煤與瓦斯突出防治信息化管理系統(tǒng)構建

蒲 陽，寧小亮

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)是一種典型的煤巖動力災害，其一旦發(fā)生則會造成嚴重的人員傷亡與財產損失。我國在長期的煤與瓦斯突出防治(以下簡稱“防突”)實踐中，探索出了兩個“四位一體”綜合防突技術體系，對于突出防治工作意義重大，其作為一項實用型技術，在“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮中，應積極探索構建“互聯(lián)網(wǎng)+兩個‘四位一體’”防突技術體系，充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢重塑、優(yōu)化兩個“四位一體”實現(xiàn)手段，進而在防突技術上取得新的突破。要實現(xiàn)這一目標，目前存在的主要問題在于防突信息化水平嚴重不足，重要防突參數(shù)仍然采用人工填報方式管理，不僅制約防突效率的提升，而且給數(shù)據(jù)深度分析帶來極大不便[1-4]。另外，在2019年頒布實施的《防治煤與瓦斯突出細則》中，也提出了“鼓勵突出礦井建立防突信息系統(tǒng)，實施防突信息化管理”[5]，這也說明了防突信息化建設是大勢所趨。

筆者以陽煤五礦為試驗礦井，通過構建礦井防突信息化管理系統(tǒng)，以信息化技術全面升級防突數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)存儲等關鍵技術，進而提升防突效率、效果，這也是陽煤五礦積極響應“兩化”深度融合、“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略、智能化礦井建設的重要舉措[6-11]。

1 防突信息化管理系統(tǒng)構建

陽煤五礦防突信息化管理系統(tǒng)由硬件支撐體系、數(shù)據(jù)自動傳輸技術及防突信息化管理軟件3部分構成。硬件支撐體系借助自動化、信息化設備，為防突信息采集、傳輸及分析提供硬件平臺；數(shù)據(jù)自動傳輸技術通過構建多網(wǎng)融合下的防突信息自動傳輸、共享機制，實現(xiàn)防突信息跨網(wǎng)絡快速、穩(wěn)定、安全傳輸及移動審批；防突信息化管理軟件采用電腦、手機客戶端聯(lián)合運行方式，為用戶提供專業(yè)、便捷的防突信息分析、查詢與審批工具。

1.1 硬件支撐體系搭建

硬件設備是防突信息化的基礎，通過多種設備聯(lián)動運行，搭建硬件支撐體系，主要支撐數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析等功能的實現(xiàn)。按照應用場所不同，硬件設備可分為井下設備、地面設備。

1.1.1 井下設備

1)WTC-1型突出參數(shù)測定儀。該設備是陽煤五礦原有瓦斯突出參數(shù)測定儀的升級版，工作原理與原設備相同，但在數(shù)據(jù)管理的信息化、數(shù)據(jù)上傳的自動化及設備的便攜性方面優(yōu)勢明顯。使用該設備可以便捷地將井下測定的突出參數(shù)自動上傳至地面服務器，從而避免人工填報模式的種種弊端。

2)井下無線通訊基站。礦用無線通訊基站通過將有線信號轉換為無線信號，實現(xiàn)井下無線信號覆蓋，為瓦斯參數(shù)自動上傳提供便利。該設備采用礦用隔爆兼本安型直流電源供電，即使井下交流電停電，也可以保證基站連續(xù)工作時間不少于2 h。

1.1.2 地面設備

1)服務器。服務器是具有高速運算能力、長時間可靠運行能力及高負載能力的計算機，在防突信息化管理系統(tǒng)中既是數(shù)據(jù)存儲與分析中心，同時也是多網(wǎng)數(shù)據(jù)融合中樞，是硬件設備的核心。

2)電腦客戶端。電腦客戶端是數(shù)據(jù)采集終端，也是信息發(fā)布終端，同時還是系統(tǒng)運行維護的主要設備。在電腦客戶端運行的防突信息化管理軟件，是數(shù)據(jù)維護、信息發(fā)布與查詢，以及系統(tǒng)運行情況監(jiān)測的主要工具。

3)手機客戶端。利用手機客戶端可在安卓智能手機上運行防突信息化管理軟件，其主要支撐實現(xiàn)防突信息的移動審批、移動查詢。

4)短信發(fā)布平臺。其作用是將工作面防突信息以短信形式發(fā)送給相關人員，這是為保障防突信息及時、可靠發(fā)布而設計的一套冗余設備，防止由于網(wǎng)絡故障等原因造成關鍵信息無法及時發(fā)布。

1.2 數(shù)據(jù)自動傳輸技術構建

防突信息從井下采集到地面防突信息服務器，再到云服務器，過程涉及井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、地面辦公網(wǎng)及廣域網(wǎng)之間的跨網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結構示意圖

