煤礦安全監控系統自診斷方法研究

許 金，何 橋

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦安全監控系統升級改造明確規定安全監控系統必須具備自診斷和自評估功能，診斷和評估的內容包括傳感器定位未標校提醒、傳感器的設置及定義和模擬量傳感器的工作狀態等[1-2]。當前針對煤礦安全監控系統的合規性，主要采用人工檢查的方式進行，缺乏系統的評估方法和高效的診斷工具。為此，在分析煤礦安全監控系統相關法律法規的基礎上，提出并開發了一種基于多元信息評估的煤礦安全監控系統合規性評判系統。系統主要包括礦井監控系統GIS 與可視化展現模塊、合規性量化評判模型、分析評判服務程序共3 個部分。監控系統數字化與可視化展現模塊主要為基于開源組件開發的礦井GIS 模塊，用于煤礦巷道、傳感器等矢量化和評判結果的展現；合規性評判分析模型主要為基于相關規程建立的評判準則與量化方法；合規性評判分析服務程序用于實時分析評判，并將評判結果傳遞給礦井GIS 模塊。

1 煤礦安全監控系統圖形化與可視化展現

煤礦安全監控系統的數字化是實現自動分析評判的基礎。通過程序自動識別與人工輔助的方式實現監控系統的數字化，基于二三維GIS 技術將煤礦安全監控系統布置圖轉換為軟件可識別的點、線、面等元素，實現礦井巷道、監控系統設備、工作區域及相互的空間位置關系的矢量化。

1）搭建GIS 模塊。GIS 模塊主要由Openlayers、Geoserver、postGIS 和postgresql 等組件完成[3-4]。Postgresql 主要保存巷道和設備等轉換的點、線等元素信息，postGIS 用于分析計算各元素之間的拓撲關系等，geoserver 用于整個監控系統布置矢量圖的渲染與重構，openlayer 主要用于Web 端數據的傳遞與發送。

2）礦井巷道數字化。礦井巷道數字化主要通過GIS 模塊提供的人工交互界面，基于礦井真實CAD人工繪制而成，并標注巷道名稱、類型、用途、斷面尺寸、進風、回風、所屬工作面等信息。巷道繪制完成時，GIS 模塊會自動通過巷道的相交關系，提取巷道的端點與拐點，生成巷道拓撲關系。為確保巷道繪制的完整，系統內置了礦井開采基礎巷道類型的個數。

3）監測設備的圖元化與位置標注。對安全監控系統分站、交換機、甲烷傳感器、溫度傳感器、風速傳感器設計不同的圖標，通過手動拖拽的方式綁定到巷道相應位置。當設備綁定到巷道時，GIS 模塊會自動計算距離設備最近的巷道，自動消除人為因素造成的設備未標注在巷道上的誤差。

2 煤礦安全監控系統合規性評判模型

2.1 評判指標及準則

基于《煤礦安全規程》、AQ 6201—2019 煤礦安全監控系統通用技術要求、AQ 1029—2019 煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范等相關規范標準，整理了煤礦安全監控自診斷評判指標[5-8]，自診斷指標體系如圖1。

1）設備安裝個數。設備安裝個數指的是相關規程規定的地點或區域需要安裝不同類型傳感器的個數是否滿足要求。評判的算法流程圖如圖2。首先根據法律法規，整理需要安裝傳感器的巷道、地點，及傳感器類型、個數要求，建立安裝個數準則庫。在此基礎上通過GIS 模塊，查找出需要評判的巷道、地點及綁定的傳感器數據。最后根據準則庫，依次判斷是否合規。

2）工作面傳感器安裝達標。工作面包括采煤工作面和掘進工作面，其作為煤礦安全生產的最重要的場所，其位置的環境參數監測對于煤礦安全防控具有重要的意義。

圖1 自診斷指標體系Fig.1 Self-diagnosis index system

圖2 安裝個數評判流程圖Fig.2 Flow chart of installation number evaluation

3）設備安裝到位。設備安裝到位指的是采掘工作面的瓦斯傳感器T0、T1、T2等安裝距離是否符合規定。需要借助具備自主定位功能的傳感器實現，從監控系統中獲取數據來判定。

4）門限配置。該指標指的是監控系統中傳感器的報警、斷電、復電門限配置時候符合規定。首先根據規定整理出門限配置準則庫，并存入數據庫。然后根據監控系統中傳感器實際門限配置情況進行判定。

5）傳感器量程。由于不同量程的傳感器監測精度和范圍不一樣，不同瓦斯等級的礦井和不同地點對傳感器量程有不同要求。首先根據GIS 模塊和煤礦瓦斯等級，獲得需要安裝高低濃度或全量程的傳感器地點，然后根據規定進行判定。

