邢東礦安全監(jiān)控系統(tǒng)多系統(tǒng)地面融合分析與優(yōu)化

靳鵬博

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

邢東礦安全監(jiān)測系統(tǒng)采用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院生產(chǎn)的KJ83X(A)型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)于2018年11 底完成升級改造工作，經(jīng)過試運行，現(xiàn)處于穩(wěn)定運行階段。目前安裝有280 余臺傳感器，實現(xiàn)了對邢東礦井上井下各個場所、設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控。

1 多系統(tǒng)概況

1.1 人員定位系統(tǒng)

邢東礦人員定位系統(tǒng)采用北京天一眾合科技有限公司生產(chǎn)的KJ133 型人員定位系統(tǒng)，安全標(biāo)識號為MFD090011，可實現(xiàn)對井下人員的實時定位跟蹤，同時實現(xiàn)對井下人員的“實時雙向無線通訊”。現(xiàn)井下安裝礦用本安驗卡分站2 臺，礦用本安型讀卡分站6 臺，礦用本安無線收發(fā)器26 個，信號覆蓋主要行人大巷、主要路口、各綜采工作面及掘進工作面等重要的人員聚集區(qū)，人員攜帶標(biāo)識卡通過井下固定位置的定位分站，定位分站實時監(jiān)測標(biāo)識卡的具體位置，并發(fā)送到上傳機，上傳機通過軟件顯示人員的實時位置和運動軌跡。

1.2 應(yīng)急廣播系統(tǒng)

邢東礦應(yīng)急廣播系統(tǒng)采用濟南華科電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KDW127 型廣播系統(tǒng)，它利用礦井以太網(wǎng)和廣播裝置組成，共有分光器2 臺，位于1126 車場和進風(fēng)斜井底，從分光器通過光纖連接各防爆主音箱KDW127，再由各防爆主音箱通過電纜連接副音箱KDW127，現(xiàn)有主音箱18 臺，副音箱10 臺。現(xiàn)覆蓋760 大巷，進風(fēng)斜井，980 大巷，1100 南部采區(qū)、各生產(chǎn)工作面。當(dāng)井下發(fā)生重特大突發(fā)事故時，調(diào)度指揮中心工作人員通過以擴音喊話的方式對突發(fā)事故地點進行疏散和疏導(dǎo)，避免二次事故的再發(fā)生。

邢東礦安全監(jiān)測、人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)均為獨立系統(tǒng)，見表1，各系統(tǒng)通信協(xié)議不同不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在發(fā)生突發(fā)事故后需立即撤人的緊急情況下，各系統(tǒng)之間不能實現(xiàn)互動聯(lián)動功能。

表1 多系統(tǒng)融合明細表Table 1 Multi-system integration details

2 多系統(tǒng)融合要求

針對全國煤礦存在的普遍問題，國家煤監(jiān)局下發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的通知：要求促進安全監(jiān)測監(jiān)控多元融合和信息共享，提高煤礦安全預(yù)測預(yù)警水平，實現(xiàn)安全監(jiān)測監(jiān)控信息的深度分析和綜合利用。方案要求：“實現(xiàn)井下有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有機融合、監(jiān)測監(jiān)控與GIS 技術(shù)的有機融合。多系統(tǒng)的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。鼓勵新安裝的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用井下融合方式。在地面統(tǒng)一平臺上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測、人員定位、應(yīng)急廣播，如有供電監(jiān)控系統(tǒng)，也應(yīng)融入。其它可考慮融合的系統(tǒng)：視頻監(jiān)測、無線通信、設(shè)備監(jiān)測、車輛監(jiān)測等。”要求：“安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用功能，至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：偽數(shù)據(jù)標(biāo)注及異常數(shù)據(jù)分析；瓦斯涌出、火災(zāi)等的預(yù)測預(yù)警；大數(shù)據(jù)分析，如多系統(tǒng)融合條件下的綜合數(shù)據(jù)分析等；可與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)檢查分析工具對接數(shù)據(jù)”。

3 多系統(tǒng)融合方式對比

3.1 地面融合

通過人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)上位機提供標(biāo)準接口（FTP、OPC、以太網(wǎng)口），按照煤監(jiān)測系統(tǒng)廠家提供的系統(tǒng)融合的協(xié)議，開發(fā)數(shù)據(jù)采集及聯(lián)動控制接口，實現(xiàn)地面融合，投資較少，維護方便，并且井下系統(tǒng)互不影響，通過多系統(tǒng)融合平臺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)利用，系統(tǒng)聯(lián)動。

3.2 井下融合方案

如果采用井下融合的方式，需要在每個采煤工作面以及掘進工作面分別布置一臺KT508-F 區(qū)域協(xié)調(diào)控制器，通過CAN 總線接口或以太網(wǎng)接口與該區(qū)域的監(jiān)控分站、定位分站以及擴播音箱連接，實現(xiàn)上述3 個系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)融合、應(yīng)急聯(lián)動功能。系統(tǒng)井下融合架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)井下融合架構(gòu)Fig.1 Underground fusion architecture of the system