1.2.1 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康氖菍⒏黝惙劳恍畔⑸蟼髦练掌骷泄芾?，主要有兩種方式：一種是跨網(wǎng)絡傳輸，對于WTC-1型突出參數(shù)測定儀采集的日常預測及鉆孔數(shù)據(jù)，由測定儀主機經井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)無線基站上傳至地面辦公網(wǎng)絡防突信息服務器，為保證網(wǎng)絡安全，兩局域網(wǎng)之間采用硬件防火墻隔離，數(shù)據(jù)單向傳輸；另一種是辦公網(wǎng)內部傳輸，即由電腦客戶端在局域網(wǎng)內將防突措施鉆孔竣工參數(shù)、區(qū)域預測及其他觀測信息等直接上傳至防突信息服務器。

1.2.2 云同步服務構建

要實現(xiàn)防突信息局域網(wǎng)外的移動管理，需通過云同步服務將數(shù)據(jù)接入廣域網(wǎng)，也就是將數(shù)據(jù)傳輸至移動客戶端可以實時訪問的云服務器。為實現(xiàn)防突信息云同步，首先對陽煤五礦本地數(shù)據(jù)庫進行重新設計，以滿足云同步機制的要求，主要包括：①建立同步標識字段，并以標識字段為參照實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)庫與云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步更新；②選擇同步內容，如指標信息、鉆孔信息、班次信息、部分圖件信息等，對不符合要求的數(shù)據(jù)結構進行重新設計；③建立數(shù)據(jù)同步容錯機制，解決同步過程中可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡適配、同步中斷、數(shù)據(jù)量過大等問題。然后以數(shù)據(jù)表為對象，建立相關的檢索標識、內容判斷機制、同步頻率、同步類型，以及其他同步依據(jù)形成同步機制，實現(xiàn)防突信息服務器與云服務器數(shù)據(jù)雙向同步。

1.3 防突信息化管理軟件開發(fā)

防突信息化管理軟件分為電腦客戶端、手機客戶端軟件，兩者共享數(shù)據(jù)信息，功能設置各有側重：電腦客戶端軟件側重數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)維護；手機客戶端軟件側重防突信息查看、移動審批。

1.3.1 電腦客戶端軟件

電腦客戶端軟件通過各項專業(yè)的分析管理功能，實現(xiàn)對防突信息管理的信息化、規(guī)范化、集約化，主要功能可分為3部分：防突數(shù)據(jù)信息化管理、防突數(shù)據(jù)分析及可視化、系統(tǒng)管理[12-16]。

1)防突數(shù)據(jù)信息化管理。按照兩個“四位一體”防突技術體系的標準，采用專用電子表格，對各工作面區(qū)域及局部預測指標、鉆孔參數(shù)等數(shù)據(jù)按時序、分循環(huán)進行管理，可以便捷查詢任意工作面、任意時間區(qū)間內的突出預測(效檢)或防突措施數(shù)據(jù)。針對陽煤五礦執(zhí)行頻次較高的工作面日常預測工作，首先根據(jù)礦井原有紙質預測表單樣式創(chuàng)建電子表單，并以井上下硬件設備為支撐，通過軟件專業(yè)功能實現(xiàn)日常預測表單的自動填報及數(shù)據(jù)云同步，為手機移動審批奠定基礎。

2)防突數(shù)據(jù)分析及可視化。統(tǒng)計分析實測防突數(shù)據(jù)，掌握其時空變化規(guī)律，對于預測未知區(qū)域突出危險性大小意義重大。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能的實現(xiàn)主要通過專業(yè)工具，對防突數(shù)據(jù)的時空變化規(guī)律、循環(huán)變化規(guī)律、數(shù)據(jù)變化趨勢及防突措施執(zhí)行效果等進行多角度全面分析，并以防突大樣圖、步進圖、曲線圖、柱狀圖等形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。其中大樣圖以工作面防突時空關系為主線，全面反映預測(效檢)鉆孔情況、預測(效檢)指標值，以及措施鉆孔施工情況、施工時間、巷道循環(huán)進度等信息；步進圖主要反映工作面日常預測(效檢)指標值與工作面推進度關系，圖形能夠直觀顯示工作面預測(效檢)指標值、工藝類型、工作面循環(huán)進度、累計進度，以及是否存在指標超限、超采超掘等異常狀況等信息；曲線圖主要反映預測(效檢)指標值隨采掘進度或時間的變化規(guī)律；柱狀圖通過統(tǒng)計各工作面選定時間內預測(效檢)指標值區(qū)間分布情況，從總體上反映工作面突出危險性大小。各類統(tǒng)計圖件分別從不同角度，系統(tǒng)反映兩個“四位一體”執(zhí)行情況，以及工作面突出危險性大小，具有較高的實用價值。

防突數(shù)據(jù)分析的另一個重要內容是防突措施鉆孔施工效果分析，即根據(jù)鉆孔竣工參數(shù)來分析鉆孔空間分布，判識是否存在空白帶或是控制范圍不足等防突措施缺陷[17-20]，從而超前捕捉工作面潛在的突出隱患信息。

