煤矿安全监管系统数据库设计与分析

工作人员的生命安全与国家的财产安全。据统计，2012年煤矿的百万吨死亡率为0.37，造成了极大的经济损失和恶劣的社会影响。目前我国以6大系统为基础的煤矿体系已经基本建设完毕，但在实际应用过程中，系统与系统之间处于一种相互独立运行状态，很难实现数据共享，整个系统监控水平较为低下，结构较为单一，存在许多不足。而对于一个好的监管系统而言，数据库的设计是整个系统设计的关键部分。

在国外，一些国家所研发使用的煤矿安全监控系统中建立了各种分类数据库，但对于建立一个完整的煤矿监管数据库系统，至今还寥寥无几。国内某些矿务局，也在不同程度上建立了一些煤矿伤亡事故简单分析的文件系统，但显然，这样一些分类数据库（有的甚至是文件系统）对整个矿下的安全生产缺少有效的指导作用。本文简要介绍了一种在煤矿监控系统背景下的监管数据库的框架及概念设计[1]。

1系统需求分析

需求分析是整个数据库设计中最重要的一步，是其他各步骤的基础。进行数据库设计首先必须了解与分析用户需求，明确用户对数据的要求、处理的要求、安全性与完整性要求，从而建立起用户视图。在建立用户视图的同时，我们还应该收集系统的一般需求，从而得到系统的需求说明。系统的需求说明在描述新系统引进新的优良特性的同时还应该尽量保留老系统的好的方面[2]。

通过我们对特定中小型矿区的实地考察，与矿区管理工作人员的采访，以及对问卷报告进行研究分析，得出了系统边界图，如图1所示。

2概念与逻辑设计

由于整个监管系统过于庞大，所涉及对象之间关系相对复杂，为了数据能稳定的存储以及保证后期对数据管理、访问的高效性，将把整个系统分为6个数据库子系统，加以分别设计，形成信息数据库、开采数据库、灾害数据库、集团管理数据库、实时显示数据库和历史数据库。在建立数据库的过程中，按照首先分析需求得出ER图，然后将其转化成关系模式，最后对得到的关系模式进行优化使其满足范式要求[3]。

2.1信息数据库

信息数据库主要存放员工信息、矿下环境的安全系数、设备参数和章程规范信息等，它是整个煤矿系统安全、有序运行的保证，为矿井工作者进行生产、监控以及后期抢救维修提供了严格的标准。该数据库主要涉及员工、设备参数、章程、分矿、甲烷、可燃气体、有害气体、温度、湿度、压强和风速，在此基础上找到各实体的属性以及相互之间的关系，于是我们就得到了其ER图，如图2所示。

再将ER图转化为关系模式，同时分别标明主键与外键：

员工（员工ID、名字、所属分矿、年龄、性别、籍贯、民族、职位、联系方式、薪金、所属分矿）；

分矿（分矿编号、位置、矿井现状、投产日期、矿井员工数、井下员工数、井田面积、上年度原煤产量、本年度计划产量、可采储量、保有储量、现采区个数、所有设备编号、通风井编号、回风井编号、负责人ID）；

设备参数（设备编号、安置位置、设备名称、涉及领域、状态、使用年限、近期故障与维修情况、负责员工ID）；

甲烷（名称、代号、密度、沸点、比重、爆炸最高浓度、爆炸最低浓度、一级预警门限值、二级预警门限值、三级预警门限值、监控员工ID）；

可燃气体（名称、燃点、与空气混合爆炸最低值、与空气混合爆炸最高值、与氧气混合爆炸最低值、与氧气混合爆炸最低值、监控员工ID）；

有害气体（名称、允许最高浓度、监控员工ID）；

温度（名称、监测点、最低预警温度、最高预警温度、监控员工ID）；

湿度（名称、监测点、最低门限值、最高门限值、监控员工ID）；

压强（名称、监测点、最低门限值、最高门限值、监控员工ID）；

风速（名称、监测点、最低门限值、最高门限值、监控员工ID）；

章程（章程号、章程名、颁布时间、涉及领域、修改时间、修改内容、负责员工ID）。

2.2开采数据库

开采数据库中主要记录开采进度、开采过程中有关环境设备的相关参数、开采人员信息以及对其培训管理记录等，实现对整个开采过程的全面监控，在确保人员安全的前提下保证开采工作安全有序的开展。同时实现地质矿产资源信息的科学管理、综合分析、直观显示、有效传输和网络共享，对国家制定矿产资源战略规划和政府决策提高反应能力，对矿业界和公众获得及时、实用和有效的矿产资源信息至关重要。

根据需求我们可以得到其ER图，如图3所示。

继而建立关系表：

员工（人员ID、人员姓名、所属分矿、职位）；

环境（监测点编号、所属分矿、状态、异常情况、负责人员ID）；

设备（设备编号、所属分矿、安置地点、状态、异常情况、负责人员ID）；

事故（事故编号、发生时间、发生地点、状态、责任人ID）；

花费（花费编号、所属分矿、支出时间、去向、经办人员ID）；

运输（运输记录编号、起始地、目的地、状态、异常情况、负责人ID）；

监管（监测点编号、监测起始时间、监测截止时间、监测地点、设备是否异常、环境状态、监测人员ID）；

灾害（灾害编号、所属分矿、发生地点、状态、引起原因、责任人ID）；

安全培训（培训编号、培训地点、培训方向、参与人数、培训开始时间、培训时长、培训花费、培训人员ID）；

开采（时间、位置、所属分矿、现开采煤层厚度、地质构造类型、现开采煤层倾角、开拓方式、采煤方法、顶板管理方法、挖进方式、通风方式、通风方法、监管人员ID）。

2.3集团数据库

集团数据库主要记录了整个集团相关培训、会议、考勤等数据信息，对集团人员业务流程实现可视化、集成化、科学化、系统化管理，及时准确地为管理者掌握业务动态和决策提供服务。

