基于數(shù)據(jù)分析的煤礦瓦斯管理信息的可視化研究

陳生昱

（山西大同大學工學院礦業(yè)工程系，山西 大同 037003）

我國煤炭技術在近十年時間發(fā)展突飛猛進，尤其是數(shù)字化的快速推進，使得煤礦發(fā)展進入快車道，從數(shù)字礦山轉型到感知礦山，再到現(xiàn)在智慧礦山提出，煤炭發(fā)展緊跟時代步伐。而作為煤礦災害的首害—瓦斯，一直是煤礦技術發(fā)展研究的重點，雖然瓦斯監(jiān)測在技術方面已經(jīng)有了良好的發(fā)展，然而針對煤炭監(jiān)測安全管理工作仍缺乏系統(tǒng)與完整的監(jiān)測技術手段，尤其在智能化推進過程中如何有效地利用大數(shù)據(jù)等人工智能技術手段來推進檢測技術現(xiàn)代化方面，從而實現(xiàn)礦山發(fā)展智能化，有效提高煤礦安全管理水平。

目前瓦斯監(jiān)測主要局限于有限數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理，缺乏對海量數(shù)據(jù)的挖掘，對數(shù)據(jù)分析利用幾乎為零。隨著現(xiàn)在大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，借助大數(shù)據(jù)發(fā)展的優(yōu)勢，通過對瓦斯海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度挖掘，分析歷史瓦斯涌出數(shù)據(jù)，預測瓦斯未來涌出規(guī)律，根據(jù)涌出規(guī)律提前做出預判，采取相應的技術措施，建立預警系統(tǒng)，從而達到提前預警效果。這將對煤礦瓦斯防治工作提供有利支持，對于進一步提高煤礦安全管理與提升瓦斯防治水平有著極為重要的意義。

近幾年，大數(shù)據(jù)在智慧礦山建設中逐漸被引入，很多學者在這方面進行了研究，陽煤集團在“陽煤安全生產運營管理平臺”建設中引入數(shù)據(jù)深度分析挖掘，利用大數(shù)據(jù)輔助安全生產管理，提升煤礦整體安全生產水平[1]。同煤集團塔山煤礦在煤礦生產調度系統(tǒng)中引入大數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)可視化技術使數(shù)據(jù)三維可視化展示，使效果呈現(xiàn)更加直觀[2]。神華集團在智能礦山建設規(guī)劃較早，以錦界煤礦為示范點的智能化建設是神華智能化的標桿企業(yè)[3]。

總之，大數(shù)據(jù)背景下的智慧礦山建設現(xiàn)在成為當前煤礦企業(yè)的研究熱點，大數(shù)據(jù)技術對于礦山技術發(fā)展具有巨大推動作用，但是在實際應用中，大數(shù)據(jù)發(fā)展還處于初級階段，整體應用處于淺層開發(fā)階段，智能礦山大數(shù)據(jù)研究和應用面臨諸多問題[4]。

1 大數(shù)據(jù)技術理論與特征

1.1 大數(shù)據(jù)理論

大數(shù)據(jù)理論是以大數(shù)據(jù)處理技術為平臺，涵蓋數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)組織與管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)可視化等[5]。大數(shù)據(jù)是一個多領域交叉的學科，不同領域學科研究大數(shù)據(jù)的側重點不一樣。礦山發(fā)展研究大數(shù)據(jù)主要以數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化為重點研究方向。

數(shù)據(jù)分析主要分為預測和描述兩大類別，預測任務的目標是根據(jù)其他屬性的值，預測特定屬性的值，描述任務的目標是導出和概括數(shù)據(jù)的潛在模式，常用的分析方法有：分類與回歸分析、相關分析、聚類分析、關聯(lián)規(guī)則分析和異常檢測分析[6]。

數(shù)據(jù)可視化是指以圖形、圖像、地圖、動畫等更為生動、易于理解的方式展現(xiàn)具體數(shù)據(jù)，詮釋數(shù)據(jù)之間的關系和發(fā)展趨勢，以期更好地理解和使用數(shù)據(jù)[7]。常用數(shù)據(jù)可視化方法有：圖可視化技術、多維數(shù)據(jù)可視化技術、時空數(shù)據(jù)可視化技術、文本可視化技術、交互可視化技術[8]。

1.2 礦山大數(shù)據(jù)的來源與特征

礦山大數(shù)據(jù)的來源主要來自企業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)以及其他紙質信息等，這些大數(shù)據(jù)來自企業(yè)生產經(jīng)營整個周期，大體可以分為三個方面[9]：

1）礦山企業(yè)日常經(jīng)營數(shù)據(jù)。煤礦企業(yè)日常復雜的管理經(jīng)營積累了大量的信息，包括銷售、管理、財務、采購等各個方面。

2）礦山在生產過程中應用傳感和監(jiān)測監(jiān)控技術獲取的實時數(shù)據(jù)。包括生產過程中的設備自動化信息采集、各類傳感器信息、人員定位信息、監(jiān)測監(jiān)控信息等。