6）控饋關系定義完善。控饋關系的定義是實現監控系統斷電控制的基礎。根據規定整理出需要定義控饋關系的傳感器與分站，然后根據實際的數據進行初步判定。

7）實時監測狀態。實時統計當前煤礦安全監控系統正常運行的設備數量占比。按照下式計算。

式中：us為實時監測狀態合規性指數；x 為非故障設備數量；y 為設備總數。

8）控饋異常。控饋一致是衡量煤礦安全監測系統控制有效的最重要指標。采用實時控饋異常記錄和歷史控饋異常記錄來綜合衡量監控系統的控制有效能力。

9）斷電控制時長指數。相關規程規定監控系統本地斷電控制不應超過2 s，異地控制斷電不應超過2 個巡檢周期。由于本地控制時間難以獲取，這里直接采用異地控制斷電指數來衡量。統計最近30 d 的斷電控制記錄，計算滿足要求的記錄占比。控饋記錄為0 得滿分。

式中：ud為斷電控制時長合規性指數；m 為統計周期內合規記錄數；n 為統計周期內斷電控制記錄。

10）甲烷傳感器定期調校。監控設備必須定期調校，定期調校主要根據程序自動識別，根據規定，調校主要過程為：調校零點（范圍控制在0.009%～0.03%），達到斷電值（持續時間大于90 s），恢復到原始值。據此建立傳感器調校判定流程如下[9]：①通過Sql 語句查詢出超過或達到2.0%的報警數據；②判斷報警開始時間刻前5 min 內數據是否存在零點；③判斷超過2.0%的值持續時間是否大于90 s；④整個報警持續時間不大于5 min。以上要求均符合，則判定為調校合規，否則判定為非調校（含調校不合規）。

11）監控日報查看指數。根據規定，煤礦調度人員，應該每天至少查看1 次監控日報，由監控系統自動記錄監控日報、曲線等的查看記錄。該指標評方法為，統計最近30 d 的的監控日報查看情況。

式中：uj為監控日報查看合規性指數；tx為查看記錄至少為1 次的天數；ty為統計周期，這里取30。

12）歷史監測狀態指數。該指標主要用來衡量監控系統穩定運行程度。主要統計最近主要統計最近一段時間，監控設備的故障時長占比，基于監控系統歷史數據計算獲得。

式中：ul為歷史監測狀態合規指數；k 為傳感器個數；ts為故障時長，s。

13）監測值長時間變化較小。為確保傳感設備能正常監測井下環境參數，檢測是否通過人為作弊的方式影響環境參數的準確性，通過監測值長時間變化值指數衡量監控設備的運行合規性。通過西南地區高瓦斯及瓦斯突出礦井研究得到，80%的環境瓦斯監測濃度在12 h 會發生變化，1 d 不變的占比降低為11%左右，3 d 不變的監測點約為8%，7 d 不變的瓦斯監測點占比約為2.73%，15 d 不變的瓦斯監測點降低為0.47%。對于采掘工作面、主回風巷等地點，99.9%的傳感器會在30 min 發生變化。對于安裝在此類地點的傳感器，選取1 h 為限來判定，其他地點的傳感器，選取15 d 為限判定。

14）平臺組件。主要包括雙擊熱備狀態、主備數據庫實時狀態、主備WCF 狀態、磁盤空間和CPU 運行情況等。該數據直接從監控系統中獲取。

2.2 綜合評估

煤礦安全監控系統合規性評判的目的一方面使督促煤礦加強系統系統使用于管理規范，另一方面是幫助煤礦了解掌握煤礦安全監控系統當前的狀態以及系統運行態勢。因此這里主要采用縱向評估的方式。具體步驟如下[10]：

1）設置各指標的最優合規值，理論上完全達標或合規即為最優值。當為越大越優型指標，取最大值為最優值。當為越小越優型指標，取0 為最優值，或取最近一段時間內所有樣本中的最小值為最優值。

2）計算各指標的當前合規指數SHGi。當前合規指數直接根據數據按照評判準則計算而得。

3）計算各指標的當前合規指數SHGi與最優指數SZYi的相似度Sxsi。

4）確定各指標的權重。綜合利用層次分析法和熵值法確定各評判指標權重，按照各取0.5 方法得到綜合權重。

5）計算綜合相似度IZH，確定預警等級。

式中:Wi為第i 個指標的權重。

3 軟件實現

基于.NET 平臺，開發了煤礦安全監控系統合規性評判軟件，包括數據采集模塊、數據分析處理模塊和數據傳輸與存儲模塊。數據采集模塊主要通過WCF 接口從監控系統中心站獲取監測數據。數據分析模塊具體分為數據預處理子模塊和數據處理子模塊。預處理子模塊主要對采集的數據進行規則校驗、去噪等。數據處理子模塊主要依據評判準則對其進行評判。評判結果通過GIS 模塊進行展現，合規性軟件功能結構如圖3。

圖3 合規性軟件功能結構Fig.3 Functional structure of compliance evaluation software

4 結 語

提出了一種基于相關法律法規的煤礦安全合規性評判指標、準則及方法，并基于煤礦安全監控系統，開發了相應的軟件和程序。開發的煤礦安全監控系統自診斷方法能實時對煤礦監控系統的合規性進行分析，對煤礦監測監控管理人員和監管監察相關人員快速掌握礦井監測監控系統運行狀況具有重要的參考價值。