基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)的研究及應(yīng)用

王學(xué)琛，郭昕曜，李墨瀟，沈?qū)幹?/p>

(武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)的研究及應(yīng)用

王學(xué)琛，郭昕曜，李墨瀟，沈?qū)幹?/p>

(武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

煤礦災(zāi)害的發(fā)生均具有一定的前兆性，對(duì)災(zāi)害發(fā)生前兆因素的監(jiān)測(cè)是預(yù)防事故發(fā)生的一項(xiàng)重要研究工作。因此，在對(duì)煤礦物聯(lián)網(wǎng)信息融合、煤礦安全信息采集、煤礦傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等內(nèi)容的深入研究下，開(kāi)發(fā)建立一種基于物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。并在內(nèi)蒙古伊泰礦業(yè)集團(tuán)煤礦信息采集、管理和監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際危險(xiǎn)因素構(gòu)建適合安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型應(yīng)用的信息監(jiān)測(cè)與處理平臺(tái)，使安全預(yù)警能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)進(jìn)行，為煤礦安全生產(chǎn)做出了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)保障工作。

煤礦；安全管理；安全預(yù)警；預(yù)警平臺(tái)

與國(guó)外先進(jìn)的產(chǎn)煤國(guó)相比，我國(guó)的安全防災(zāi)救災(zāi)技術(shù)仍然處于一個(gè)非常低的水平，雖然有了一定的發(fā)展，但差距很大。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的死亡人數(shù)有60%以上是由于煤礦事故而導(dǎo)致的，通常煤礦事故的損失極大，每年造成20多億元的經(jīng)濟(jì)損失，約占國(guó)有重點(diǎn)煤礦年收入的5%[1]，并且礦難對(duì)社會(huì)造成的影響極其惡劣。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外煤礦安全管理的技術(shù)條件分析，開(kāi)展煤礦安全預(yù)警平臺(tái)研究及建設(shè)是十分必要的。根據(jù)我國(guó)“安全第一，預(yù)防為主”的安全生產(chǎn)方針，我國(guó)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)是要做到把安全放在首位，對(duì)事故以預(yù)防為主，通過(guò)對(duì)各種危險(xiǎn)因素的排查確定煤礦生產(chǎn)中的不利因素，進(jìn)而預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)及影響程度，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，阻止事故的發(fā)生，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

對(duì)于煤礦安全預(yù)警研究，各學(xué)者已從不同角度研究出了一定成果。邵長(zhǎng)安等[2]構(gòu)建了煤礦預(yù)警體系，提出保障煤炭安全生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行的前提是通過(guò)預(yù)警理論來(lái)消除安全隱患。郭佳等[3]基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的相關(guān)理論和方法確立了煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，將技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、重大危險(xiǎn)源辨識(shí)等模型相結(jié)合，完成在線評(píng)價(jià)，其可靠性與及時(shí)性的特點(diǎn)為事故應(yīng)急響應(yīng)提供了依據(jù)。宋杰鯤等[4]考慮供需、運(yùn)輸、災(zāi)變和環(huán)境等因素，構(gòu)建了煤炭安全生產(chǎn)預(yù)警指標(biāo)體系，運(yùn)用主成分分析、自回歸等方法構(gòu)建預(yù)警模型，并針對(duì)我國(guó)煤炭安全生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行預(yù)警評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于煤礦預(yù)警的研究很多，但是煤炭行業(yè)因其特殊性使得其所處環(huán)境高危而且復(fù)雜，不確定程度非常高，所以目前來(lái)說(shuō)，關(guān)于煤礦的安全預(yù)警，不論是理論還是方法都還未形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)其機(jī)理的深入研究還不夠，且針對(duì)煤礦生產(chǎn)的多變和不確定性未能提出一套有效的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行決策，僅停留在定性或者定量的方法上來(lái)研究，使分析結(jié)果存在一定偏差[5-9]。

1 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)組成

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警需要將安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的軟件設(shè)備和硬件設(shè)備、煤礦基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、多學(xué)科交叉的理論與技術(shù)進(jìn)行有效的集成，是一個(gè)涉及網(wǎng)絡(luò)通訊與傳輸、軟件、信息共享、硬件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多項(xiàng)技術(shù)的復(fù)雜的系統(tǒng)性過(guò)程。

