基于多視窗的一體化煤礦安全與監(jiān)測系統(tǒng)

賀致芬 孫久運(yùn) 邱銀國

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.安徽科技學(xué)院城建與環(huán)境學(xué)院,安徽 滁州 233200)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

基于多視窗的一體化煤礦安全與監(jiān)測系統(tǒng)

賀致芬1孫久運(yùn)1邱銀國2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.安徽科技學(xué)院城建與環(huán)境學(xué)院,安徽 滁州 233200)

現(xiàn)階段我國煤礦生產(chǎn)行業(yè)信息化程度較低，安全監(jiān)察人員工作任務(wù)繁重，這對(duì)于煤礦安全的實(shí)時(shí)化監(jiān)督管理帶來了巨大困難。針對(duì)這一問題，在對(duì)國內(nèi)外煤礦安全問題解決措施深入分析的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出一種能夠?qū)γ旱V安全進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和預(yù)警的新系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展可獲取多樣安全信息，如何實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦安全信息的一體化監(jiān)測是目前亟需解決的問題。該系統(tǒng)充分利用了Unity3D開發(fā)平臺(tái)的多相機(jī)操縱特性，采用3Dmax進(jìn)行模型搭建并進(jìn)行渲染烘焙構(gòu)建三維虛擬場景，借助多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)各傳感器參數(shù)的同步更新，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦井環(huán)境的多視窗一體化監(jiān)控。研究表明，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)γ旱V的各類環(huán)境與設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)化監(jiān)控，而且能對(duì)井下人員運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析與定位。

煤礦安全 多線程 多視窗 同步監(jiān)控 Unity3D

煤炭作為我國的主要能源，約占一次性能源的70%[1]，煤炭既是我國能源的主要支柱，又是能源開采中的高危行業(yè)。目前我國礦山領(lǐng)域的事故和災(zāi)害較多，我國原煤產(chǎn)量約占世界的35%，但每年礦難死亡人數(shù)千人以上，占全世界80%[2]。我國與其他國家相比安全問題突出，事故頻發(fā)，主要原因在于：一方面煤礦開采過程中井下空間狹窄，環(huán)境十分惡劣，并且隨時(shí)存在坍塌與瓦斯泄漏等危險(xiǎn)；另一方面我國煤炭企業(yè)安全技術(shù)與裝備水平落后，技術(shù)人員匱乏，信息化程度低?？傮w來看，我國煤炭安全生產(chǎn)較發(fā)達(dá)國家而言，存在較大差距。

為解決這一現(xiàn)狀，進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭企業(yè)安全管理，我國除建立國家級(jí)重大事故預(yù)防與分析鑒定中心與相應(yīng)的安全監(jiān)管信息系統(tǒng)外，還對(duì)井下作業(yè)人員進(jìn)行系統(tǒng)化、周期性的安全培訓(xùn)。此外，加強(qiáng)煤礦安全問題的實(shí)時(shí)化、常態(tài)化監(jiān)控，也能有效地對(duì)礦難進(jìn)行及時(shí)預(yù)防和補(bǔ)救。

1 研究背景與意義

由于煤礦生產(chǎn)安全問題的嚴(yán)重性，催生了學(xué)者與工程技術(shù)人員在安全問題方面的研究。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出已久，但近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山信息化中的應(yīng)用，促使感知礦山思路的提出，也使真正意義上的數(shù)字礦山、智慧礦山的實(shí)現(xiàn)成為可能。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即使用傳感器或者傳感技術(shù)來感知目標(biāo)物體，并按照約定的協(xié)議，把目標(biāo)物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分為3層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。通過感知層感知周圍信息并借助網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綉?yīng)用層，與其他平臺(tái)相結(jié)合允許用戶進(jìn)行一系列操作。

