礦井救災模擬演練系統(tǒng)的研究和應用

秦冬冬　王曙東

摘要：礦山救護隊是煤礦搶險救災的主要力量，目前國內(nèi)礦山救護隊訓練手段單一，訓練局限于常規(guī)的體能訓練，不能有效訓練隊員應對煤礦井下突發(fā)災害時的應急反應能力。該文設(shè)計了一種礦井救災模擬演練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過電氣控制與監(jiān)測監(jiān)控手段營造礦井災害時期的高溫濃煙和缺氧等災害環(huán)境以及聲光特性，訓練受訓人員在礦井火災、瓦斯爆炸、冒頂和水災等災害環(huán)境下的應急救援能力和心理素質(zhì)。系統(tǒng)在陜西陜煤彬長集團救援中心成功應用，取得了良好的現(xiàn)場使用效果。

關(guān)鍵詞：礦山救護隊；應急救援；災害模擬；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）18-0217-04

礦井火災、瓦斯與煤塵爆炸、瓦斯突出、冒頂以及水災等災害是煤礦生產(chǎn)過程中的主要災害，嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。礦山救護隊是處理礦山災害事故的專業(yè)隊伍，礦山事故的突發(fā)性和災難性使災害救援工作困難重重，礦山救護隊應急救援能力的不足不但影響搶險救災工作的順利進行，還會導致救護隊員自身身亡情況的出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，1949至2005年，我國礦山救護隊指戰(zhàn)員犧牲案例239起犧牲506人。其中由于指揮失當或是自身應急救援能力不足導致的傷亡人數(shù)占傷亡總數(shù)的61.75%。救災指揮人員指揮能力欠缺、救護隊員身體和心理承受能力差、對應急救援設(shè)備不熟悉、災害處理方法不得當是造成救護隊員自身傷亡事故的主要因素。因此，迫切需要研究一套現(xiàn)代化的救災模擬演練系統(tǒng)，模擬并營造災害環(huán)境，全面訓練救護隊員的心理和身體素質(zhì)，提高救護隊員和救災指揮人員的應急救援能力，最大程度降低因為救護隊員自身因素導致的傷亡事故。

山東科技大學、煤科總院以及中國礦業(yè)大學等國內(nèi)研究單位相繼對礦山救護隊應急救援訓練系統(tǒng)進行了研究，但設(shè)計的系統(tǒng)不能營造礦井火災及爆炸時期的缺氧環(huán)境，不能形象模擬礦井火災及瓦斯爆炸時的聲光特性，沒有實現(xiàn)聲光模擬的同步。另外，現(xiàn)有的系統(tǒng)子系統(tǒng)間通訊協(xié)議不同，系統(tǒng)復雜。針對目前國內(nèi)礦山救護隊模擬訓練系統(tǒng)研究的不足，作者開展了救災模擬演練系統(tǒng)的研究。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能

目前，大部分國內(nèi)礦山救護隊日常訓練均局限于常規(guī)的體能訓練，無法對隊員的應急救援能力進行正對性的訓練。根據(jù)救護大隊應急演練需求，設(shè)計的救災模擬演練系統(tǒng)必須具備災害模擬訓練功能、缺氧環(huán)境營造功能、遠程網(wǎng)絡化控制功能以及音頻廣播對講和視頻監(jiān)控功能。設(shè)計的系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)營造礦井火災及瓦斯爆炸時高溫濃煙的災害環(huán)境，實現(xiàn)救護大隊日常煙熱訓練的電氣化、數(shù)字化和自動化；系統(tǒng)能夠模擬礦井瓦斯及瓦斯爆炸的聲光特性，訓練受訓人員心理承受能力；系統(tǒng)應具備缺氧環(huán)境模擬功能，訓練救護隊員救災過程中正確操作氧氣呼吸設(shè)備，以及在缺氧環(huán)境下正確搶救傷員；此外，系統(tǒng)還應具備頂板事故模擬功能以及障礙訓練功能，訓練救護隊員應對冒頂?shù)韧话l(fā)災害時的應急反應能力以及對進行復雜災害地形的適應能力；作為現(xiàn)代化救災模擬演練系統(tǒng)，系統(tǒng)需集合遠程控制技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)以及多媒體技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)遠程網(wǎng)絡化監(jiān)控控制以及自動控制。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的從功能上分為三層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和信息層。系統(tǒng)主要由上位機服務器、顯示設(shè)備、PLC、采集總線和現(xiàn)場設(shè)備組成。