3)系統(tǒng)管理。由于防突信息化管理系統(tǒng)運行涉及跨網(wǎng)絡、多臺設備聯(lián)合運行，且防突管理本身就是一項精細化工作，因此必須建立嚴格的運行管理機制，才能確保系統(tǒng)正常運行。在系統(tǒng)運行方面，嚴格規(guī)范操作者權限、網(wǎng)絡配置、硬件配置、數(shù)據(jù)上傳設置、工作面關聯(lián)等關鍵控制點信息，保證系統(tǒng)按流程正常穩(wěn)定運行。在業(yè)務流程方面，基于兩個“四位一體”綜合防突技術體系，按照“突出危險性預測→若超標，執(zhí)行消突措施→措施效果檢驗→未達標，繼續(xù)執(zhí)行消突措施，直至消除危險”的管理流程，對防突信息審批實行閉環(huán)管理，只有當各級審批人員全部審批通過以后才能生效，否則，返回重走審批流程。

1.3.2 手機客戶端軟件

為實現(xiàn)防突信息移動審批、移動查詢，基于Android系統(tǒng)開發(fā)了防突信息化手機客戶端軟件，可以通過手機實時查看突出參數(shù)及其變化規(guī)律、防突措施執(zhí)行情況、瓦斯異常等信息，這不僅是對突出參數(shù)查閱途徑的擴展，更是對防突智能化管理的技術革新。手機客戶端軟件主要功能包括防突信息審批、防突信息查詢。

1)防突信息審批。在手機端本地存儲支持下，通過無線局域網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)，對已經執(zhí)行區(qū)域驗證、局部預測或局部效檢的工作面，根據(jù)不同職位審批級別，進行是否允許施工、允許進尺、允許實施措施的審批；對于已經本人審批，但下一審批人在給定時間內未進行及時審批的信息，可以發(fā)送短信進行催促提示。在非聯(lián)機狀態(tài)，也可執(zhí)行審批，即將審批結果保存于本地數(shù)據(jù)庫，手機端軟件在網(wǎng)絡連通時，將自動執(zhí)行上傳操作。在審批過程中，可以通過手機查詢工作面施工信息、工作面循環(huán)信息、工作面預測指標詳情、工作面鉆孔施工信息、提請審批的基本情況或審批意見等信息。

2)防突信息查詢。手機客戶端軟件提供了防突信息圖形、圖表查詢，其中，圖形查詢主要類型有鉆孔施工圖、預測指標變化曲線、指標值分布直方圖等；圖表查詢主要類型有最新突出預測報表、歷史預測統(tǒng)計表、防突信息審批情況列表等。

2 現(xiàn)場應用情況

陽煤五礦防突數(shù)據(jù)信息原采用人工填報紙質表單方式進行審批與管理，這種方式主要存在以下不足：①突出預測時效性差，表單填報、審批耗時過長，管理人員無法第一時間獲知工作面突出危險信息，從而導致錯失最佳防突消突時機；②突出預測準確性易受人為因素影響，無法避免數(shù)據(jù)篡改或是錄入失誤；③缺乏有效的防突措施執(zhí)行效果分析工具，無法判識是否存在防突措施空白帶，可能給工作面留下潛在的突出隱患；④防突數(shù)據(jù)信息多以紙質表單零散保存，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析不便，難以系統(tǒng)、準確地把握工作面突出危險性大小及變化趨勢。

防突信息化管理系統(tǒng)在陽煤五礦應用以后，在采掘工作面利用WTC-1型突出參數(shù)測定儀采集的突出參數(shù)，可以在井下直接上傳至地面防突信息服務器，并通過云同步實現(xiàn)預測報表移動審批，既大幅壓縮了突出預測表單填報、送審等中間環(huán)節(jié)耗時(平均減少約70%)，又有效避免了人為因素對數(shù)據(jù)準確性的影響；此外，通過系統(tǒng)提供的專業(yè)數(shù)據(jù)分析及管理工具，可以對防突信息的時空變化規(guī)律及防突措施執(zhí)行效果等進行全面、綜合分析，并對各類數(shù)據(jù)按時序、分層級進行管理，能夠有效指導礦井防突工作，并為相鄰工作面防突工作提供參考。系統(tǒng)運行效果如圖2和圖3所示。

圖3 防突措施執(zhí)行效果分析界面

3 結語

針對目前防突信息化不足導致的諸多問題，在陽煤五礦構建了集硬件支撐體系、數(shù)據(jù)傳輸與云同步機制、軟件平臺于一體的防突信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對防突數(shù)據(jù)從獲取、傳輸?shù)椒治?，再到結果發(fā)布、歸檔存儲的全過程、全方位的集約化管控。該系統(tǒng)在陽煤五礦應用以來，一方面以自動化、信息化手段，實現(xiàn)了防突數(shù)據(jù)的自動采集上傳、移動審批，大大提升了防突工作效率；另一方面，采用專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析工具，實現(xiàn)了多元防突數(shù)據(jù)的有效融合、聯(lián)合判識，突出預測更加精準、及時，為礦井防突決策提供了有力支撐。