2.4灾害设备数据库

灾害设备数据库主要记录矿井灾害情况，以及设备运作维护情况，为灾前预防、灾后抢险及设备情况的跟踪提供详细的资料。

2.5历史数据库

历史数据库主要记录整个集团管理、井下开采、设备、环境监控等相关数据信息。历史数据库中的数据一般保存3个月，之后将其转存至备份数据库中。历史数据量是非常庞大的，内存存储的容量远比磁盘要小，不能满足历史数据的存储；另外，对于历史数据的使用来说并不应用于实时事务，除了基本的数据服务之外，还为历史数据的进一步分析提供了有力的支持，如报表的生成，数据通过 Web 进行发布等。因此，在历史数据的记录存储上，我们将选择关系数据库，使用磁盘做为存储介质来实现[3]。

2.6实时数据库

实时数据库作为数据库系统的一个主要的分支，其在煤矿监控领域有着十分重要的应用，由于实时数据库的高可靠性、实时性等优点，其已经逐渐成为整个煤矿监控软件的核心。煤矿监控系统作为一个对实时性拥有很高要求的系统，应该实时地从外界采集数据，并对其进行分析运算后，输出控制量，因此对数据的管理也呈现出实时特点。实时数据库在整个煤矿安全监管系统中发挥着及其重要的作用，其数据来源于矿下现场设备，我们将它与现场设备直接相连，实时采集装置的运行数据。控制系统通过实时数据库所获取的实时数据确保整个生产运营过程的安全进行，并通过对关键数据的监控和分析，当出现问题时可及时地进行处理，保持生产运行状态的平稳[4]。同时，实时数据库中所保存的大量矿下各参数的历史数据可以帮助生产管理人员分析生产过程的变化规律，达到对生产过程进行优化的目的，除此之外还可以帮助生产人员确定故障产生的原因，寻找预防的方法，避免故障的重复发生。由于煤矿监控应用的要求，以及实时数据库自身的特点，实时数据库系统作为煤矿监控系统实时数据管理和共享的软件，必须有如下的性能要求。

1）由于实时数据库直接与矿下第一线设备相连接，并对其产生的数据进行存储及处理，一旦出现故障将直接威胁到整个开采过程的安全进行，因此保证系统的高可靠性是软件设计中首先应该考虑的问题。可靠性表现在它的软件、硬件故障率低，软件在出现异常情况下的自身恢复能力强。并且系统有一定防止来自外界的攻击（导致数据被破坏）的能力，以确保整个系统的安全性。这里讨论的实现高可靠性目标是通过设计坚固的数据库模型和合理的、完备的体系结构得到保证的，并不涉及具体的技术和工程方法[5]。

2）实时性是网络环境下实时数据库最重要的性能指标，在网络环境下的底层，系统与各种测量、控制设备直接进行数据交互，这些数据设备的带宽和工作过程中对输入输出的较高要求，使得与其连接的数据库系统应该具有实时、高速、并且拥有较为确定的响应时间的特点。

3）具有各种丰富接口、用户良好性的界面，同时拥有较强的数据管理和表达能力是数据库实时性能指标之一。如果一个实时数据库系统虽然在其内部的实时性很好，但是缺乏界面的用户友好性会使得整个软件系统的可用性大大降低，从而可能诱发因工作人员操作不当所引起的事故，或者用户接口过于薄弱，用户无法快速有效地得到所需的信息。这些都将大大损害整个系统的实时性能。

4）数据独立性保证是整个系统数据库设计部分所必须要保证的前提与基础，应该做到系统数据的存储结构和数据逻辑的变化，尽量不反映到用户模式上来。

5）系统可扩展性是系统实现过程中必不可少的条件，可扩展性同时也是整个计算机综合自动化系统（computer integrated processing system，CIPS）的要求。任何一个实时数据库不可能一次就完整地建立起来，因此要求其具有可修改性。一个大规模的系统往往都是在原有的基础上不断扩充从而完备起来的，此外，外部应用程序的更替，用户的改变都要求我们在设计时应该充分考虑到未来应用接口问题。并且，在修改和扩充后，不应影响原有用户的使用方式，使得任何部分的修改都简单、方便[6]。

3小结

煤矿系统相对庞大，矿下环境非常复杂，同时在煤矿安全监控系统设计时要充分考虑到软件的可靠性、实时性与高效性，因此在整个数据库设计过程中需要考虑各独立的子系统相互间的协同性，同时还要充分考虑数据的冗余问题。一方面为保证系统的高效性应该降低不必要的数据冗余提高系统的运行效率、另一方面，考虑到系统的可靠性，有时需要增加一些适当的冗余信息，用来存储相应的临时结果，简化客户端的计算量。

经过实际测试，基于以上设计的煤矿安全数据库系统在性能上得到了较大的提升，能够较好地为整个监控系统的正常运转提供支持。

参考文献：

[1]刘方鑫，刘希安.煤矿安全数据库系统设计概要[J].煤矿安全，1989（10）：3133.

[2]THOMAS M，CONNOLLY C E B.数据库设计教程[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]萨师煊，王珊.数据库系统概论[M].北京：高等教育出版社， 2000.

[4]张巍.基于电力监控系统的实时数据库的研究[D]. 辽宁：辽宁工程技术大学，2008.

[5]任佳.地质矿产基础数据库与空间数据库的研究与开发 [D].长沙：中南大学，2007.

[6]姜作勤.国外计算机在地学领域中应用的现状与趋势 [J].地质信息技术，1992（2）：2528.

（责任编辑张诚）

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