李村煤礦井下智慧安全防控信息系統(tǒng)的實踐研究

孫樹根 沈紅波

（1.山西潞安集團(tuán)李村煤礦建設(shè)管理處，山西 長子 046600；2.北京中礦網(wǎng)訊科技有限公司，北京 100012）

李村煤礦隸處于鄂爾多斯斷塊東緣與南緣斷裂地帶，水、火、瓦斯危險因素異常突出。基于李村煤礦井下開采機(jī)械化、自動化、信息化水平的提高，潞安集團(tuán)總公司決定對其構(gòu)建井下智慧安全防控信息系統(tǒng)。

1 李村煤礦智慧安全防控信息系統(tǒng)核心技術(shù)分析

該智慧安全防控信息系統(tǒng)是基于煤礦本質(zhì)安全型建設(shè)的要求，根據(jù)人-機(jī)-環(huán)一體化相關(guān)理論進(jìn)行開發(fā)的。系統(tǒng)設(shè)計原則主要考慮到智慧性、實用性、數(shù)據(jù)完整性、安全性和可擴(kuò)展性。

1.1 井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用

李村煤礦智慧安全防控信息系統(tǒng)采用井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)來對井下的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及傳輸。依托煤礦井下的工業(yè)環(huán)網(wǎng)，在地面計算機(jī)控制中心服務(wù)器的支持下，來對井下無線數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集。人員、機(jī)車等相應(yīng)的采集因子在自動采集有效識別距離內(nèi)，被無線數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信息識別，并將信息實時連續(xù)地傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)控制中心。數(shù)據(jù)信息經(jīng)軟件處理，能直觀地掌握井下人員、機(jī)車的分布和運輸軌跡情況。在系統(tǒng)當(dāng)中，對人-機(jī)-環(huán)三要素進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字化處理，設(shè)定標(biāo)識卡為人的上崗證，機(jī)車標(biāo)識卡為作業(yè)證，危險因子控測點為環(huán)境監(jiān)控器，通過數(shù)字化處理能直接明了地展現(xiàn)井下的狀態(tài)。對井下數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及處理過程都體現(xiàn)了系統(tǒng)的智慧性。

1.2 第三代射頻識別技術(shù)的應(yīng)用

該系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，采用了第三代射頻識別技術(shù)和GIS定位技術(shù)。具有超低功耗、超高速、超遠(yuǎn)距離、超大流量對目標(biāo)對象進(jìn)行識別的功能，將數(shù)據(jù)進(jìn)行高速和即時傳輸?shù)睦砟畹玫搅藨?yīng)用。可以將井下各區(qū)域人員、機(jī)車等動態(tài)情況進(jìn)行準(zhǔn)確地跟蹤反應(yīng)，這也體現(xiàn)了該系統(tǒng)的智慧性。

1.3 井下人員逃生路徑規(guī)劃的優(yōu)化

傳統(tǒng)的礦山避災(zāi)救援路線規(guī)劃核心在于尋找最短路徑及優(yōu)化路徑算法效率。該智慧安全防控信息系統(tǒng)對于井下人員逃生路徑規(guī)劃做了相應(yīng)的改進(jìn)，基于原避災(zāi)救援路線規(guī)劃基礎(chǔ)上，對掘進(jìn)巷道的安全性因素影響方面做了相應(yīng)的調(diào)整。主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）針對煤礦巷道立體和垂直分布的各自特點，采用雙向分割處理的思想來提高路徑算法搜索的效率；（2）系統(tǒng)增加當(dāng)量長度和健康損失度兩個指標(biāo)來進(jìn)行優(yōu)化，體現(xiàn)出巷道的安全性影響因素。

2 智慧安全防控信息系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 理論基礎(chǔ)

該系統(tǒng)根據(jù)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，對煤礦井下的所有生產(chǎn)相關(guān)因素進(jìn)行了全面的追蹤分析，把相應(yīng)的危險因素都進(jìn)行了整理，從指標(biāo)因素、閾值規(guī)則、作業(yè)規(guī)程、狀態(tài)規(guī)則四個方面來構(gòu)建安全因素關(guān)鍵指標(biāo)評價庫。最后建立模型，采用計算機(jī)軟件來進(jìn)行操作，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)的安全管理和事務(wù)決策。同時系統(tǒng)設(shè)有綜合應(yīng)急預(yù)案、專項應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場處置方案進(jìn)行備選，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)處理后，都可以相對應(yīng)的給出相應(yīng)的處理方案。其系統(tǒng)的主要建立理論基礎(chǔ)如圖1所示。

