一種面向?qū)崟r監(jiān)測的煤礦安全時空數(shù)據(jù)模型

潘理虎，張朝偉，張英俊，陳立潮

(太原科技大學 計算機科學與技術學院，太原 030024)

近年來我國煤礦安全形勢雖逐年好轉(zhuǎn)，但煤礦事故起數(shù)與事故傷亡人數(shù)仍高于與美國、澳大利亞等發(fā)達國家?，F(xiàn)階段煤炭自然因素的局限性、煤炭工業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、安全監(jiān)管不足、技術裝備落后、從業(yè)人員素質(zhì)低等諸多障礙是導致我國煤礦事故高于發(fā)達國家的根本原因[1]。

現(xiàn)代化的信息技術及智能設備的普及推廣，使得傳統(tǒng)煤礦企業(yè)正朝著資源與開采環(huán)境數(shù)字化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡化、技術裝備智能化、生產(chǎn)管理及決策科學化的智慧礦山方向發(fā)展。煤礦安全信息系統(tǒng)從早期單一的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到各類監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的融合，結(jié)合煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)建立全面綜合的自動化信息平臺；技術上也從傳統(tǒng)工業(yè)制造技術逐漸結(jié)合了GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算以及多種信息通信技術及智能技術，對原有生產(chǎn)方式進行改造，使有效信息被挖掘和充分應用，從而提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力[2]。

隨著煤礦信息化建設的逐步完善，各種煤礦安全生產(chǎn)信息化系統(tǒng)平臺的運行產(chǎn)生了大量的時空序列數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于事故預測以及事故成因分析有著巨大的價值。挖掘時空序列數(shù)據(jù)特性，研究時空序列模型的建模方法成為提高煤礦安全監(jiān)控和管理技術的新途徑。吳嬌嬌[3]基于時空建模思想，深入挖掘煤礦瓦斯?jié)舛刃蛄斜旧硭臅r間規(guī)律和瓦斯?jié)舛刃蛄兄g的空間關聯(lián)規(guī)律，提出了一種時空神經(jīng)網(wǎng)絡瓦斯?jié)舛阮A測模型，張曉曉[4]又在此基礎上引入選擇性集成方法，構(gòu)建了時空神經(jīng)網(wǎng)絡選擇性集成模型。然而現(xiàn)有的研究未能對這些數(shù)據(jù)建立一個行之有效的數(shù)據(jù)模型，導致對這些數(shù)據(jù)價值的發(fā)掘與利用還遠遠不夠。近幾年移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及基于位置服務(LBS)在各個領域的廣泛應用使得時空數(shù)據(jù)模型[5]成為了研究的熱點，并廣泛的應用于地籍管理、土地利用、林業(yè)資源數(shù)據(jù)更新等領域[6]。面對煤礦井下安全生產(chǎn)這個復雜的時空過程，雖然有大量關于煤礦安全預測分析的研究以及安全系統(tǒng)的應用，但是時空數(shù)據(jù)模型在煤礦安全領域的研究卻仍然較少。缺乏一種有效可行規(guī)范且有較強實時性的時空數(shù)據(jù)模型來為煤礦安全的研究提供支持。分析煤礦井下生產(chǎn)過程及各類生產(chǎn)要素，建立時空數(shù)據(jù)模型，不僅可以在整體上建立對生產(chǎn)過程清晰的認知，并且可以實時觀測整個生產(chǎn)過程中各類生產(chǎn)要素的變化情況，實現(xiàn)對井下人員、設備以及環(huán)境的實時檢索查詢與關聯(lián)查詢，對于有效地避免事故的發(fā)生具有重要意義[7]，同時對于事故成因分析與災害預測也有較為重要的作用。

本文在分析了煤礦安全和時空數(shù)據(jù)在煤礦安全領域應用的研究現(xiàn)狀基礎上，研究并給出面向?qū)崟r監(jiān)測分析的煤礦井下安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型,以滿足對煤礦井下時空數(shù)據(jù)管理的需要。該模型對于高效管理人員、設備等運動目標的動態(tài)數(shù)據(jù)以及溫度、風速、位置、瓦斯?jié)舛鹊雀鞣N傳感器的實時觀測數(shù)據(jù),抽象各類時空對象的特征,有效建立各種時空對象之間的相互關系發(fā)揮重要的基礎性作用。

