預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)研究與應(yīng)用

范永鑫　吳強(qiáng),2　楊百順,2　王鍇　李逸

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都　610045;

2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州　221116)

預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)研究與應(yīng)用

范永鑫1吳強(qiáng)1,2楊百順1,2王鍇1李逸1

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都610045;

2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221116)

針對四川省小煤礦私挖濫采現(xiàn)象,通過研發(fā)新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對小煤礦出入井人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)和對比,實(shí)現(xiàn)了“失蹤”報(bào)警和“超員”報(bào)警,達(dá)到了預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的要求。該項(xiàng)技術(shù)已在四川省多個(gè)小煤礦進(jìn)行了應(yīng)用,取得了較好的效果,有效預(yù)防了小煤礦私挖濫采行為。

私挖濫采人員定位視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

四川省煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，生產(chǎn)規(guī)模小，除少數(shù)國有重點(diǎn)煤礦外，大部分為民營小煤礦[1]。多數(shù)小煤礦專業(yè)技術(shù)人員缺乏，業(yè)主和從業(yè)人員安全意識差，為獲得高額利潤，私挖濫采現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為了應(yīng)付安監(jiān)部門的檢查，小煤礦采取多種方式將私挖濫采區(qū)域進(jìn)行掩蓋隱藏， 如設(shè)置臨時(shí)密閉、柵欄，虛設(shè)風(fēng)門風(fēng)窗等，造成私挖濫采區(qū)域通風(fēng)不良，微風(fēng)或無風(fēng)作業(yè)，瓦斯積聚[2，3]，安全隱患嚴(yán)重，極可能釀成瓦斯爆炸事故[4]。攀枝花西區(qū)“8·29”肖家灣煤礦瓦斯爆炸事故和瀘縣“5·11”桃子溝煤礦瓦斯爆炸事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩個(gè)小煤礦均存在私挖濫采現(xiàn)象，且都是由于私挖濫采造成了嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故。這兩起慘痛的事故教訓(xùn)告誡我們，必須研究一種可預(yù)防煤礦私挖濫采行為的技術(shù)并廣泛應(yīng)用于四川省小煤礦，從源頭上杜絕小煤礦私挖濫采行為，保護(hù)小煤礦職工的生命安全，提高安全監(jiān)管部門監(jiān)管水平，維護(hù)社會穩(wěn)定大局。

目前，國內(nèi)外關(guān)于預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的研究尚屬空白。為解決此項(xiàng)難題，四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院在現(xiàn)有煤礦井下人員定位系統(tǒng)[5，6]的基礎(chǔ)上，研發(fā)了新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)和視頻監(jiān)控[7，8]煤礦出入井人員自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)，并研發(fā)了人員定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)，可對煤礦出入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)和對比，可實(shí)現(xiàn)“失蹤”報(bào)警和“超員”報(bào)警，從而達(dá)到了預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)要求。該項(xiàng)技術(shù)已在四川省多個(gè)小煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的效果，有效預(yù)防了小煤礦私挖濫采行為。

1　新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)

1.1現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)漏洞分析

目前，四川省小煤礦使用的人員定位系統(tǒng)是一種區(qū)域定位，不能有效起到監(jiān)控作用，而且其采用的算法存在漏洞:當(dāng)人員走出當(dāng)前的識別器的識別范圍，而未進(jìn)入下一個(gè)臨近識別器的識別范圍時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為人員在兩者之間;當(dāng)人員走出某一識別器的識別范圍，而前方又沒有安裝識別器時(shí)，則顯示人員在該識別器附近。這種固定算法的重要弊端是不會產(chǎn)生人員失蹤的情況，會出現(xiàn)人員進(jìn)入私挖濫采區(qū)域(非法區(qū)域)進(jìn)行作業(yè)，而人員定位系統(tǒng)監(jiān)控上仍顯示人員在合法生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的情況，因此，對私挖濫采的行為起不到監(jiān)控的作用，如圖1所示。

