神東井下緊急撤人綜合指揮指引系統的設計與應用

田立棟,劉 正

(國能神東煤炭集團有限責任公司智能技術中心,陜西 榆林 719315)

0 引言

煤礦井下受到水、火、瓦斯、有毒有害氣體及頂板等威脅,作業環境條件惡劣,地質條件常有變化,不安全因素多。要降低煤礦安全事故的發生,一是以預防為主,降低災害事故發生的概率[1-2],二是要完善井下安全避險系統,從軟硬件設施投入上,最大限度避免或減少事故造成的人員傷亡和財產損失[3]。筆者基于神東13礦14井智能化礦井越來越多安全監測系統和智能化設備應用的現狀[4-5],提出設計一套綜合指揮指引系統,打通各煤礦現有礦井安全保障系統之間的數據互聯,實現數據聯合分析預警,暢通電話、短訊息、語音廣播、安全帽和手持終端振動等多種預警報警通道[6-7],確保在發生險情時,能夠通過多種方式及時通知煤礦井下人員按最佳方案進行撤離或避災[8]。

1 現狀及總體思路

神東各煤礦單位都制定有在緊急情況下停產撤人的應急指揮和應急撤離措施,而且賦予現場帶班人員、班組長、調度人員在緊急情況下停產撤人的決策權和指揮權。在依托完善的多級指揮體系和井下現有的避難硐室和煤礦工人自身配備的自救器等設施工具情況下,礦井在緊急情況下撤人、救援、自救的效率及質量較傳統條件下提高了很多。其次,神東礦井單位都建立了礦井災害預警系統、車輛管理系統、礦井應急避險系統、人員定位系統、安全監測監控系統,部分礦井還建有礦井人員健康監測系統。這些系統在礦井安全保障的不同領域發揮著重要的作用,但是在大數據分析、系統聯動方面還未發揮更深層次的作用。另外,由于井下環境本身的特殊性,加之巷道多、距離長、設備線路管道多,給人員撤離帶來一定的困難;員工在停電、停風、斷網的不同條件下緊急撤離時也會面臨不同的困難。目前撤人方案在信息化、智能化手段的使用上還有很大提升空間。

鑒于上述情況,有必要充分研究整合利用現有的各大安全監測系統、硬件設施、智能裝備,在充分調研現有軟硬件設施利弊及數據接口的基礎上進行頂層設計,設計一套能覆蓋井下各大系統、生產活動場點、智能設備設施的綜合指揮指引系統,打通關鍵數據要素流通通道,進行深層次數據整合及預警推送,充分利用井下軟硬件設施進行預警、報警,實現預警信息深層次挖掘和多渠道下發,為神東各礦井的安全生產保駕護航。

2 軟硬件調研

2.1 人員定位系統

調研神東13礦14井14套人員定位系統,各定位系統都具備井下基礎地圖展示、人員車輛實時定位、人車數量統計、軌跡查詢、基站信息查看等功能。存在的問題主要有:數據精度誤差較大;基站到定位卡的探測容易受到遮擋等因素影響,存在盲區死角;嚴重依賴網絡,沒有離線地圖包;沒有實時數據共享機制,低延時使用實時定位數據有困難。

2.2 車載終端

神東13個煤礦單位和生產服務中心、開拓準備中心共15個單位的425臺新能源車、1 852臺燃油車均未配備井下導航系統。2類車輛都有車載數據上傳終端,可聯網上傳實時數據。新能源車有電壓、電流、里程、車速、車輛總體狀態等測點,燃油車有排溫、里程、水溫、發動機轉速、瓦斯濃度等測點。車輛終端集成了鏈路報警、求救報警、車輛報警功能,但求救報警功能幾乎未使用過。終端使用的大部分為安卓系統或linux系統,硬件配置較低,屏幕小,不具備安裝車載導航系統的條件。

2.3 手持終端

神東公司井下員工使用的防爆手機全部為安卓系統或華為鴻蒙系統。員工手機可通過4G基站撥打電話、連接內網和互聯網。手機通過神東生產管控平臺可實現設備實時狀態查看、井下人車定位。由軟件研發部在布爾臺煤礦和寸草塔二礦2個試點實施的智能感知系統具備人車定位查看、基站、地測點、安全監測監控、各類生產設備、攝像頭等實時定位和業務數據查看功能。系統具備導航路線規劃功能和環境感知報警系統功能,但開發尚未完成,目前測試功能還不完善。

2.4 安全監測系統

神東監測聯網系統(舊)數據傳輸規范由山西精英科技提供,為山西省原來的標準,新采集數據使用《煤安監辦〔2019〕42號附件2》規定的標準傳輸。經過對11個礦(除石圪臺煤礦、布爾臺煤礦)調研,共有環境瓦斯測點362個、一氧化碳測點179個、氧氣測點114個、局部通風機74個、主通風機52個,這11個礦的數據已納入神東生產數據倉庫可供使用。由山西科達實施、深圳翌日集成的井下道閘系統,已經具備結合井下安全監測數據和車輛區域聚集數量、車輛尾氣測量數據的能力,實現區域道閘控制。