現(xiàn)場設(shè)備層的包括數(shù)字視頻攝像頭、音頻終端、發(fā)煙機、產(chǎn)熱裝置、溫度變送器、汽化裝置和聲光裝置等；控制層由PLC通過根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)備運轉(zhuǎn)的邏輯關(guān)系，自動控制訓練室內(nèi)各個設(shè)備的運行狀態(tài)，并實現(xiàn)與中央控制層的數(shù)據(jù)通訊；信息層由中央監(jiān)控計算機、監(jiān)控軟件和網(wǎng)絡設(shè)備組成。監(jiān)控軟件的上位機可以顯示訓練流程和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)故障報警和數(shù)據(jù)設(shè)定等功能，也可以和可編程邏輯控制器PLC實時數(shù)據(jù)通信，控制和改變現(xiàn)場設(shè)備的運轉(zhuǎn)。利用IFix組態(tài)軟件將這些功能可視化，實現(xiàn)將整個訓練流程和進度的直觀顯示。通過三層結(jié)構(gòu)的結(jié)合最終實現(xiàn)將現(xiàn)場訓練環(huán)境中設(shè)備的啟停信息以及環(huán)境中氣體濃度及溫度信息實時的采集到上位機監(jiān)控界面，實時顯示，發(fā)出指令控制。

系統(tǒng)實際運轉(zhuǎn)時，當選擇遠程控制時，用戶通過監(jiān)控軟件像信息層發(fā)送控制信息，控制層根據(jù)收到的信息層控制信息控制現(xiàn)場設(shè)備層?，F(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)等信息反饋給控制層，控制層一方面根據(jù)反饋的信息自動控制現(xiàn)場設(shè)備層，另一方面將設(shè)備層反饋的信息發(fā)送至信息層，用戶根據(jù)收到的信息實時向控制層發(fā)送控制信息，完成整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。當就地控制時，用戶可直接通過控制層控制現(xiàn)場設(shè)備啟停。

根據(jù)三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，將救災模擬演練系統(tǒng)分為音頻網(wǎng)絡廣播對講子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)以及災害模擬訓練子系統(tǒng)。音頻網(wǎng)絡廣播對講子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)以及災害模擬訓練子系統(tǒng)均通過信息層的通信網(wǎng)絡相互通信。

音頻網(wǎng)絡廣播對講子系統(tǒng)分為對講和廣播兩個部分，調(diào)度室音頻上位機上的控制軟件通過演練系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)和模擬巷道內(nèi)的用戶終端實現(xiàn)對講和廣播功能。

災害模擬訓練子系統(tǒng)分為高溫濃煙模擬子系統(tǒng)、爆炸及火災聲光模擬子系統(tǒng)、缺氧環(huán)境模擬子系統(tǒng)、頂板災害模擬訓練子系統(tǒng)以及災害模擬訓練評估子系統(tǒng)。高溫濃煙模擬子系統(tǒng)能夠短時間內(nèi)營造高溫濃煙的災害環(huán)境，訓練受訓人員的身體承受能力；爆炸及火災聲光模擬子系統(tǒng)能夠形象模擬井下火災及瓦斯爆炸時的聲光特性，給受訓人員強大的視聽沖擊，訓練受訓人員心理承受能力；缺氧環(huán)境模擬子系統(tǒng)能夠?qū)⑹苡柨臻g的氧氣濃度降到15%以下，訓練受訓人員在低氧的災害環(huán)境下正確操作氧氣呼吸設(shè)備；頂板災害模擬訓練子系統(tǒng)能夠利用輕質(zhì)材料模擬災害救援時突發(fā)的頂板災害事故，訓練受訓人員針對井下突發(fā)事件的應急反應能力；災害模擬訓練子系統(tǒng)根據(jù)考核人員對受訓人員訓練完成質(zhì)量打分以及現(xiàn)場采集的模擬訓練數(shù)據(jù)進行綜合考量，給出受訓人員訓練成績。進行災害模擬訓練時應根據(jù)具體救護大隊救援基地的實際情況設(shè)置相應的訓練設(shè)施，如金屬柵欄障礙訓練設(shè)施、體能訓練設(shè)施、驗力器等。系統(tǒng)的整體設(shè)計圖如圖1所示。endprint