感知礦山主要是通過各種傳感器技術(shù)獲取礦山生產(chǎn)中的各類信息，并通過信息傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山安全各類信息的掌控，從而達(dá)到實(shí)時(shí)了解礦山運(yùn)行狀況，及時(shí)做出響應(yīng)。礦山環(huán)境復(fù)雜，所要感知的信息異構(gòu)、多樣，如何把傳感器采集的各類信息及時(shí)匯總，并統(tǒng)一匯總、管理與分析，是感知礦山的關(guān)鍵問題。本研究提出了利用多線程技術(shù)，基于3DGIS平臺(tái)，進(jìn)行礦山安監(jiān)一體化管理的技術(shù)方案，并探討了所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)以Unity3D作為引擎，采用3Dmax構(gòu)建礦井內(nèi)各傳感器與巷道等的模型，導(dǎo)出為Unity所認(rèn)可的.fbx文件，通過Unity軟件打開模型并進(jìn)行整合驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到該監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并包含對(duì)于礦井內(nèi)各生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的監(jiān)測與人員定位的虛擬軟件平臺(tái)。它是對(duì)礦井內(nèi)傳感器與各類安全設(shè)備的重現(xiàn)，用戶可以借助該軟件遠(yuǎn)程直觀地全方位查看需了解的井下信息，并對(duì)人員進(jìn)行路徑的分析與定位。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)具備了瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、風(fēng)門監(jiān)測、水泵監(jiān)測等監(jiān)測系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)，其中人員定位系統(tǒng)中還包括人員路徑的分析。具體系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于系統(tǒng)的構(gòu)建以礦山內(nèi)傳感器、監(jiān)測環(huán)境、設(shè)備與井下工作工作人員為對(duì)象，因此具有范圍大、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。同時(shí)，礦山環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測的數(shù)據(jù)異構(gòu)、多樣，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的匯總并分析輸出，整合3DGIS的特點(diǎn)顯示于應(yīng)用端。數(shù)據(jù)的獲取與整合大致可以分為以下4個(gè)方面。

(1)環(huán)境傳感器。瓦斯是煤礦生產(chǎn)過程中威脅人類安全的一個(gè)重要因子。為了能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地反映井下瓦斯、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，達(dá)到對(duì)災(zāi)害的早期預(yù)測，預(yù)防安全事故的發(fā)生；同時(shí)對(duì)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)、變電所的電壓、電流等電力進(jìn)行監(jiān)測，為生產(chǎn)調(diào)度提供各種設(shè)備的運(yùn)行狀況，通常會(huì)在礦井內(nèi)安裝相應(yīng)的傳感器進(jìn)行各參數(shù)的監(jiān)測。一般礦井內(nèi)配備的安全設(shè)備有各類環(huán)境傳感器與風(fēng)門、風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置，傳感器監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源能夠動(dòng)態(tài)反映瓦斯、風(fēng)速、風(fēng)量等空氣成分的變化，風(fēng)門、風(fēng)機(jī)的是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)被監(jiān)測，并傳送到應(yīng)用端。

(2)數(shù)據(jù)傳輸。由于GPS不能覆蓋煤礦井下巷道，所以無法使用GPS進(jìn)行井下人員的監(jiān)測定位。通常，使用無線實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(WiFi RTLS)進(jìn)行井下人員、車輛等其他動(dòng)態(tài)設(shè)施的跟蹤定位。并通過GPRS/CDMA無線傳輸技術(shù)對(duì)井下其他靜態(tài)設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，動(dòng)態(tài)掌握各類傳感器與安全設(shè)備的工作情況。

(3)3DGIS。在安全監(jiān)控過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，并進(jìn)行三維可視化的表達(dá)。這就需要研究基于3DGIS的數(shù)據(jù)分析與管理系統(tǒng)，研究礦山巷道的建模與可視化的表達(dá)方法。

(4)面向的用戶。系統(tǒng)使用Unity3D作為三維引擎，該引擎允許用戶可以在多終端如PC、Android、IOS等移動(dòng)客戶端等設(shè)備進(jìn)行查看與運(yùn)行。因此，用戶對(duì)該平臺(tái)的使用局限性大大下降。

本文算例采用的是風(fēng)-光-儲(chǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu),由光伏列陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)(蓄電池)以及用戶負(fù)荷組成。該微電網(wǎng)為并網(wǎng)型微電網(wǎng),與外網(wǎng)交互時(shí),優(yōu)先利用微源滿足微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求。若發(fā)生功率缺額,且自身無法靠蓄電池補(bǔ)給,則可以從外網(wǎng)吸收功率。微電網(wǎng)每小時(shí)調(diào)度一次,峰平谷分時(shí)電價(jià)如表1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于二維GIS的本質(zhì)是抽象的符號(hào)系統(tǒng)，不能客觀地給人以真實(shí)世界的感受。三維以立體造型技術(shù)向用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，并且能夠?qū)臻g對(duì)象進(jìn)行三維的分析與操作[4]。在礦山開采與安全監(jiān)測過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的矢量數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，因此利用3DGIS技術(shù)不僅能夠有效管理數(shù)據(jù)，而且能夠做到所見即所得，真實(shí)地呈現(xiàn)在用戶面前真實(shí)的情境。3DGIS的核心技術(shù)就是對(duì)三維數(shù)據(jù)的獲取、分析與可視化。利用3DGIS的這一特性，系統(tǒng)的分析功能主要包括各災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)與井下人員的路徑分析。在可視化階段，主要通過虛擬GIS進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過建模技術(shù)最大限度的重現(xiàn)礦井內(nèi)的原態(tài)。