2.5 煤礦用機器人

調研了變電所、水泵房、工作面軌道、膠帶機、軌道式巷道、危險氣體6類巡檢機器人30臺,涉及中信重工、天瑪、華夏天信等10余個廠家。所有機器人均具有數據上傳能力,還具有巡檢時長、巡檢距離、視頻查看等功能,但均不具備遠程喊話功能。部分廠家的機器人正在研究集成人員行為識別和區域入侵檢查功能。機器人應用的主要場景為固定區域巡檢,目前應用比較好的機器人每天開機時間可達到1 400 min,巡檢距離約1 000 m。

2.6 具備語音功能的設備

井下常用具備語音功能的設備主要有工作面廣播系統、華寧控制器語音喇叭、華寧控制器后安裝的網絡通話裝置、部分攝像頭、天瑪實施的緊急避險系統報警喇叭、控制臺固定電話、智能安全帽、部分定位終端、手機手環等。目前這些系統之間數據獨立,基本不具備一鍵聯動能力。

3 設計方案

經過調研,得知井下在用的安全信息系統在不同的方面起到很大的保障作用,但同時也存在數據相對獨立,沒有實時聯動分析報警機制,綜合感知能力差,沒有安全風險決策指引和緊急突發狀況應急指揮功能等問題。因此,首先需建立一個綜合性的安全預警應急指揮系統,實現煤礦傳統安全信息系統和智能煤礦系統間的數據互聯互通、數據融合,進行系統間聯動;其次,要對井下的車載終端、應急指示裝置、應急救援裝置、安全帽、機器人、手機管控平臺等進行智能化改造升級,完善通信能力和離線數據分析能力、預警報警能力、撤離指引能力;再次,需建設地面撤離指引和應急指揮大數據分析系統,包含實施預警、井下全狀態監測、指令傳達、自動形成處置建議、救援路線規劃、撤離路線規劃等功能;另外,井下監測設備設施都需配備完善的離線在線撤離指引系統,其基礎是離線在線條件下都可用的礦區礦井地圖包功能。完善的礦井地圖包及井下災害監測數據,能夠為撤離指引自動規劃提供基礎性功能保障;最后,應充分考慮斷網斷電、停風等不同條件下,水、火、瓦斯、有毒有害氣體及頂板等不同災害威脅情況下的智能化設備應用、大數據指引、系統間聯動的功能發揮。智能指揮系統組成如圖1所示。

圖1 緊急撤人智能指揮系統組成

4 詳細設計與應用

4.1 完善撤離指引設備設施

4.1.1 車載導航及人員狀態監測系統

煤礦井下車輛應配備專用的車載導航系統,導航系統應具有一般模式和緊急模式2種狀態。2種模式下,屏幕均能對系統聯網狀態、定位狀態、井下通風、供電狀態給出明顯顯示。具有覆蓋礦區地面和井下的礦區專用的在線、離線地圖包,在線狀態下可聯網升級,離線狀態下能夠使用緩存的地圖包數據,并及時給出需聯網提醒,離線時間超出閾值時,導航終端自動切換至緊急模式。當發生緊急情況時,車載導航系統自動切換至緊急模式。緊急模式下,車載導航系統第一時間進行語音報警和屏幕紅框提示,自動切換至導航升井或導航避災路線規劃。導航系統仍然能夠聯網的情況下,系統自動連接后臺大數據分析系統和應急指揮系統,根據后臺大數據系統給出的分析結果,識別緊急模式出現的原因,根據影響因素的不同,給出導航路線規劃;不同的路線給出預期升井時間和最可能的危險因素、沿途有無人員需要乘車。在接收到應急指揮系統發來的撤離方案時,能夠根據方案自動規劃調整升井撤離或避災躲避的路線。車載導航無法聯網的情況下,導航系統應能夠使用離線地圖包進行撤離路線規劃,給出規劃路線的預期時間,沿途主要地點能給出標識,尤其是避難硐室、緊急避災點等要突出標識。

車載導航的路線規劃可結合后臺大數據分析和人工輸入參數2種方式進行行車影響因素提醒,例如井下路段正常施工或發生緊急情況時,人工可錄入施工位置或緊急情況發生的位置、對行人行車可能帶來的影響,車載導航在規劃路線階段就能給駕駛員直觀的提示。后臺大數據分析能夠檢測到危險因素自動推送至車載導航終端,并對調度人員進行提醒,車載導航效果如圖2所示。