1.3系統(tǒng)通訊

系統(tǒng)通訊采用TCP/IP通訊協(xié)議，系統(tǒng)各子系統(tǒng)的遠程設(shè)備均通過以太網(wǎng)線與交換機相連，以太網(wǎng)交換機將數(shù)據(jù)集中后通過光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，并由光纜傳輸?shù)竭h端的地面光電轉(zhuǎn)換器將光信號再轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給地面交換機，地面交換機再根據(jù)數(shù)據(jù)包的接收端IP地址將數(shù)據(jù)分發(fā)給各個上位機，從而實現(xiàn)系統(tǒng)遠程通訊。系統(tǒng)整體通訊設(shè)計圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)上位機以及終端采集的音頻信號經(jīng)聲卡處理后經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換為帶IP地址的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，視頻采集卡采集的視頻數(shù)字信號流經(jīng)編碼電路編碼后同樣轉(zhuǎn)化為帶lP地址的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包根據(jù)目標主機根據(jù)IP地址實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和處理。PLC的控制信息流和傳感器數(shù)據(jù)流通過以太網(wǎng)擴展模塊實現(xiàn)與上位機的信息交換。

1.4系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)設(shè)計，子系統(tǒng)之間均采用TCP/IP協(xié)議通訊，因而系統(tǒng)所用設(shè)備必須具備以太網(wǎng)通訊功能。音頻網(wǎng)絡廣播對講子系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡廣播終端，能夠?qū)崿F(xiàn)地面呼叫中心和遠程求救終端的雙向通訊。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)采用網(wǎng)絡數(shù)字紅外攝像設(shè)備，不但能夠通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)字視頻信號，還能夠?qū)崿F(xiàn)黑暗環(huán)境下的視頻監(jiān)控。系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖如圖3所示。

高溫濃煙模擬訓練子系統(tǒng)采用產(chǎn)熱裝置和濃煙發(fā)生裝置營造高溫濃煙災害環(huán)境，產(chǎn)熱裝置在120立方的密閉訓練室內(nèi)的升溫速率可以達到1.2℃/Min，通過溫度傳感器和PLC使煙熱訓練室溫度自動控制在40-45攝氏度之間；濃煙發(fā)生裝置發(fā)煙速率噴煙速率達到20000立方英尺份鐘，20秒內(nèi)即可將80立方的密閉訓練空間內(nèi)充滿濃煙。由于模擬用的煙霧是物理加熱方式產(chǎn)生的，無毒無味，沒有顆粒物，因而傳統(tǒng)的煙霧濃度傳感器并不能有效測定訓練時的煙霧濃度，所以，本系統(tǒng)采用時間分級的方法來區(qū)分煙霧訓練等級，即以噴煙時間20秒、40秒、60秒3個級別作為濃煙訓練分級標準。

爆炸及火災聲光模擬子系統(tǒng)采用大功率LED光源以及頻閃光源模擬瓦斯燃燒機爆炸的光特性，采用火焰模擬光源模擬井下可燃物燃燒時產(chǎn)生的明火，通過音頻剪輯，制作模擬井下爆炸、火災以及冒頂?shù)葹暮Φ囊纛l文件，利用聲光控制器控制實現(xiàn)聲光模擬的同步，形象模擬煤礦井下火災及爆炸的聲光特性。