建立并實(shí)現(xiàn)基于多視窗的一體化監(jiān)測系統(tǒng)須經(jīng)歷幾大階段。一是礦山三維模型的建立與優(yōu)化并建立虛擬傳感器與巷道的三維場景；二是傳感器參數(shù)的獲取并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫后與Unity引擎的連接與顯示，并且如何結(jié)合多線程技術(shù)做到能夠在多視窗多界面之間的切換，以供用戶的監(jiān)控與操作。系統(tǒng)主要分為實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警與人員定位2個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)礦山傳感器與機(jī)械設(shè)備等進(jìn)行建模，以實(shí)現(xiàn)所見即所得的可視化監(jiān)測環(huán)境；以礦山中安裝的傳感器作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源，動(dòng)態(tài)反映瓦斯、水泵、皮帶機(jī)等的狀況。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

4.1 多線程技術(shù)

程序中獨(dú)立運(yùn)行的程序片斷稱為線程。本系統(tǒng)使用多線程處理技術(shù)來構(gòu)建用戶界面，可同時(shí)在同一界面運(yùn)行多個(gè)視窗，并且用戶任意按下某一監(jiān)測按鈕即可放大查看該監(jiān)測視窗，無需等待程序完成當(dāng)前任務(wù)才進(jìn)行響應(yīng)。運(yùn)用了多線程技術(shù)，允許Unity軟件在后臺(tái)每一幀同步刷新視窗中的觀測數(shù)據(jù)，避免觀測者進(jìn)行界面的頻繁切換，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4.2 3DGIS系統(tǒng)

三維數(shù)據(jù)的獲取與建模、整合分析是3DGIS的核心技術(shù)，系統(tǒng)采用3Dmax軟件進(jìn)行建模，并結(jié)合Unity引擎的多相機(jī)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多視窗的表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)一體化的監(jiān)測目的。

不同于以往，本系統(tǒng)著重對(duì)礦井內(nèi)的傳感器、機(jī)械設(shè)備與巷道進(jìn)行了建模，并模擬了作業(yè)人員在巷道中的行走。系統(tǒng)采用動(dòng)畫剪輯與連接的方式動(dòng)態(tài)反映出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與傳感器此時(shí)的實(shí)時(shí)參數(shù)，以達(dá)到監(jiān)測的便捷性與監(jiān)測人員的身臨其境感。

4.3 基于多視窗的一體化監(jiān)測

三維可視化技術(shù)的5大因素分別為場景、攝像機(jī)、3D對(duì)象、材質(zhì)和渲染引擎[5]，場景即游戲或系統(tǒng)運(yùn)行的大環(huán)境，相機(jī)則相當(dāng)于人的眼睛，相機(jī)所能拍攝到的場景即為用戶在終端界面說能見到的畫面。本研究系統(tǒng)中運(yùn)用的多視窗技術(shù)不同于Windows界面中通過命令實(shí)現(xiàn)窗口切換和排列的多文檔界面，而是通過對(duì)窗口的分割在同一窗口上并排陳列多個(gè)觀測界面，如圖2所示。系統(tǒng)中對(duì)控制界面的GUI函數(shù)進(jìn)行了多次的調(diào)用，并在函數(shù)中使用switch-case語句進(jìn)行界面的控制。同時(shí)，通過在系統(tǒng)中多個(gè)相機(jī)與界面GUI的設(shè)置，讓用戶可以從不同的角度觀看傳感器的工作狀況。圖2中共使用6個(gè)相機(jī)，分別觀測皮帶機(jī)、瓦斯、電力、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門與水泵，當(dāng)點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕后，系統(tǒng)將跟隨相機(jī)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)的傳感器最大化顯示，以便于觀測者的觀看。

圖2 多視窗的監(jiān)測技術(shù)

另一方面，除對(duì)傳感器的多視窗監(jiān)測外，本系統(tǒng)還考慮對(duì)井下作業(yè)人員的動(dòng)態(tài)跟蹤，開發(fā)了對(duì)井下人員的定位子系統(tǒng)。在該子系統(tǒng)中，界面同樣應(yīng)用多視窗技術(shù)，通過第二相機(jī)的添加與設(shè)置，在同一窗口可以監(jiān)測礦工的動(dòng)態(tài)行走，并且繪制出軌跡路線，如圖3所示。