3）企業(yè)運營相關外部數(shù)據(jù)。包括地質探測、煤炭銷售、外部業(yè)務來往等數(shù)據(jù)。

礦山大數(shù)據(jù)的主要特征體現(xiàn)在以下幾個方面[6]：

1）礦山企業(yè)自成系統(tǒng)，發(fā)展水平不一，標準化程度不一，信息閉環(huán)、與其他行業(yè)沒有統(tǒng)一銜接標準、孤島嚴重，積累大量數(shù)據(jù)但缺少數(shù)據(jù)挖掘。

2）礦山開采環(huán)境復雜，數(shù)據(jù)收集多樣化，采集標準不一、數(shù)據(jù)缺乏篩選。

3）礦山積累有海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)分析利用，這些數(shù)據(jù)具有潛在的開發(fā)利用價值，尤其在預測預警方面研究具有重要的價值。

總體來看，大數(shù)據(jù)在未來礦山智能化發(fā)展中具有重要的作用，從數(shù)據(jù)來源看，大數(shù)據(jù)在礦山收集渠道多樣，信息來源豐富準確，在礦山發(fā)展中具備良好的發(fā)展條件。從數(shù)據(jù)挖掘和分析來看，大數(shù)據(jù)在煤炭數(shù)據(jù)挖局和分析應用前景很廣，對于礦山未來預測預警以及智能化控制提供很好基礎。此外，礦山大數(shù)據(jù)還具有時序性強、關聯(lián)性強、準確性高等的優(yōu)勢。

2 大數(shù)據(jù)在礦山發(fā)展存在的問題

1）大數(shù)據(jù)思維普及緩慢。煤礦屬于典型的傳統(tǒng)企業(yè)，相比其他行業(yè)來說比較封閉，與其他行業(yè)信息互通交流較少，對于新技術的接納消化時間較長，普及過程相比其他行業(yè)會比較緩慢。

2）“信息孤島”問題突。煤礦現(xiàn)有信息技術比較獨立，沒有與大數(shù)據(jù)市場建立起統(tǒng)一標準，軟硬件系統(tǒng)之間存在技術和標準差異。

3）數(shù)據(jù)獲取能力大小不一。煤礦企業(yè)由于規(guī)模不同，技術資金投入的差異導致技術水平高低也不一樣，這樣企業(yè)大數(shù)據(jù)獲取大數(shù)據(jù)的途徑和能力也不相同。

4）人才儲備不足。煤礦大數(shù)據(jù)發(fā)展需要大量綜合性人才，既要對大數(shù)據(jù)有了解，也要有一定的煤炭專業(yè)知識。煤礦企業(yè)現(xiàn)在對大數(shù)據(jù)技術正處于摸索階段，大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)存在不足。

5）數(shù)據(jù)安全。煤礦企業(yè)對安全要求標準較高，涉及安全方面技術一定的成熟，這樣使得數(shù)據(jù)使用限制較大。

3 煤炭瓦斯大數(shù)據(jù)的發(fā)展方向

大數(shù)據(jù)技術在煤礦瓦斯的應用主要集中在大數(shù)據(jù)采集與處理、大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)可視化三個方向。大數(shù)據(jù)采集與處理是礦山大數(shù)據(jù)應用的基礎，數(shù)據(jù)分析是礦山大數(shù)據(jù)的關鍵技術，數(shù)據(jù)可視化對于安全技術管理水平提高有很大幫助。

1）從瓦斯數(shù)據(jù)采集與處理來看。數(shù)據(jù)的采集的來源與處理方法是大數(shù)據(jù)分析的基礎，未來煤炭企業(yè)在瓦斯數(shù)據(jù)采集與處理應該制定相應的標準，這樣有利于減少數(shù)據(jù)采集的工作量，增加數(shù)據(jù)的準確性。

2）從瓦斯數(shù)據(jù)分析來看。煤礦瓦斯數(shù)據(jù)分析基于神經(jīng)網(wǎng)絡、灰色理論、向量機、關聯(lián)分析等數(shù)學方法，未來在數(shù)據(jù)分析仍以分析方法的準確性以及瓦斯預測效果評價為主，結合礦山經(jīng)濟效果評價分析，建立屬于煤炭企業(yè)專業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺。

3）從瓦斯數(shù)據(jù)可視化角度來看。煤炭數(shù)據(jù)可視化將分散的數(shù)據(jù)結果以更加直觀地呈現(xiàn)，方便企業(yè)安全技術管理工作，對于提高煤礦瓦斯管理水平有著重要的意義。未來在數(shù)據(jù)可視化展示將會更加全面化、專業(yè)化、智能化，真正意義上實現(xiàn)智慧礦山。

4 結論

就目前煤礦瓦斯大數(shù)據(jù)在煤礦研究應用的現(xiàn)狀，可以得出以下結論：

1）從煤礦未來發(fā)展趨勢來看，大數(shù)據(jù)技術推動智慧礦山的發(fā)展，智慧礦山發(fā)展積累海量大數(shù)據(jù)，也為大數(shù)據(jù)提供基礎信息。

2）從研究熱點方向來看，未來瓦斯預警系統(tǒng)應用的研究仍以數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化為主，瓦斯?jié)舛阮A警可視化展示是信息化動態(tài)展示，距離智能化還有一定的距離。因此，未來可視化信息如何向智能化控制延伸有待進一步深入研究。