圖2 車載導航效果

4.1.2 固定設施撤離引導設備

井下通過現有設施改造或增設緊急撤離引導設備,主要功能是當發生緊急情況時提供應急照明、路線規劃指引、環境和設備運行數據查看、工業攝像頭視頻查看、預警報警等。根據井下具體巷道布置和通風系統設計,按照一定密度在固定位置設置固定撤離引導設備。現有的固定區域巡檢機器人可通過改造軟硬件系統,增加緊急情況撤離引導功能。設備終端系統類似車載導航系統,能夠使用在線/離線2種模式的地圖包。當發生緊急情況時,第一時間通過語音、閃屏、開啟應急照明的方式發出預警報警信息。井下工人接收到信息后,可通過引導設備查看網絡、供電、通風、緊急情況具體內容、上級系統下發的應急指揮方案等信息。使用自身配備的礦區地圖功能,結合環境信息、應急指揮方案規劃出應急撤離路線供周圍工人參考。此類設備在無緊急情況時,可用于區域內工人的輔助設備以及環境監控,如圖3所示。

圖3 固定點撤離指引設備效果

4.1.3 手持終端撤離引導

手持終端主要指礦用防爆手機和手環。防爆手機配置的撤離導航指引系統具備上述車載導航系統的所有功能。作為井下員工的貼身設備,手機和手環還應具備更多提示引導功能。手機端在接收到緊急情況信息時,自動打開礦區地圖頁面,標注緊急情況發生的位置和原因。同時,手機開始高頻振動,并自動調節音量至最大開始語音報警,手機屏幕出現紅色報警邊框,后置閃光燈閃爍提醒員工。網絡連接正常的情況下,地圖功能根據環境感知數據和地面應急指揮系統給出的指令,自動規劃出緊急撤離路線。地圖標識清楚沿途人員、車輛、緊急避險設施。人員活動受限的情況下,可開啟一鍵求救功能,使用文字錄入或語音的方式向系統報告求救原因。失去網絡連接情況下,地圖包以斷網前的數據為基礎,通過本地感知計算的方式實時計算員工位置以作為參考,員工可對計算結果進行接收校正。利用緩存數據+實時計算的方式自動規劃出緊急撤離路線,提供員工最大化的數據支持。

4.1.4 智能安全帽

新型的智能安全帽本身具有智能操作系統,除了具備除通信、成像、測溫、感知環境、健康檢測等功能,還具有AR增強現實功能。AR功能發揮良好作用的基礎在于環境感知的數據范圍、準確度、實效性。由于井下員工必須時刻佩戴安全帽,與員工交互最快、最穩定,因而功能強大的安全帽在井下緊急情況發生時,能起到無可替代的作用。緊急情況發生時,員工安全帽第一時間向員工發出語音和圖像提醒,由于員工不一定時刻使用AR功能,監測到員工沒有使用此功能時,安全帽發出具有一定特征的周期性振動。振動規律可提前給員工培訓,某一類型周期性振動表示緊急情況發生,防止員工因忙于作業而忽視提醒。員工接收到緊急撤離指令后,可使用AR功能查看周圍環境數據,異常報警數據、發生位置以及緊急情況出現的大概原因、性質等。智能安全帽聯網接收應急指揮系統發送的撤離方案,使用自身攜帶的礦井地圖包功能規劃撤離路線,路線要有階段性導航和總體概覽2種模式。地圖中應標識出沿途可用的緊急避災避險設備,人車位置等信息,方便員工隨時調整升井策略。

4.2 一鍵報警能力

緊急情況發生時,根據類型不同,應急撤離指揮系統首先根據系統內預設的方案留出一定的人工干預時間,超時后對井下除應急設備設施類的其他生產設備全部自動停電停機。

系統向井下擴音器、膠帶機控制器預警系統、井下應急報警系統、智能攝像頭發出指令開始應急撤離報警。手機、手環、智能頭盔、人員定位裝置開始振動和語音報警。

帶有屏幕的智能設備,使用在線或離線地圖包的功能,進行撤離路線規劃,展示撤離整體方案。

4.3 系統實現

根據調研結果、設計目標、設計方案和詳細優化方案進行了軟件設計,實現效果如圖4所示。

圖4 神東緊急撤人綜合指揮指引系統

神東礦井緊急撤人綜合指揮指引系統已在神東布爾臺煤礦投入使用,上線半年來應用效果良好。布爾臺煤礦應用該系統先后進行3次事故模擬演練,以測試該系統的全部功能,演練顯示該系統能夠充分調動井下一切可以報警的智能設備進行緊急撤離報警,為神東其他12礦13井中推廣使用該系統奠定了基礎。

5 結語

神東公司建立的通用數據管理平臺,打通各大安全監測系統的數據聯接,充分挖掘井下一切可利用的報警設備和報警能力,提升礦井應急救援效率,為煤企安全高效開采提供新保障。