圖3 人員定位系統(tǒng)

4.4 自動(dòng)預(yù)警實(shí)現(xiàn)

在煤礦自動(dòng)化的建設(shè)進(jìn)程中，感知礦山包括感知礦山災(zāi)害安全，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報(bào)；感知礦工周圍的安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的安全保障；感知機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況，并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的維修[6]。在本系統(tǒng)中，通過借助礦山中的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟M(jìn)行瓦斯?jié)舛鹊臋z測，并在超出規(guī)定范圍的濃度之后進(jìn)行預(yù)警。除此之外，本系統(tǒng)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢，通過將機(jī)械設(shè)備如電力設(shè)備、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、皮帶機(jī)等的建模，動(dòng)畫與粒子系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通過每一幀的刷新，可顯示當(dāng)前時(shí)間下的傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過與數(shù)據(jù)庫的連接，并且在傳感器模型上設(shè)置相應(yīng)的Label讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以動(dòng)態(tài)顯示出當(dāng)前時(shí)間礦井下傳感器的最真實(shí)情況。

Unity中的動(dòng)畫編輯器具有對(duì)動(dòng)畫的組合、播放與混合的功能。Animation類從Behaviour類中派生而來，使用Unity的動(dòng)畫剪輯與連接的方式可以顯示風(fēng)門與水泵的水位高度。Unity中的粒子系統(tǒng)可以制作煙霧、氣流、火焰和各種大氣效果，在系統(tǒng)的虛擬顯示場景中創(chuàng)建一個(gè)粒子系統(tǒng)物體，將粒子系統(tǒng)組件加入進(jìn)去，并設(shè)置粒子系統(tǒng)的曲線編輯器、播放的時(shí)間與相應(yīng)的顏色。在本系統(tǒng)正式借助粒子效應(yīng)模擬皮帶機(jī)對(duì)開采物的運(yùn)輸，并進(jìn)行顯示。

瓦斯?jié)舛葌鞲衅魉@取的參數(shù)信息將導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，并且與系統(tǒng)進(jìn)行連接更新；水泵的水位設(shè)置布爾值參數(shù)，超出規(guī)定范圍布爾值改變，并自動(dòng)打開報(bào)警系統(tǒng)；風(fēng)門是否開啟、風(fēng)機(jī)是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)、皮帶機(jī)是否在正常工作傳輸開采物等都將在本系統(tǒng)中體現(xiàn)。

5 結(jié) 語

通過對(duì)井下傳感器與設(shè)備的監(jiān)測，并融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于多線程技術(shù)的井下安監(jiān)一體化。系統(tǒng)對(duì)礦山進(jìn)行了三維模擬仿真，同時(shí)，以實(shí)時(shí)刷新監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)礦山的安全環(huán)境、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行了監(jiān)控。除此之外，利用多視窗的技術(shù)可以對(duì)井下的環(huán)境進(jìn)行全方位的一體化監(jiān)控，提高了作業(yè)的效率。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Integrated Safety and Monitoring System of Coal Mine Based on the Multi-windows

He Zhifen1Sun Jiuyun1Qiu Yinguo1

(1.InstituteofSurveyingandMapping，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China;2.CollegeofUrbanConstruction&EnvironmentScience，AnhuiScienceandTechnologyUniversity，Chuzhou233100，China)

At current，the informatization level of coal production industry in China is lower，and the personnel for safety supervision has a heavy working load.These bring big difficulty in realizing the real-time supervision and management.In view of this issue，and based on the deep analysis of measures in safety for coal mines at home and abroad，the Internet of things and the Virtual reality are rationally jointed to develop a new system for real-time perceiving and pre-warming of coal mine safety.The variety of safety information can be obtained by the Internet of things.How to realize the integrated monitoring of safety information for the whole mine is an issue that should be resolved in time.The system makes full use of the multi-camera control characteristics of Unity 3D.3Dmax is adopted to build 3D virtual scene by modeling and rendering.With the aid of multithreading technology，the parameters updating of each sensor is achieved to realize the multi-widow integrated monitor of mine environment.The research indicates that this system can achieve the real-time monitoring of mine environment and device parameters for a coal mine，and also position and analyze the movement tracks of personnel underground.

Coal mine safety，Multithreading，Multi-window，Synchronous monitoring，Unity3D

2014-05-24

賀致芬(1990—)，女，碩士研究生。

TD76

A

1001-1250(2014)-08-099-04