基于多系統融合的反風演練指揮平臺設計與應用

王寶來， 胡開庚， 陳安國， 韓國慶， 袁志金

(開灤(集團)有限責任公司， 河北 唐山 063018)

0 引言

根據《煤礦安全規程》規定，礦井每年都要舉行一次礦井反風演練。礦井反風演練主要檢驗通風機系統反風運轉的可靠性和穩定性、有害氣體涌出量、礦井發生火災等災變條件下應急救援指揮系統的響應及礦井人員應急撤離情況。因此，礦井反風演練在積累礦井災害預防和處理經驗中具有重要的現實作用。但現有反風演練存在以下問題：

(1) 報警系統和實時地圖能夠預警與顯示礦井災變條件下的主要信息，但存在響應速度慢、反饋災變信息不及時等缺點[1-2]。

(2) 主要通風機能夠實現集中遠程控制反風，可以縮短通風機防反風時間，滿足反風量要求，但存在實時系統與操作平臺之間反復切換、操作過程復雜等缺點[3-5]。

(3) 調度作業人員可對各種數據進行組織與分析，提供給指揮人員決策，滿足反風演練的基本要求[6-9]，但缺乏對現場大數據的有效綜合分析，指揮人員不能全面了解礦井信息，指揮決策完全依據現場作業人員的分析和經驗判斷，具有一定的風險性[10-12]。

為解決目前煤礦反風演練過程中存在的反饋信息不及時、多個實時系統不融合、數據分析效率低和實時操作不方便等問題，結合煤礦現有的安全監控系統、井下人員定位系統、礦車定位系統、綜合自動化系統、電力監控系統、視頻監視系統等，應用大數據獲取和分析、GIS等技術，筆者設計了一種基于多系統融合的反風演練指揮平臺，在融合多系統的基礎上設計了實時地圖系統、停送電系統、綜合報警系統、交互組件系統，通過對反風演練過程中多個環節的輔助確認和遠程操作，達到減少反風參與人員、提高反風作業效率和安全水平的目的。

1 煤礦反風演練過程

反風演練分為反風前、反風中和恢復正常送風3個階段。具體演練過程如下：

(1) 反風演練前，各單位將反風演練無關的人員撤出升井，并及時匯報給指揮部。

(2) 各單位根據反風演練會議的具體停電計劃對各區域進行停電，并及時匯報給指揮部。

(3) 參與反風演練的人員全部到位，經現場指揮確認后匯報給指揮部。

(4) 指揮部下達反風演練開始命令，現場指揮通知作業人員控制通風機，開始反風演練。

(5) 指揮部下達反風演練停止命令，現場指揮通知作業人員控制通風機，停止反風演練并恢復正常送風。

(6) 經指揮部同意，現場指揮通知瓦斯排放人員處理瓦斯，并將結果匯報給指揮部；通知送電人員逐級恢復送電，并將結果匯報給指揮部。

(7) 經指揮部同意，現場指揮組織參與反風演練人員有序撤離，反風演練結束。

2 反風演練指揮平臺設計

2.1 平臺總體設計

反風演練指揮平臺以礦井反風演練過程為依據，采用C/S架構，服務器和客戶端與安全監控系統服務器、定位系統數據庫服務器、綜合自動化系統OPC服務器、電力監控系統分站、網絡高清攝像頭等配置在同一個工業環網內，使得客戶端與服務器和網絡設備能夠利用相應的協議直接通信，服務器應用大數據技術實時獲取煤礦安全監控系統、井下人員定位系統、礦車定位系統、綜合自動化系統、電力監控系統、視頻監視系統等數據，獲取的數據有主要通風機編號、電動機負荷、軸承溫度、風量、風壓、效率,水倉水位,各區域停送電情況,反風時間,礦井總進風、總回風,各工作面瓦斯濃度、一氧化碳濃度,礦井與采煤工作面反風率,主要通風機反風效果等，并對數據進行分類、篩選和加工，完成多系統的融合。在多系統融合基礎上設計了實時地圖系統、停送電系統、綜合報警系統、交互組件系統，共同構建形成反風演練指揮平臺，平臺網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 反風演練指揮平臺網絡拓撲結構Fig.1 Network topology of the anti-wind drill command platform

利用現有的煤礦大數據資源構建一種多任務多源異構數據實時響應的反風演練指揮平臺，平臺人員分布如圖2所示。

調度指揮員實時觀察反風演練過程的執行進度和報警信息，以便快速做出決策。安全監測員重點觀測人員位置、瓦斯、風量、溫度等數據變化情況，并對相關的監測報警信息進行處理。停送電操作員根據調度指揮員的要求進行遠程停送電操作，同時對相關的供電系統報警信息進行處理。數據管理員負責基礎數據的錄入，以及反風演練流程、地圖、監測點等多種數據的維護。系統運維員負責跟蹤和處理實時數據服務運行中的各種系統故障，保證實時數據和報警數據的有效性。