由于煤礦井下溫度高、存在易燃易爆有害氣體等惡劣作業(yè)環(huán)境及狹長(zhǎng)的巷道不利于無(wú)線信號(hào)的傳輸，對(duì)電子產(chǎn)品的技術(shù)性有著嚴(yán)格限制，筆者根據(jù)所需監(jiān)測(cè)的信息及煤礦礦井軟硬件條件，提出了關(guān)于動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于井下信息的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)運(yùn)用礦井下無(wú)線信息通訊技術(shù)并針對(duì)煤礦井下環(huán)境和條件對(duì)電子產(chǎn)品的限制而設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、安全信息管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)信息和救援決策信息子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 預(yù)警平臺(tái)方案設(shè)計(jì)方案

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的建立依托物聯(lián)網(wǎng)技

術(shù)，具有信息化的特征，開(kāi)發(fā)過(guò)程中還用到了虛擬仿真技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了三維可視化效果。該系統(tǒng)包括在線監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和事故救援決策3個(gè)子系統(tǒng)。其中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集煤礦井下各種信息數(shù)據(jù)，可作為預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，預(yù)警系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又能通過(guò)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)為事故救援決策系統(tǒng)提供了大量數(shù)據(jù)支持。這幾大系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可共享數(shù)據(jù)資源，聯(lián)合工作。該平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖 2所示。

事故救援決策系統(tǒng)在分析過(guò)程中，首先根據(jù)采集的數(shù)據(jù)建立三維礦山模型，隨后利用模型對(duì)事故進(jìn)行模擬，有效利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握井下人員分布和災(zāi)害擴(kuò)散情況；并和事故處置知識(shí)庫(kù)相結(jié)合，有助于決策人員采用特定算法確定井下各人員的動(dòng)態(tài)逃生線路。事故救援決策系統(tǒng)可用于應(yīng)急救援演練和事故發(fā)生，并且還可升級(jí)，操作性和實(shí)用性大大加強(qiáng)。

圖2 平臺(tái)總體架構(gòu)

3 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)功能

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托礦山安全地理信息系統(tǒng)建立三維礦山巷道模型。三維環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括人員位置、風(fēng)量、空氣質(zhì)量、有毒氣體含量等，在采集后均可上傳至總數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)的交互功能方便操作人員對(duì)煤礦的井下環(huán)境進(jìn)行三維建模，對(duì)任意區(qū)域的數(shù)據(jù)均可迅速查閱。決策系統(tǒng)是建立在信息交互的環(huán)境之下。系統(tǒng)的沙盤(pán)模式主要用來(lái)模擬事故發(fā)生時(shí)的狀態(tài)，如火災(zāi)發(fā)生時(shí)模擬煙霧的擴(kuò)散方向，再結(jié)合其他的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如人員位置)，可計(jì)算出井下受困人員的安全逃生路線，對(duì)于塌方、停電等情況也可提供最短路徑，為決策者提供戰(zhàn)略決策參考。系統(tǒng)模塊功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)應(yīng)用

在酸刺溝煤礦應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行安全預(yù)警檢查，具體過(guò)程如下。利用移動(dòng)終端產(chǎn)品或者PC端登錄“煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)”，進(jìn)入登錄頁(yè)面，如圖4所示。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)、警報(bào)管理、安全檢查、應(yīng)急決策5大功能，具體操作頁(yè)面如圖5所示。

4.1 信息監(jiān)測(cè)功能

通過(guò)各類(lèi)傳感器所采集信息，集成到信息監(jiān)控中心，點(diǎn)擊“信息監(jiān)測(cè)”中“瓦斯”，查詢到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

4.2 安全評(píng)價(jià)與報(bào)警

根據(jù)煤礦企業(yè)常面臨的災(zāi)害及危險(xiǎn)源理論，設(shè)定伊泰礦業(yè)集團(tuán)需要監(jiān)測(cè)的危險(xiǎn)源及警報(bào)方式，對(duì)危險(xiǎn)源采取逐一監(jiān)測(cè)預(yù)警，如圖7所示。

4.3 應(yīng)急決策

根據(jù)動(dòng)態(tài)三維技術(shù)，構(gòu)建礦山的三維網(wǎng)絡(luò)視圖，并根據(jù)巷道所處層次不同而賦予不同色彩紋理。該三維視圖能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)井下工作人員與設(shè)備分布，并以箭頭方向表示風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向，礦山風(fēng)向與風(fēng)速數(shù)據(jù)如圖8所示。根據(jù)風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算火災(zāi)煙霧擴(kuò)散路徑，從而計(jì)算出最短逃生路徑，如圖9所示。