1 煤礦井下安全生產(chǎn)時空對象抽象

煤礦井下安全生產(chǎn)過程是一個時空過程，在不同的時刻、時態(tài)，各種井下生產(chǎn)要素和現(xiàn)象總是處于不同的空間或狀態(tài)。外在表現(xiàn)則是隨時間變化，各種生產(chǎn)要素在空間或?qū)傩陨系淖兓?。而時空對象，則是這個時空過程中各種時空要素的抽象表達。同種時空對象內(nèi)部的關系以及不同的時空對象之間的關系錯綜復雜，形式多樣。研究中，首先通過分析煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境以及各類生產(chǎn)要素，對各種地理對象進行分類，掌握每種對象的屬性與特點，然后再抽象出對象之間的時空關系，為煤礦井下安全生產(chǎn)時空建模提供理論依據(jù)[8]。

1.1 生產(chǎn)情境分析

煤礦井下生產(chǎn)情境信息復雜[9]，包含多類工種、多種操作工具，針對不同的施工環(huán)境，采取的施工方法不同，使用的工具也不盡相同。傳統(tǒng)的煤礦生產(chǎn)主要包括鉆眼工、爆破工、人力裝載工、錨桿支護工、采煤機司機、轉(zhuǎn)載機司機、破碎機司機、液壓支架工等數(shù)十個工種[10]。以掘進機掘進過程為例，涉及到的工種主要是掘進機司機和裝載機司機，對應的設備則是掘進機和裝載機。除了工人、設備以及操作方法外，井下生產(chǎn)涉及到的情境信息還包括環(huán)境信息，如瓦斯、煤塵、風流、水流、一氧化碳、二氧化碳等各種氣體以及煤層、巖層等[11]。而這些信息則需要通過瓦斯傳感器、負壓傳感器、溫度傳感器、風速傳感器等各類傳感器來實時監(jiān)測[12]。

1.2 時空對象抽象

依據(jù)上述的分析，空間與狀態(tài)屬性在不停變化的人員、設備、環(huán)境信息是時空模型的主要研究目標，因此可以將井下各類生產(chǎn)要素抽象為三類時空對象[13-14]：人員對象、設備對象和傳感器對象或環(huán)境對象。這些時空對象除了本身不變的自有屬性外，還應該包含隨時間或時態(tài)變化的屬性，通常我們會通過位置傳感器、開停傳感器或視頻監(jiān)控攝像頭等設備實時觀測這些變化的屬性。

圖1 煤礦井下安全生產(chǎn)時空對象結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Spatio-temporal object structure of coal mine underground safety production

井下工作人員有工種、操作的設備等與井下生產(chǎn)過程相關的不變的屬性，也有當前工作狀態(tài)、工作區(qū)域、位置信息等隨時間變化的狀態(tài)信息，因此人員對象的屬性可以分為不變屬性和可變屬性。而在實際的生產(chǎn)過程中，傳感器對于可變屬性的觀測是離散的，通常每隔一段時間會對位置信息與狀態(tài)信息進行一次觀測，獲得一次觀測值，將這些觀測值按照時間或者時態(tài)順序連接到一起，就可以得到一個觀測值序列，因此，可變屬性可以表現(xiàn)為一個屬性狀態(tài)序列。與人員對象相對應的還有設備對象，同樣由可變屬性與不變屬性組成，其中可變屬性則是由設備的空間序列和運行狀態(tài)序列構(gòu)成。與人員對象、設備對象有所區(qū)別的是，在時空數(shù)據(jù)模型中我們更關注的是傳感器得到的觀測值，而非傳感器本身的狀態(tài)變化，因此傳感器對象的結(jié)構(gòu)可分為參數(shù)和觀測兩部分。其中參數(shù)部分包含了傳感器編號、類型、觀測值類型、傳感器工作溫度、安置位置、角度等與傳感器本身相關的信息，而這些信息根據(jù)其是否隨時間變化又可分為不變參數(shù)與可變參數(shù)；觀測部分包含了傳感器所得到的觀測值所構(gòu)成的序列。時空對象結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.3 時空對象定義

根據(jù)以上對時空對象結(jié)構(gòu)的分析，三類時空對象本身具有不變性和唯一性，因此將時空對象o定義為：

o={u,c,S(t),P(t),A}

式中u表示時空對象的標識碼，在整個時空數(shù)據(jù)模型的標識碼集合中，這個標識碼都是唯一的；c表示時空對象的類型；S(t)表示時空對象隨時間變化的空間信息集合；P(t)表示時空對象在整個時空過程中隨時間變化的有限個狀態(tài)屬性的集合；A表示時空對象的行為操作集合，包含了該時空對象在時空過程中可能發(fā)生的在時間、空間和狀態(tài)屬性上的運算與操作。