圖2 反風演練指揮平臺人員分布Fig.2 Personnel distribution of anti-wind drill command platform

2.2 數據獲取與分析

(1) 數據獲取。礦井反風演練過程需要實時獲取多個系統采集的數據，為提高客戶端數據解析的效率，服務器將獲取的數據編譯成統一的格式發送給客戶端，實時數據獲取關系如圖3所示。其中，DataSourceDef表示數據源；PointDef表示點的定義；PointDataType表示數字量、模擬量和字符串3種數據類型；PointValueDef表示實時數據定義；Quality表示數據質量。

圖3 實時數據獲取關系Fig.3 Real-time data acquisition relationship

煤礦安全監測系統數據主要包括瓦斯濃度、溫度、風速、風向、負壓、風門開關等。煤礦安全監測系統使用WebAPI發布系統的實時數據和報警數據，便于網絡中其他系統調用。

人員定位系統數據主要包括人員的基本信息、區域信息、分站信息、人員位置、人員軌跡、區域人數等。平臺服務器通過OLEDB(Object Linking and Embedding Database,對象中連接嵌入數據庫)方式連接人員定位系統數據庫獲取有效數據。

礦車定位系統是采用人員定位系統的分站接收和發送數據，因此，服務器也通過OLEDB方式連接人員定位系統的分站數據庫獲取有效數據。

電力監控系統分站與主站之間采用Modbus TCP協議進行通信，可實現系統服務器與現場供電分站直接通信，能夠保障數據實時傳輸和遠程停送電控制。

綜合自動化系統OPC服務器采用標準OPC協議與平臺服務器進行通信，實現有效數據的獲取。

(2) 數據分析。礦井反風演練過程中，需分析每個單位和區域的井下人員數量、電力監控分站的實時數據、重點人員是否到達待命地點和工作地點、人車的運輸過程和通風機的運轉方向。

數據分析的主要步驟：為每個任務設置順序編號和自動確認表達式(由實時數據項、數字、字符和數學運算符號等基本項組成)，形成任務列表；自動確認線程啟動后，運用VB腳本技術，按照順序編號依次計算判別式結果，順序編號大的任務必須在順序編號小的任務確認完成后才能進行計算和確認；記錄完成確認的任務，并將其移出任務列表。

2.3 實時地圖系統設計

利用GIS的相關功能對采集數據進行處理和運算，建立地圖信息。實時地圖系統是礦井反風演練的重要組成部分，基于GIS原理，以礦井通風[13-14]示意圖為背景圖層，增加區域人員變化、人車位置、風向、瓦斯、溫度等數據集，通過自動采集和更新數據，實現地圖的動態更新和顯示，直觀地反映井下環境變化情況。將人員、風向、 瓦斯等重要觀測數據以圖形化的方式顯示在通風系統示意圖上，實現煤礦的地理信息管理、分析、輔助決策等。

2.4 停送電系統設計

停送電系統以供電系統示意圖為主界面，以開關操作窗口為用戶遠程控制窗口，在供電系統上實時顯示開關狀態。當需送電時，先在供電系統示意圖上選中開關，然后選擇停送電操作工具欄開關，系統自動計算停送電線路，并將停送電開關順序顯示在開關操作窗口中，操作人員由上到下依次選擇開關，逐級送電。

2.5 綜合報警系統設計

綜合報警系統具有報警數據生成、報警數據顯示和報警規則設置3個功能，其中報警數據生成屬于服務器系統功能，報警數據顯示和報警規則設置屬于客戶端系統功能。綜合報警系統通過文本和語音的形式實時反映平臺和現場發生的異常信息，并根據需要啟動相應的應急預案，有效減少現場事故的發生。

報警數據生成是將采集的實時數據和報警規則進行比較，如滿足報警條件則生成新的報警記錄，反之則結束與此規則相同的報警記錄。報警數據生成為獨立的工作線程，按照固定的時間間隔工作。

語音報警采用微軟語音引擎技術實現，只對新發生的報警記錄有效，當客戶端接收到新的報警內容時，啟動語音報警線程，將新的報警內容轉換為語音輸出。報警文本以彈窗為載體，以列表形式顯示，當報警內容出現變化時，自動彈出報警窗口，刷新列表，按照時間倒序排列顯示報警內容。

報警規則決定報警的顯示內容和報警發生的條件，其數據保存在后臺數據庫中，在客戶端進行設置。

2.6 交互組件系統設計

為便于查詢和顯示與地圖相關聯的信息，提高系統的交互性能，設計了基于MEF(Managed Extensibility Framework,托管可擴展框架)技術的交互組件，如圖4所示。通過交互組件，可快速實現遠程視頻調用、區域人員查看、實時數據獲取、人員位置搜索、人員軌跡查詢等功能，有效提高了參與反風演練人員的工作效率。

圖4 交互組件接口Fig.4 Interface of interactive components

對于遠程視頻調用、區域人員查看、實時數據曲線等組件，使用時需先在地圖上選擇圖形，然后選擇工具欄中組件對應的圖標，進而查看結果；而對于人員位置搜索、人員軌跡查詢等組件，可直接選擇工具欄中的組件圖標，彈出操作窗口，完成命令輸入，顯示結果。