井下區(qū)域協(xié)調(diào)控制器是數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，是實現(xiàn)井下多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)急聯(lián)動的重要組成設(shè)備。區(qū)域控制器分別與該區(qū)域內(nèi)監(jiān)控分站、人員定位分站以及礦用本安型主音箱通過CAN 總線接口或以太網(wǎng)接口直連，實現(xiàn)各個設(shè)備以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合聯(lián)動。且區(qū)域控制通過以太網(wǎng)接口就近接入環(huán)網(wǎng)交換機，在上述直連線斷開的情況下，可通過交換機實現(xiàn)各設(shè)備以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合，提供了冗余的鏈路，提升了系統(tǒng)的可靠性。區(qū)域協(xié)調(diào)聯(lián)動如圖2所示。

圖2 區(qū)域協(xié)調(diào)聯(lián)動示意Fig.2 Regional coordination linkages

區(qū)域協(xié)調(diào)控制器的主要功能為接收（并上傳）安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播等各個系統(tǒng)發(fā)送的應(yīng)急聯(lián)動數(shù)據(jù)，并依據(jù)之前設(shè)置好的聯(lián)動關(guān)系，發(fā)送控制命令給相應(yīng)系統(tǒng)，進行系統(tǒng)間的應(yīng)急聯(lián)動。區(qū)域協(xié)調(diào)控制器采用CAN 總線接口和以太網(wǎng)口兩種通訊接口與聯(lián)動設(shè)備進行通訊，同時，制定好2種接口的通訊協(xié)議，接入?yún)^(qū)域協(xié)調(diào)控制器的設(shè)備需要按照協(xié)議向控制器發(fā)送聯(lián)動數(shù)據(jù)（若接入設(shè)備無法按協(xié)議進行修改，也可修改區(qū)域協(xié)調(diào)控制器的通訊程序，以滿足不同情況下的使用要求）。

3.2.1 其他系統(tǒng)配接監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備

配接的安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用總線監(jiān)聽和主動查詢2 種獲取數(shù)據(jù)方式，區(qū)域協(xié)調(diào)控制器獲取到報警信息后，發(fā)送控制命令給擴播和人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動。與人員定位系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)擴播系統(tǒng)的設(shè)備接通訊時，需使用定制的通訊協(xié)議，以便區(qū)域協(xié)調(diào)控制器及時發(fā)布聯(lián)動指令或獲取2 個系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)。正常工作時，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)依然通過原有方式上傳數(shù)據(jù)至上位機。同時，以太網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器應(yīng)具有大容量的本地存儲芯片，可實現(xiàn)在與上位機通訊中斷的情況下，在本地存儲聯(lián)動數(shù)據(jù)或其他有用數(shù)據(jù)。

3.2.2 所有系統(tǒng)共同外接一臺設(shè)備

針對開放通訊協(xié)議的廠家，可采用總線監(jiān)聽和主動查詢2 種獲取數(shù)據(jù)方式，區(qū)域協(xié)調(diào)控制器獲取到報警信息后，發(fā)送控制命令給擴播和人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動。針對不開放通訊協(xié)議的廠家，需通過一臺主站匯總同一區(qū)域內(nèi)所有分站的應(yīng)急聯(lián)動數(shù)據(jù)并集中發(fā)送至區(qū)域協(xié)調(diào)控制器。區(qū)域協(xié)調(diào)控制器下發(fā)的聯(lián)動命令也通過主站轉(zhuǎn)發(fā)給同一區(qū)域內(nèi)各相關(guān)分站。

3.2.3 設(shè)備對外接口

區(qū)域協(xié)調(diào)控制器設(shè)計了6 塊可插拔的RS485和CAN 可互相轉(zhuǎn)換的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，可實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)與RS485 數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換，所有轉(zhuǎn)換板與主板CPU 間的通訊協(xié)議為固定的標(biāo)準協(xié)議（分CAN 和RS485 兩種），該設(shè)計具備2 個優(yōu)點：外接其他系統(tǒng)設(shè)備，需要協(xié)議轉(zhuǎn)換時，只需要修改協(xié)議轉(zhuǎn)換板的程序，無需修改主板程序；主板對外的輸出接口比較靈活，可配置為x（x 范圍0～6） 路CAN 接口和6-x 路RS485 接口，各個接口可以配置為主通訊接口或子系統(tǒng)接口，也可以配置相互間的中繼功能，以適應(yīng)不同區(qū)域總線接口需求。

根據(jù)邢東礦生產(chǎn)情況，邢東礦自2001年開始投產(chǎn)至今，為投產(chǎn)多年的大型礦井，目前井下各系統(tǒng)均已經(jīng)建設(shè)完畢，當(dāng)選用井下融合多系統(tǒng)的方式，需要邢東礦聯(lián)系協(xié)調(diào)人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播廠家，開放通訊協(xié)議，或者重新建立一套人員定位系統(tǒng)和應(yīng)急廣播系統(tǒng)再實現(xiàn)重新協(xié)議融合。根據(jù)分析可知地面融合比井下融合人力簡單、物力較少、建設(shè)周期短、操作過程容易、花費資金較少，綜合比較利弊后決定邢東礦多系統(tǒng)融合方式采用地面融合方式實施開展。