缺氧環(huán)境模擬子系統(tǒng)采用液氮絕熱存儲和瞬間大流量汽化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)體積存儲下，快速、安全、穩(wěn)定降低較大空間內(nèi)氧氣濃度的目的。系統(tǒng)由液氮絕熱瓶、液氮汽化器、電磁閥、氧氣傳感器、PLC、配電箱以及上位機組成，子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。設(shè)子系統(tǒng)外置汽化器汽化流量為Q（m3/h），密閉訓練時體積為V立方，將密閉空間內(nèi)氧氣濃度降到15%以下所用的時間為T（min），則T=24Q/V。當汽化器汽化流量為100m3/h，訓練室體積為120立方時，將室內(nèi)氧氣濃度降到15%時所用時間為28.8min。當訓練室體積很大時，只需要配備大流量的汽化器即可。

頂板災害模擬訓練子系統(tǒng)通過電磁冒頂模擬裝置以及輕質(zhì)材料塊實現(xiàn)對冒頂災害的模擬。使用時配合紅外線傳感器以及PLC自動控制系統(tǒng)，子系統(tǒng)能夠人為或者根據(jù)傳感器信號觸發(fā)冒頂災害模擬電磁裝置。

系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用PLC集中自動控制，PLC根據(jù)反饋的傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)對整個環(huán)境模擬的自動控制，使訓練環(huán)境溫度、氧氣濃度和能見度等參數(shù)維持在要求范圍內(nèi)。借助PLC的以太網(wǎng)擴展模塊，集中控制系統(tǒng)具備了遠程網(wǎng)絡化控制功能，訓練基地局域網(wǎng)或者遠程英特網(wǎng)用戶終端獲得授權(quán)后均可遠程查看，指揮災害模擬訓練。實際模擬救災演練時，訓練指揮人員可以配合音頻和視頻通訊實現(xiàn)對模擬訓練過程的全方位監(jiān)控，訓練救災指揮人員應急救援的指揮能力，減少決策失誤。

2救災模擬演練系統(tǒng)的現(xiàn)場應用

2.1應用地點簡介

陜西陜煤彬長礦業(yè)有限公司救援中心位于山西省咸陽市彬縣，承擔整個彬長礦區(qū)的應急救援任務，擁有國家礦山應急救援二級資質(zhì)，達到了國家特級質(zhì)量標準化救護大隊，是彬長礦區(qū)重要的應急救援基地。

救援中心建有標準化的地下訓練模擬巷道，主要由斜井、主巷道、聯(lián)巷、冒頂模擬訓練巷道、煙熱訓練室、匍匐巷道以及回風立井組成。如圖5所示，巷道采用自然通風的方式，第一聯(lián)巷和冒頂模擬巷道用于障礙訓練和冒頂模擬訓練，煙熱訓練室用于高溫濃煙訓練以及缺氧環(huán)境模擬訓練，匍匐巷道用于訓練受訓人員針對低矮復雜地形的適應能力。

2.2設(shè)備的安裝及系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

研究根據(jù)救援中心模擬巷道實際特點確定了系統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場安裝方案，即第一聯(lián)巷布置有金屬柵欄障礙訓練設(shè)備，冒頂模擬巷道內(nèi)安裝頂板災害電磁模擬設(shè)備，第二聯(lián)巷為集中控制系統(tǒng)和液氮存儲和汽化裝置放置地點；煙熱訓練室內(nèi)安裝有爆炸及火災模擬光源、煙熱發(fā)生裝置、氮氣排放管路以及各種傳感器；音頻對講廣播設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備安裝于巷道的各個地點，做到無死角全方位監(jiān)控。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

2.3系統(tǒng)的調(diào)試運行及應用效果

系統(tǒng)現(xiàn)場安裝完成后進行了調(diào)試和運行，取得了良好的效果。系統(tǒng)能夠營造出40℃以上的環(huán)境溫度，并能短時可控制造出濃煙，配合播放各種環(huán)境噪音以及釋放模擬災害氣體的氮氣，能夠逼真模擬煤礦火災和瓦斯爆炸的環(huán)境特性。演練系統(tǒng)配合制定的演練方案，并結(jié)合訓練設(shè)施，能夠訓練受訓人員應對煤礦突發(fā)事件的應急救援能力，完全能夠滿足救護大隊日常模擬訓練要求，現(xiàn)場應用效果圖如圖6-9所示：