圖1中的圓圈代表人員定位系統(tǒng)識別器的識別范圍。如果入井人員走出3或4的識別范圍而未進(jìn)入6或5的識別范圍，則人員定位系統(tǒng)就會默認(rèn)為人員在3和6之間的巷道內(nèi)或4和5之間的巷道內(nèi)，此時(shí)如果人員進(jìn)入到私挖濫采區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，但人員定位系統(tǒng)監(jiān)控上會顯示人員仍然在主平硐和副平硐的巷道內(nèi)，給私挖濫采留下了監(jiān)控漏洞。

1.2新型人員定位系統(tǒng)的功能設(shè)定

四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的新型人員定位系統(tǒng)對現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改變了其算法，引入了“失蹤”概念，并做到了“失蹤”超時(shí)報(bào)警，即:當(dāng)人員走出某一識別器的識別范圍而未進(jìn)入另一識別器的識別范圍時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定該人員處于“失蹤”狀態(tài)，并對失蹤時(shí)間進(jìn)行限定，當(dāng)失蹤時(shí)間超過限定值時(shí)(如20m in)，系統(tǒng)將向縣安全監(jiān)管部門報(bào)警，表明失蹤人員進(jìn)入了私挖濫采區(qū)域進(jìn)行非法作業(yè)，縣級安全監(jiān)管部門接到報(bào)警后，可及時(shí)進(jìn)行查處并上報(bào)上級主管部門。

新型人員定位系統(tǒng)識別器的識別范圍可達(dá)25m，識別器的安裝間距為50m，可實(shí)現(xiàn)對小煤礦所有批準(zhǔn)作業(yè)區(qū)域人員定位全覆蓋，不留空當(dāng)和死角，一旦有人員不在批準(zhǔn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)，系統(tǒng)將無法識別到該人員，立即進(jìn)行“失蹤”記時(shí)，超過限定時(shí)間即刻報(bào)警，可有效遏制煤礦的私挖濫采行為。

2　視頻監(jiān)控出入井人員自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)

2.1現(xiàn)有出入井人數(shù)統(tǒng)計(jì)方法存在的問題

目前，四川省小煤礦的出入井人數(shù)統(tǒng)計(jì)方法存在較大的問題。

多數(shù)小煤礦出入井人數(shù)統(tǒng)計(jì)依靠人工記錄和人員定位系統(tǒng)自動記數(shù)。人工記錄給了小煤礦弄虛作假的機(jī)會，少記錄或不記錄現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不可靠;另外，人員定位系統(tǒng)自動記錄出入井人數(shù)也存在較大問題:當(dāng)出入井人員不帶識別卡或攜帶壞的識別卡出入井時(shí)，人員定位系統(tǒng)無法對該類人員進(jìn)行計(jì)數(shù)，造成實(shí)際出入井人數(shù)大于人員定位系統(tǒng)記錄人數(shù);當(dāng)煤礦工人為了增加考勤數(shù)量，多帶識別卡、替人帶卡出入井時(shí)，人員定位系統(tǒng)記錄人數(shù)又將大于實(shí)際出入井人數(shù)，即人員定位系統(tǒng)無法對出入井人數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。

兩種統(tǒng)計(jì)方法均存在較大問題，造成小煤礦出入井人數(shù)無從驗(yàn)證，煤礦工人不帶卡、帶壞卡、多帶卡、超員作業(yè)時(shí)常發(fā)生，而安全監(jiān)控系統(tǒng)卻很難發(fā)現(xiàn)，給小煤礦私挖濫采留下了巨大漏洞。

2.2視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)

四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)采用基于CCD圖像傳感器的人數(shù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)[9，10]，其基本原理是:將運(yùn)動區(qū)域統(tǒng)計(jì)算法和圖像特征神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，綜合運(yùn)算得出準(zhǔn)確出入井人數(shù)。兩種算法的原理如下:

運(yùn)動區(qū)域統(tǒng)計(jì)算法:在固定攝像頭里提取出運(yùn)動區(qū)域，根據(jù)這些運(yùn)動區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)運(yùn)動區(qū)域和人的大小相似的時(shí)候，就可以認(rèn)為有一個(gè)人通過。當(dāng)多個(gè)人距離較近的時(shí)候，采用人體大小的先驗(yàn)知識，把一個(gè)運(yùn)動區(qū)域分割為多個(gè)單人區(qū)域，從而對人數(shù)進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)然，視頻流是實(shí)時(shí)連續(xù)的，運(yùn)動區(qū)域的檢測和分割需要在每一幀內(nèi)不停地計(jì)算。此外還要對幀間的運(yùn)動區(qū)域進(jìn)行跟蹤，把不同時(shí)間的運(yùn)動區(qū)域連接起來，從而給出正確的人數(shù)和行人運(yùn)動方向。