交互組件能夠實現與地圖中“攝像頭”圖層的圖形交互，圖層屬性表能夠保存訪問網絡視頻所需的參數。該組件也可實現與地圖中“區域人員”圖層的圖形交互，圖層屬性表能夠保存測點編碼，作為參數傳遞給組件。

交互組件可與區域人員、瓦斯、一氧化碳、溫度等多個圖層進行圖形交互，每個圖層中均用測點編碼屬性作為參數傳遞給組件。組件使用多線程技術從服務器獲取相應實時數據，使用GDI+進行繪圖。

交互組件能夠實現人員定位系統功能，即通過工號或姓名查詢人員信息。組件查詢結果為主從結構數據集，主表顯示人員信息，從表顯示軌跡數據。

3 反風演練指揮平臺應用

基于多系統融合的反風演練指揮平臺已在開灤(集團)有限責任公司呂家坨礦反風演練中得到應用，反風演練過程中，指揮平臺自動提示反風演練執行步驟。

反風演練指揮平臺運行界面如圖5所示。界面左側顯示實時地圖，右側顯示實時瓦斯濃度數據。實時地圖顯示風向、區域人數、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、溫度、人車位置、重點人員位置等實時信息,反風前的正常風向用綠色箭頭表示，反風風向用紅色箭頭表示。瓦斯濃度數據按從大到小排列，便于工作人員查看。

圖5 反風演練指揮平臺運行界面Fig.5 Operation interface of anti-wind drill command platform

反風演練過程中的多數確認工作不再需要人員到現場進行，由反風演練指揮平臺自動確認即可滿足要求。對于部分無法由系統自動確認完成的步驟需要工作人員手動確認。當所有預案執行完后，工作人員將預案的執行流程生成日志，保存在文本文件中。

反風演練指揮平臺實現的實時地圖及對多個系統的數據融合，從人員、設備、環境等方面真實有效地反映了礦井現場實際情況，通過對數據接口、報警、預案的管理和配置，能夠應用于礦井各種實際災害狀態下的搶險救災過程。

反風演練指揮平臺提供了瓦斯實時監測列表，將各區域的瓦斯實時數據從大到小排列，方便調度指揮人員及時查看瓦斯數據，提前作出安排，避免現場瓦斯積聚。當瓦斯達到報警值時，平臺顯示報警窗口，并進行語音播報。

反風演練指揮平臺提供了井下水位監測列表，將各泵房水位集中顯示，水位達到報警值時進行語音報警，方便調度指揮員及時安排人員處理，避免井下積水。

停送電系統界面如圖6所示。左側為供電系統，綠色表示開關為閉合狀態，紅色表示斷開狀態，紅色線路為系統根據工作人員選擇的目標開關自動計算的送電路線。右側為停送電操作界面，開關依據送電路線排列，并顯示實時狀態。送電時，工作人員從上往下依次選中，進行送電操作，開關由紅變綠表示送電成功；停電時，需從下向上依次完成操作。

通過分析計算供電系統示意圖開關連接關系，實現了停送電線路搜索，能夠直觀地將停送電開關進行分級顯示；通過與供電分站直接通信，實現了停送電遠程操作，特種作業人員能夠通過平臺進行遠程停送電操作，提高了停送電效率。

反風演練指揮平臺積累了大量的反風演練數據，為反風演練過程的進一步優化提供了參考，能夠幫助決策者更加合理地調度資源、安排現場參與人員。

4 結論

(1) 基于多系統融合的反風演練指揮平臺以礦井反風演練過程為依據，采用C/S架構，將平臺服務器和客戶端與煤礦現有系統服務器配置在同一個工業環網內，使得服務器和客戶端與各系統能夠利用相應的協議直接通信，利用大數據技術有效獲取煤礦安全監控系統、井下人員定位系統、礦車定位系統、綜合自動化系統、電力監控系統、視頻監視系統等數據，并對數據進行分類、篩選和加工，完成多系統的融合。

圖6 停送電系統界面Fig.6 Interface of power outages and transmission system

(2) 實時地圖系統可實現地圖的動態更新和顯示，直觀地反映井下環境變化情況；停送電系統實現了供電線路自動搜索和遠程停送電功能，保障停送電的可靠性與安全性；綜合報警系統通過文本和語音的形式實時反映平臺和現場發生的異常信息，并根據需要啟動相應的應急預案，有效減少現場事故的發生；通過交互組件，客戶端可快速實現遠程視頻調用、區域人員查看、實時數據獲取、人員位置搜索、人員軌跡查詢等功能，實現了實時數據和分析結果的可視化顯示，有效提高了參與反風演練人員的工作效率。

(3) 應用效果表明，該平臺可減少參與反風演練的人員數量，提高停送電效率，保證演練過程安全可靠，可應用于礦井各種實際災害狀態下的搶險救災。