2.2 技術(shù)實現(xiàn)分析

該智慧安全防控信息系統(tǒng)采用3層體系架構(gòu)，劃分為數(shù)據(jù)采集存儲層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層3個層次。數(shù)據(jù)采集存儲層通過數(shù)據(jù)文件交換的方式將采集傳輸來的信息進(jìn)行接收和存儲；數(shù)據(jù)處理層主要負(fù)責(zé)監(jiān)測設(shè)備、實時數(shù)據(jù)、預(yù)警級別、人員屬性、人員軌跡、機(jī)械設(shè)備屬性、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)和空間數(shù)據(jù)的維護(hù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要是對處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化，對各類數(shù)據(jù)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行功能預(yù)報，并對相應(yīng)的處理方案提供輔助決策建議。該智慧安全防控信息系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)可見圖2所示。

圖1 智慧安全防控信息系統(tǒng)理論基礎(chǔ)路線

圖2 智慧安全防控信息系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖

3 實踐應(yīng)用及效果分析

3.1 實踐應(yīng)用情況分析

2017年5月，將該智慧安全防控信息系統(tǒng)在李村煤礦中進(jìn)行了試運行工作。針對李村煤礦井下開采現(xiàn)場的實際工況，工業(yè)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的布置和運行情況如下：（1）在井口、峒室、溶洞、采區(qū)位置等地點安裝無線數(shù)據(jù)采集器，對井下進(jìn)行監(jiān)測。通過光纜接入到工業(yè)環(huán)網(wǎng)當(dāng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸；（2）對井下工作人員和相應(yīng)的機(jī)車裝配好標(biāo)識卡，并做好初始化工作；（3）工作人員、機(jī)車進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域后，其佩戴的標(biāo)識卡信息就會被系統(tǒng)進(jìn)行自動識別，并將實時信息傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)監(jiān)控和管理中心；（5）將監(jiān)測到的各種生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，包括巷道中測量控制點的平面坐標(biāo)及高程、井下巷道頂?shù)装逄卣鼽c的平面位置和高程、采區(qū)位置、井巷上覆巖層的巖性、傾向傾角大小、構(gòu)造情況、CH4、CO、溫度、水流等通過井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)監(jiān)控和管理中心，接入到“人-機(jī)-環(huán)一體化智慧安全防控信息系統(tǒng)平臺”。

3.2 應(yīng)用效果分析

該系統(tǒng)自2017年5月在李村煤礦全面應(yīng)用以來，截至2017年11月已有半年時間了。在這期間系統(tǒng)的運行情況良好，主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）實現(xiàn)公司對井下人員、機(jī)車的全面定位系統(tǒng)，并實現(xiàn)了安全監(jiān)測監(jiān)控的全面管理，多生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸融合。（2）對用戶實行統(tǒng)一的平臺管理，實現(xiàn)了監(jiān)測界面和報警預(yù)警界面的統(tǒng)一。（3）提供GIS模式監(jiān)控模塊，實現(xiàn)煤礦地理位置分布信息導(dǎo)航查詢，實現(xiàn)GIS圖形的放大、縮小、全屏、窗口、快速定位等功能。實現(xiàn)生產(chǎn)動態(tài)、人員分布情況以及瓦斯傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息的掌握。（4）優(yōu)化后的井下逃生線路規(guī)劃方法，有利于礦工規(guī)劃最優(yōu)逃生線路。在2017年9月和11月發(fā)生的小型事故當(dāng)中，礦工在語音播報的幫助下都及時選擇了最佳逃生路線，安全地轉(zhuǎn)移到了地面。（5）可以將其應(yīng)用到集團(tuán)公司下屬的其他煤礦，并由集團(tuán)公司安全部進(jìn)行統(tǒng)一的報警接收、處置、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，為集團(tuán)公司及時全面掌握煤礦安全生產(chǎn)過程提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

該智慧安全防控信息系統(tǒng)是按照“人-機(jī)-環(huán)一體化”管理的理念進(jìn)行設(shè)計，通過對李村煤礦開采現(xiàn)場情況的整理，把影響安全生產(chǎn)的各項因素進(jìn)行了歸類，提煉出了井下安全防控核心要素，利用計算機(jī)、通信及定位技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及深度融合處理從而形成防控體系。在李村煤礦實踐應(yīng)用半年時間以來，安全防控信息系統(tǒng)的運行情況良好，安全防控工作取得了良好效果，實現(xiàn)了對井下生產(chǎn)環(huán)境、機(jī)車運行、作業(yè)人員的跟蹤定位和安全管理，以及對井下作業(yè)人員行動軌跡的有效識別和生產(chǎn)環(huán)境的融合監(jiān)測監(jiān)控。