4 邢東礦多系統(tǒng)融合方案

邢東礦系統(tǒng)融合采用地面方式，融合的系統(tǒng)包含：安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)，本次邢東礦多系統(tǒng)融合還對供電監(jiān)控系統(tǒng)進行了融合，實現(xiàn)地面監(jiān)控中心對井下各個變電所的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視監(jiān)測等功能。本次融合主要采用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)升級改造時配備的多系統(tǒng)融合模塊和GIS平臺模塊來實現(xiàn)，如圖3。

圖3 安全監(jiān)測系統(tǒng)多系統(tǒng)融合GIS 平臺展示Fig.3 Display of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

4.1 多系統(tǒng)融合

針對邢東礦各系統(tǒng)屬于不同廠家的現(xiàn)狀，選取地面融合方法，采用軟件開發(fā)平臺，通過制定標(biāo)準協(xié)議函數(shù)，達到各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)獲取的目的。

KJ83X(A)型數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)GIS 平臺通過數(shù)據(jù)接口獲取人員定位系統(tǒng)某區(qū)域（讀卡機位置） 人員位置信息和工作狀態(tài)進行統(tǒng)計顯示；通過數(shù)據(jù)聯(lián)動應(yīng)急廣播報警通知人員撤離；通過數(shù)據(jù)接口能夠獲取主要供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的饋電狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在GIS 平臺上采用不同的顏色進行顯示。

4.2 多系統(tǒng)聯(lián)動

KJ83X(A)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器或斷電區(qū)域具有與人員定位系統(tǒng)讀卡機ID 綁定設(shè)置，當(dāng)發(fā)生某區(qū)域數(shù)據(jù)超限、斷電報警，可以通過數(shù)據(jù)接口下發(fā)到人員定位系統(tǒng)讀卡機或應(yīng)急廣播系統(tǒng)設(shè)備，進行人員危險通知或語音報警；當(dāng)人員進入井下禁區(qū)，GIS 平臺可以實時顯示，并通過應(yīng)急廣播系統(tǒng)進行提示。

4.3 系統(tǒng)GIS 平臺實現(xiàn)

系統(tǒng)融合GIS 平臺通過多圖層疊加設(shè)計實現(xiàn)集成展示，融合后，監(jiān)控系統(tǒng)會將其它系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進行存儲，為系統(tǒng)之間的互動做好準備，獲取不同系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)后，根據(jù)實際的需要，對不同系統(tǒng)的設(shè)備進行關(guān)聯(lián)存儲，并設(shè)定觸發(fā)的條件，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互動提示或報警，如圖4和圖5所示。

圖4 安全監(jiān)測系統(tǒng)多系統(tǒng)融合GIS 平臺應(yīng)急聯(lián)動示意Fig.4 Emergency linkage indication of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

圖5 安全監(jiān)測系統(tǒng)多系統(tǒng)融合應(yīng)急聯(lián)動命令下達示意Fig.5 Safety monitoring system multi-system integration emergency linkage command issued instructions

通過多系統(tǒng)的融合后，采用大數(shù)據(jù)分析可改變以往“被動”監(jiān)控的狀態(tài)，主動對監(jiān)控信息進行智能分析，消除偽數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)瓦斯涌出、火災(zāi)等突發(fā)事件的預(yù)測預(yù)警，達到事前預(yù)警、有效監(jiān)視，把事件的發(fā)生消滅在萌芽階段。

多系統(tǒng)聯(lián)動功能的條件、參數(shù)和應(yīng)急方案由邢東礦根據(jù)實際情況設(shè)定。聯(lián)動條件觸發(fā)時，系統(tǒng)不斷發(fā)出警告聲音，并彈出對話框由安全監(jiān)測值班人員確認是否發(fā)出聯(lián)動控制信號，值班人員確定后，系統(tǒng)自動根據(jù)預(yù)設(shè)方案進行聯(lián)動控制，當(dāng)甲烷或一氧傳感器達到規(guī)定的報警值時，啟動應(yīng)急預(yù)案下發(fā)撤人命令。

5 結(jié)語

依據(jù)國家下達的升級改造技術(shù)方案要求，需要對人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)進行進行多系統(tǒng)融合，以提高煤礦安全預(yù)測預(yù)警水平。邢東礦采用地面融合的方式實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的多系統(tǒng)融合，實現(xiàn)在瓦斯超限時，通過應(yīng)急廣播系統(tǒng)播放撤離信息，通過人員定位系統(tǒng)發(fā)送撤離信號，通過供電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測供電情況，實現(xiàn)了多系統(tǒng)互動聯(lián)動功能，保證了邢東礦職工人身安全。