圖3 模塊功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)登錄頁(yè)面

圖5 預(yù)警系統(tǒng)操作頁(yè)面

圖6 信息監(jiān)測(cè)功能模塊

圖7 危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)警

圖8 礦山風(fēng)向與風(fēng)速數(shù)據(jù)

圖9 最佳逃生路徑模擬圖

5 結(jié)論

從移動(dòng)終端監(jiān)控系統(tǒng)和應(yīng)急救援決策系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)，結(jié)合現(xiàn)代無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)、信息處理，為管理層進(jìn)行管理決策和應(yīng)急救援決策提供依據(jù)。煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息平臺(tái)主要介紹了系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)功能等。筆者結(jié)合了內(nèi)蒙古伊泰礦業(yè)集團(tuán)下酸刺溝煤礦的實(shí)際生產(chǎn)案例，將煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息平臺(tái)運(yùn)用及操作做了較為詳細(xì)的介紹，使煤礦安全管理人員可直觀地檢測(cè)到生產(chǎn)實(shí)際中的各項(xiàng)危險(xiǎn)因素?cái)?shù)據(jù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)監(jiān)控、即時(shí)預(yù)警的作用。應(yīng)急救援決策系統(tǒng)主要是計(jì)算出最佳逃生路線，保障井下作業(yè)人員安全，動(dòng)態(tài)三維建模方便決策者更為直觀地觀察井下環(huán)境，有害物質(zhì)推演是事故發(fā)生時(shí)最佳應(yīng)急逃生路線的技術(shù)基礎(chǔ)，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。在酸刺溝煤礦應(yīng)用該系統(tǒng)，演示了5大子系統(tǒng)功能在系統(tǒng)中的具體操作過(guò)程，結(jié)果顯示該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

[1] 王雪峰.我國(guó)煤礦安全問(wèn)題淺議[J].中國(guó)煤田地質(zhì),2006,18(1):6-8.

[2] 邵長(zhǎng)安,李賀,關(guān)欣.煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J].煤炭技術(shù),2007,26(5):63-65.

[3] 郭佳,楊洋.基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式的煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警系統(tǒng)研究[J].中國(guó)煤炭,2007,33(9):69-71.

[4] 宋杰鯤,李繼尊.基于PCA-AR和K均值聚類(lèi)的煤炭安全預(yù)警研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(2):105-108.

[5] 辛士波,孫超.基于主成分分析法的煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警分析研究[J].中國(guó)煤炭,2010,36(11):105-108.

[6] 丁寶成,王彥偉.煤礦企業(yè)安全預(yù)警管理體系[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2010,12(2):121-123.

[7] 劉香蘭,趙旭生,董桂剛.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦瓦斯爆炸動(dòng)態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].煤炭工程,2012(9):17-19.

[8] 侯燕,喬蕊.基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量于控制,2013,21(10):2826-2828.

[9] 王學(xué)琛，李墨瀟，郭昕耀.基于組合賦權(quán)的煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版)，2016，38(5)：538-542.

GUO Xinyao:Doctorial Candidate;School of Resources and Environmental Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

Research and Application of Safety Risk Early Warning Platform in Coalmine Based on Internet

WANGXuechen,GUOXinyao,LIMoxiao,SHENNingzhou

The occurrence of coal mine disaster has some precursors, and the monitoring of the precursory factors is an important research work to prevent accidents.Therefore, based on the deep research on the information fusion of coal mine, coal mine safety information gathering and coal mine sensor network application, a coal mine safety risk monitoring and early warning system based on Internet of Things technology is developed.In this paper, based on the deep research in the information collection, storage, management and monitoring method on coal mine of Inner Mongolia Yitai Group Mining Group. We construct a information monitoring and processing platform for safety risk early warning model application according to the actual risk factors, make safety warning to be real-time and dynamic, produce a substantial technical security work for coal mine safety production.

coal mine; safety management; risk early warning; early warning platform

2016-07-13.

2095-3852(2016)06-0678-04

A

X924.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.008

收稿日期：郭昕曜(1988-)，男，河南汝州人，武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院博士研究生.