圖像特征神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法:在圖象中采集一些反應(yīng)人體特點(diǎn)的比較粗糙的特征，比如圖象邊緣密度，然后通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)人數(shù)與圖象特征之間的非線性關(guān)系，從而得出正確的人數(shù)。

該系統(tǒng)采用頂裝方式安裝，固定攝像頭俯視檢測區(qū)域，檢測范圍覆蓋全井口。當(dāng)煤礦出入井人員到達(dá)檢測區(qū)域時(shí)，固定攝像頭采集圖像信息并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算，得出人員的行走方向、數(shù)量和時(shí)間等參數(shù)。

3　視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)

為了有效監(jiān)控小煤礦入井人員，防止小煤礦入井人員不帶識別卡、帶壞識別卡進(jìn)入到私挖濫采區(qū)域進(jìn)行非法作業(yè)，四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。

圖1　小煤礦人員定位系統(tǒng)監(jiān)控示意圖

該技術(shù)利用Ethereal對井下人員定位系統(tǒng)通信協(xié)議和視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻信號進(jìn)行解析[11，12]，并將其數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)將井下人員定位系統(tǒng)識別到的入井人數(shù)同視頻監(jiān)控系統(tǒng)識別到的入井人數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對比，當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)識別到的人數(shù)多于人員定位系統(tǒng)識別到的人數(shù)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行“超員”報(bào)警，表明有人員未帶識別卡或帶壞識別卡入井，縣級安全監(jiān)管部門接到報(bào)警后，可及時(shí)對其進(jìn)行查處，并上報(bào)上級主管部門，有效遏制煤礦工人躲避監(jiān)控，不帶識別卡或帶壞識別卡進(jìn)入私挖濫采區(qū)域非法作業(yè)的行為。

基于該技術(shù)，四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)了煤礦數(shù)據(jù)適配器，并在試點(diǎn)小煤礦進(jìn)行了安裝。通過煤礦數(shù)據(jù)適配器實(shí)時(shí)采集視頻監(jiān)控統(tǒng)計(jì)人數(shù)和人員定位系統(tǒng)識別人數(shù)，并加以對比，實(shí)現(xiàn)了對入井人員攜帶識別卡情況的同步監(jiān)督，“超員”報(bào)警。同時(shí)通過對上述數(shù)據(jù)的同步保存、循環(huán)覆蓋，保證了安全監(jiān)管部門對小煤礦入井人員攜帶識別卡情況的現(xiàn)場查證和遠(yuǎn)程抽查。

4　工程應(yīng)用

為了預(yù)防小煤礦私挖濫采行為，防止再次發(fā)生瓦斯爆炸等重大事故，該項(xiàng)技術(shù)先后在攀枝花西區(qū)和瀘縣10多個(gè)小煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果:

(1)新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)可全覆蓋監(jiān)控小煤礦所有批準(zhǔn)作業(yè)區(qū)域，其“失蹤”報(bào)警功能靈敏度可達(dá)100%;

(2)視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計(jì)數(shù)系統(tǒng)成功突破了區(qū)分人員和礦車移動數(shù)量，區(qū)分行進(jìn)人員和手臂擺動等技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場使用，出入井人員統(tǒng)計(jì)可達(dá)100%。

(3)數(shù)據(jù)適配器快速實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控統(tǒng)計(jì)人數(shù)和人員定位系統(tǒng)識別人數(shù)的實(shí)時(shí)對比，“超員”報(bào)警率100%。

5　結(jié)語

四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)可有效對小煤礦出入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)和對比，實(shí)現(xiàn)“失蹤”報(bào)警和“超員”報(bào)警，可有效預(yù)防小煤礦私挖濫采行為。

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范永鑫(1983—),男,甘肅慶陽人,四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院技術(shù)人員,中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,采礦工程學(xué)士。