2 煤礦井下安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型

上文簡單分析了煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境中人員、設備、環(huán)境要素的特征，并對這三種對象結(jié)構(gòu)進行了抽象，給出了時空對象的定義。為了能夠更好的描述這三種對象的定義以及對象之間的關系，本文將整個煤礦安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型 (Spatio-Temporal Data Model) 表示為由時空對象(Objects)、鄰居(Neighbors)和時空關系(Relationships)組成的三元組：

STDM = (O,N,R)

式中STDM表示時空數(shù)據(jù)模型；O即為上文中定義的時空對象集合，包含了人員、設備、傳感器三種類型；N代表了與時空對象在時空過程中可能影響到的相鄰對象的集合；R則是不同時空對象之間存在的關聯(lián)、聚合、依賴、繼承等關系的集合。根據(jù)以上對煤礦生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型的定義，下面給出了一個采用統(tǒng)一建模語言(UML)描述的煤礦井下安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型。模型的UML類圖如圖2所示。

圖2煤礦井下安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型UML圖

Fig.2UML diagram of spatio-temporal data model in coal mine underground production

模型的上層是三個時空對象類，用于描述三種時空對象的不變參數(shù)和不變屬性；下層是四個觀測和狀態(tài)類，用于描述時空對象的可變參數(shù)、觀測值以及可變屬性。

(1)SensorObject(傳感器對象類)用于描述井下生產(chǎn)環(huán)境，定義了傳感器對象的類型、值類型、位置、工作狀態(tài)等不變參數(shù)。它是由多個SensorObserv(傳感器觀測值)和SensorPara(傳感器參數(shù))聚合而成；

(2)SensorObserv(傳感器觀測值類)是傳感器對象隨時間變化的觀測值狀態(tài)序列，記錄了每一次觀測的觀測時間與觀測值，同時還關聯(lián)了序列中的上一次觀測和下一次觀測。

(3)SensorPara(傳感器參數(shù)類)中保存了傳感器可變的參數(shù)；

(4)PeopleObject(人員對象類)用于描述井下工作人員，定義了人員對象的工種、工作區(qū)域、操作等不變屬性。它是由多個PeopleStatus(人員狀態(tài))聚合而成；

(5)PeopleStatus(人員狀態(tài)類)是人員對象的狀態(tài)序列，類中記錄了每一次狀態(tài)收集的時間、位置等時空信息，并與自身關聯(lián)，保存了上一次記錄和下一次記錄；

(6)EquipObject(設備對象類)是模型的基礎，用于描述井下生產(chǎn)設備對象，類中定義了設備對象的編號、類型等不變屬性。它由多個EquipStatus(設備狀態(tài))聚合而成。由于人的行為和操作會影響設備的狀態(tài)，設備也必然與操作維護人員相關，因而設備對象與PeopleObject(人員對象類)之間存在關聯(lián)關系。同時設備的時空變化會引起環(huán)境信息的改變，因此設備對象與SensorObject(傳感器對象類)之間也存在關聯(lián)關系。同時由于不同的設備對象之間也會相互影響，因此設備對象還與自身相關聯(lián)；

(7)EquipStatus(設備狀態(tài)類)保存了設備對象的狀態(tài)序列，記錄了每一次設備狀態(tài)收集的時空信息、設備運行的狀態(tài)以及相鄰的兩次記錄，與自身相關聯(lián)。

3 煤礦井下安全生產(chǎn)時空信息系統(tǒng)設計

在煤礦井下安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型的基礎上，設計并構(gòu)建了時空信息系統(tǒng)，以驗證該時空數(shù)據(jù)模型在煤礦安全領域的可用性和有效性。整個“煤礦安全生產(chǎn)時空信息系統(tǒng)”的架構(gòu)分為三層，分別為負責從井下采集時空數(shù)據(jù)與人員、設備、環(huán)境信息并發(fā)回地面的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，用于存儲和管理時空數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)”，用于完成數(shù)據(jù)可視化以及人機交互的“數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)”?！皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)”主要組成部分有井下智能綜合分站，一氧化碳、瓦斯、開停、風速、溫度等各類傳感器，無線通信系統(tǒng)，精確定位基站和定位卡等，這些設備用于采集時空對象的可變屬性，主要包括工作面或巷道的各種環(huán)境參數(shù)以及人員、設備的位置信息，并通過基站與智能綜合分站將設備采集到的信息通過傳輸網(wǎng)絡傳送到地面的“數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)”?！皵?shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)”采用空間信息服務功能較強的PostgreSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，按照時空數(shù)據(jù)模型組織數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對時空信息的統(tǒng)一組織、存儲和管理?！皵?shù)據(jù)展示系統(tǒng)”采用基于JAVAEE平臺的B/S模式，并運用軟件分層技術對系統(tǒng)架構(gòu)進行設計，為系統(tǒng)實現(xiàn)提供基礎服務，展示井下人員、設備的實時定位信息以及環(huán)境信息。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖
Fig.3 System architecture diagram