現(xiàn)場應用時，通過對受訓人員心率的實時采集分析受訓人員的身體及心理素質(zhì)變化情況。正常人心率數(shù)值60-80之間，劇烈運動或受到驚嚇情況下心率會出現(xiàn)升高現(xiàn)象。心率的連續(xù)升高可以作為受訓人員身體體能狀況的衡量指標，心率的突變則可用來衡量受訓人員應對突發(fā)災害環(huán)境的恐懼心理變化情況。因而通過在心率值變化能夠反應受訓人員在訓練過程中的身體能以及心理變化情況。訓練分3個階段，通過對每個階段個體樣本訓練過程中的數(shù)據(jù)變化分析訓練效果，觀察訓練采集的數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示：

從圖中可以看出，常規(guī)的體能訓練受訓人員心率變化幅度較小，沒有突變，不能有效訓練受訓人員的心理素質(zhì)；在救災模擬訓練條件，三個訓練階段受訓人員均有明顯的心率突變過程，表明心理上出現(xiàn)突然的驚慌現(xiàn)象，且三個階段出現(xiàn)的心率幅度逐漸變小，說明通過3個階段的訓練，受訓人員對突發(fā)事件的心理承受能力顯著提高；從圖中還可以看出，第一到第三階段，同一訓練時間點心率數(shù)值依次降低，訓練中心理最大值也出現(xiàn)明顯的下降，說明通過訓練，受訓人員應對復雜災害環(huán)境的身體承受能力以及心理承受能力明顯提高；從圖中還可以看出，受訓人員訓練結(jié)束后，心率數(shù)據(jù)第一階段最高，第二階段、第三階段依次降低，說明通過訓練，受訓人員應對災害的身體承受能力顯著提高。

3結(jié)論

研究針對我國礦山救護大隊模擬訓練手段以及礦山救護大隊救災模擬演練研究的不足開發(fā)了一套礦山救護大隊救災模擬演練系統(tǒng)，并在彬長集團救援中心成功應用。主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)礦山救護大隊日常模擬訓練需求確定了救災模擬演練系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能。即系統(tǒng)由音頻網(wǎng)絡廣播對講子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和音頻對講子系統(tǒng)構(gòu)成，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、應急救援演練以及災害模擬訓練等功能。

21結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)以及PLC自動化控制技術(shù)設(shè)計了救災模擬演練系統(tǒng)三大子系統(tǒng)。子系統(tǒng)間均采用以TCP/IP協(xié)議通信，通過光纖傳輸技術(shù)以及PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程網(wǎng)絡化和自動化監(jiān)控。

3）設(shè)計的災害模擬訓練子系統(tǒng)采用聲、光、熱、煙霧、輕質(zhì)材料以及氣體等手段營造了煤礦火災和瓦斯爆炸時期高溫、濃煙以及缺氧的災害環(huán)境，并能夠模擬災害時期的聲光特性，訓練救護隊員在災害環(huán)境下的心理和生理承受能力；同時，系統(tǒng)能夠模擬冒頂、風流紊亂等突發(fā)災害，訓練救護隊員以及救災指揮人員面對突發(fā)災害時的應急救援能力。

4）設(shè)計的救災模擬演練系統(tǒng)在陜西陜煤彬長集團救援中心成功應用，系統(tǒng)能夠快速營造礦井災害時期高溫、濃煙以及缺氧的災害環(huán)境，并能夠模擬冒頂?shù)绕渌话l(fā)災害。通過對受訓人員心率等訓練數(shù)據(jù)的采集分析，系統(tǒng)能夠顯著提高受訓人員應對災害環(huán)境的心理和身體承受能力，具有良好的實用性和推廣價值。endprint