人类工程活动（开采掘进、放炮）等不同复杂因素所致。综合研究相关因素在矿井区域灾害中所发生的作用，分析其与矿井重大危险源的关系，进而建立预警预报体系十分重要。
1. 多元信息综合应用
煤矿重大危险源主要是地质、水文、瓦斯、气象等因素导致，建立“地质-水文-瓦斯-气象”多元信息耦合的联合隐患识别预警预报模型可提高煤矿重大危险源隐患识别的能力与效率，“地质-水文-瓦斯-气象”联合评判预警模型综合了四个层次（即矿井地质区划图、矿井充水性图、瓦斯区域分布图、气象数据及水文数据）的不同类型数据。矿井地质区划图主要包括断层分布、陷落柱分布与水文地质等因素数据；矿井充水性图主要包括采空积水区、小窑采空积水区、断层防水煤柱、地表水体、物探水文异常区与水文长观孔等因素数据；瓦斯资料数据包括揭煤岩巷掘进面高瓦斯区、高应力区掘进工作面高瓦斯区、瓦斯突出威胁区、瓦斯突出危险区以及实时监测瓦斯报警数据等；气象资料数据主要从历史雨量和预测雨量数据两个方面来考虑，通过对雨量历史记录数据与已发生矿井重大危险源之间关系的研究得出地表水体对矿井重大危险源的影响，进而利用预测雨量来预警。通过综合应用多元数据及其相关预警评判指标体系，并利用相关评判专业模型库、方法库实现矿井重大危险源评判预警。
2. 模型评判预警流程
在矿井重大危险源“水文-火-瓦斯-顶板”联合评判预警模型的实现流程中，主要利用GIS强大的空间数据处理能力，可以方便快速的进行数据处理、评价指标体系构建、因子分析、空间数据量化及单灾害因子成图；基于GIS构建专业模型库与方法库，利用模型将不同的灾害因子叠加分析形成危险性区划图；并利用GIS叠加气象、人类活动等诱发因素进行实时评判预警分析，最终基于采掘工程平面图的巷道布置实现矿井重大危险源隐患识别预警指导煤矿安全生产，同时可实现基于WebGIS发布评判预警分析结果。模型具体实现流程如图3-43。
图3-43 基于GIS的区域评判预警模型
3. 模型实现数据要求
基于GIS的区域评判预警模型建立和运行需要大量不同类型的数据资料，包括各类历史资料图件（如地形地质图、构造地质分布图、矿井充水性图、矿井水文地质图、瓦斯区域分布图、水文相关曲线图、降雨量资料、瓦斯历史数据、采掘工程平面图、可采煤层底板等高线图）、矿井重大危险源实时监测数据等。基于GIS的区域评判预警模型是一个基于数据驱动的动态模型，是灾害数据引发的应用模型。
基础历史数据：
（1）矿井重大危险源历史数据（重大危险源的历史记录，如灾害发生时间、地点、规模等）。
（2）矿井重大危险源隐患点分布图（主要包括：揭煤岩巷掘进面、高瓦斯、高应力区掘进工作面、高瓦斯区、突出威胁区、突出危险区、采空积水区、小窑、采空积水区、老巷、断层防水煤柱、地表水体、物探水文异常区、水文长观孔、底板重点警戒区等隐患点）。
（3）矿井地形地质图。
（4）矿井构造地质分布图。
（5）矿井水文地质图与矿井充水性图。
（6）矿井水文相关曲线图。
（7）矿井瓦斯地质图、瓦斯等值线图、瓦斯区域分布图。
（8）矿井采掘工程平面图、巷道布置图。
（9）矿井地表水体分布。
（10）可采煤层底板等高线图。
实时监测数据：
（1）矿井瓦斯历史数据与实时监测数据。
（2）降雨量历史数据与雨量监测数据。
（3）灾害点历史水文数据与实时水文监测数据。
（4）矿井顶板压力监测实时数据。
4. 模型实现工作流程
基于GIS的区域隐患识别预警模型的具体实现流程主要包括原始数据处理，危险性预警区划与模型库构建，灾害临界判据的确定，动态数据获取与评判预警模型运算及预警产品的制作。
原始数据处理：
（1）矿井重大危险源隐患点数据处理，主要是在相关专业图件上展开矿井重大危险源隐患点成图，不同类型的灾害点按不同的符号表示出来，形成灾害隐患点分布图。
（2）灾害背景因子数据处理，利用不同数据源获得的数据按照建立的指标体系分别将其纳入GIS格式的单因子图层，一些因子图层可在GIS中利用原始数据进行生成，比如依据断层数据实现缓冲区分析，将其作为基础因子（如图3-44）实现导水断层的水文地质灾害隐患识别预警分析等。
图3-44 基于GIS的断层构造缓冲区分析示意图
（3）灾害因子分析，利用灾害隐患点与评价指标体系建立空间分析，实现各个灾害因子图层与灾害隐患点之间的评判关系，利用GIS中的空间分析功能实现灾害隐患点图层与各因子图层的叠加分析（如图3-45），并利用最短路径分析或缓冲区确定灾害隐患点存在灾害的可能性，实现评判预警。
图3-45 基于GIS的灾害隐患点与灾害因子的叠加分析示意图
危险性区划与模型库建立：
根据瓦斯、水害等不同矿井重大危险源类型建立相应的专业模型库，如瓦斯灾害预测首先依据矿井地质条件和煤层赋存情况建立瓦斯地质区划图（含瓦斯突出危险区、瓦斯突出威胁区、高瓦斯区等），其次依据动态采掘信息、实时监控数据与相关瓦斯分区建立联系并进行比较分析确定可采区或未来的可采区是否属于瓦斯警备区、瓦斯报警区等。
评判预警判据的确定：
评判预警判据主要是根据矿井重大危险源因子评价指标体系的知识库，如水害、瓦斯灾害评价指标体系库相关评价指标作为判据。
评判数据获取：
评判数据主要包括历史数据与实时动态数据。其中历史数据主要来源于相关矿井空间数据库中心，主要包括各类图形数据、属性数据与图像数据等；实时监测数据通过监控硬件设备与系统获取实时传输到监控数据中心，并发送到矿井空间数据库中心实时提供给评判预警服务与应用。
评判预警模型运算与结果发布：
主要依据动态监控实时数据与区划图叠加，并利用GIS模型库与空间分析方法参照灾害因子评价指标体系在矿井重大危险源隐患点区划图上实现灾害的评判预警，形成预警预报结果图，最终可以采用不同形式进行发布。
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