“數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)”作為與用戶直接交互的數(shù)據(jù)可視化終端與系統(tǒng)承載體，在系統(tǒng)中尤為重要，其設計嚴格遵循了時空數(shù)據(jù)模型對于各類時空對象可變屬性與不變屬性的規(guī)定，并強調(diào)了不同對象間的關聯(lián)。系統(tǒng)主要分為四大功能模塊，分別為定位信息，設備管理，人員管理和傳感器管理。其中定位信息模塊使用煤礦平面矢量圖作為煤礦井下生產(chǎn)地圖，實時的從數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)中獲取各個時空對象的空間信息并將這些時空對象實例顯示到地圖上對應的位置，同時還具有繪制人員、設備軌跡，監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)及波動趨勢，人員、設備信息的時空關聯(lián)查詢等功能。其余三個模塊則具有列表查詢功能，可以查詢?nèi)藛T、設備、傳感器的屬性信息，同時還可以進行設備-人員，設備-傳感器之間的關聯(lián)查詢。

為了驗證系統(tǒng)的可用性，本文采用模擬實驗的方式，展示了在井下生產(chǎn)過程可能發(fā)生的情景中“數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)”工作的過程。

實驗一通過時空數(shù)據(jù)模型的對象間的關聯(lián)規(guī)則來查詢設備“掘進機1”周圍的環(huán)境信息，當掘進機行駛至某點時，系統(tǒng)按照一定規(guī)則選取最符合該設備工作環(huán)境情境的一組傳感器(溫度、風速、瓦斯?jié)舛?實時監(jiān)測值，通過后臺返回到前端頁面，并將其以折線圖的形式直觀的展現(xiàn)出來，同時系統(tǒng)還會將對應時間段設備的運行狀態(tài)以同樣的方式展現(xiàn)，實驗結(jié)果如圖4所示：

圖4 設備-環(huán)境關聯(lián)查詢
Fig.4 Association query of equipment-environment

實驗二模擬了危險預警的過程，當瓦斯傳感器實時監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛瘸霭踩?，系統(tǒng)會自動觸發(fā)報警，將報警信息傳送到與該傳感器相關聯(lián)的設備，并通過設備與人員之間的關聯(lián)，通知到與設備相關的所有工作人員作出相應的應急措施，同時系統(tǒng)會根據(jù)后臺返回的數(shù)據(jù)繪制出設備與相關人員的行動軌跡，實驗結(jié)果如圖5和圖6，圖5中展示了“掘進機1”與“掘進機司機”“掘進機維修工”在同一時間段內(nèi)的行動軌跡，圖6中則顯示了當報警發(fā)生時，后臺返回的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關的人員、設備的位置信息。

4 結(jié)論

在煤礦生產(chǎn)信息化、智能化的背景下，各種各樣信息化技術與設備在煤礦安全領域得到了廣泛的應用，這些應用采集了大量的對預測煤礦災害有種重要意義的時空數(shù)據(jù)，如何科學合理的挖掘這些數(shù)據(jù)中蘊含的價值成為了亟待解決的問題。本文分析了復雜的煤礦井下生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)環(huán)境的特點，抽象出井下三類時空對象的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合了時空數(shù)據(jù)模型研究成果，給出了一種面向?qū)崟r監(jiān)測分析的的煤礦井下安全生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)模型。在模型的基礎上，構(gòu)建了一個應用于煤礦生產(chǎn)的時空信息系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)采集、存儲管理與數(shù)據(jù)展示的實現(xiàn)驗證了模型的可用性，同時以模擬實驗的方式證明了模型與系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的意義與價值。與以有的煤礦安全領域的研究相比，更著重于研究各類生產(chǎn)要素的在時空方面的共性以及不同生產(chǎn)要素之間的關系。下一步工作主要研究如何模擬并還原井下生產(chǎn)時空過程，以便更好的預測和分析生產(chǎn)過程中的各種變化趨勢。

圖5 設備-人員軌跡圖
Fig.5 Trajectory of equipment-people

圖6 后臺傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關的人員、設備的位置信息
Fig.6 Sensor monitoring data and location information of related people and equipment