煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類體系與大數(shù)據(jù)分析框架

雷小平，張鵬鵬

(北京龍軟科技股份有限公司，北京市 100190)

1 我國煤礦安全生產(chǎn)信息化現(xiàn)狀分析

大數(shù)據(jù)分析在煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)經(jīng)營管理中得到廣泛應(yīng)用[1-2]，我國的煤炭企業(yè)和研究人員相繼展開智能化煤礦的研究和建設(shè)，建立和完善了煤礦工業(yè)控制網(wǎng)和企業(yè)局域網(wǎng)環(huán)境，以工業(yè)組態(tài)軟件為基礎(chǔ)建設(shè)綜合自動化集控平臺，開展以煤礦安全避險為主題的“六大系統(tǒng)”建設(shè)，面向煤炭企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和煤礦安全生產(chǎn)專業(yè)部門建設(shè)了一系列業(yè)務(wù)流程化的管理信息系統(tǒng)，取得了長足的進(jìn)步。

目前，我國煤礦智能化建設(shè)在現(xiàn)階段已經(jīng)呈現(xiàn)出“新四化”特點：監(jiān)控實時化、系統(tǒng)物聯(lián)化、數(shù)據(jù)海量化和決策智能化，這對煤礦安全生產(chǎn)的全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)警和協(xié)同控制提供了可能。然而，專業(yè)部門條塊分割的管理和信息系統(tǒng)建設(shè)模式導(dǎo)致了諸多的問題，鑒于此，作者針對煤礦安全生產(chǎn)實際需求提出有必要跨越部門專業(yè)、統(tǒng)一人機環(huán)管、考慮歷史現(xiàn)勢和未來、整合時間和空間維度，系統(tǒng)性梳理煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分類體系，以煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類體系為基礎(chǔ)構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析框架，為煤礦安全生產(chǎn)智能化建設(shè)提供大數(shù)據(jù)分析的框架和知識發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)向目標(biāo)。

2 煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類與組織體系

2.1 煤礦安全生產(chǎn)對象

煤礦安全生產(chǎn)的主體是人，客體是地下的煤炭地質(zhì)體，目標(biāo)是對煤炭地質(zhì)體進(jìn)行采掘產(chǎn)出煤炭。為此，建立了一系列直接和輔助的煤礦安全生產(chǎn)活動，包括采煤、掘進(jìn)、運輸、機電、通風(fēng)、地測和煤礦救護(hù)等。人員和設(shè)備參與到煤礦安全生產(chǎn)活動中，對煤礦地質(zhì)體及其生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生影響和破壞，煤炭地質(zhì)體和生產(chǎn)環(huán)境的破壞反過來也會造成煤礦生產(chǎn)活動的停頓以及人員設(shè)備的損傷。為了保證煤礦安全生產(chǎn)活動有序、高效、安全地進(jìn)行，需要制定一系列的技術(shù)方案和管理制度，如作業(yè)規(guī)程、設(shè)備操作規(guī)程、入井檢身制度等。

2.2 煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類體系

煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以從兩個維度進(jìn)行分類，一個是生產(chǎn)準(zhǔn)備、基本生產(chǎn)、輔助生產(chǎn)和生產(chǎn)服務(wù)的生產(chǎn)活動維度；另一個是人員、設(shè)備(物料)、環(huán)境、安全、技術(shù)和制度的維度。分類結(jié)果如表 1所示。

表1 煤炭安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的二維分類體系

3 煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析框架

大數(shù)據(jù)技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用以提升安全生產(chǎn)和管理水平為主要目標(biāo)。為此，需要跨越部門專業(yè)、統(tǒng)一人機管、考慮歷史現(xiàn)勢和未來、整合時間和空間維度，打通信息壁壘，深入理解煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)背后的關(guān)系和故事[3-7]，決定對數(shù)據(jù)的分析目標(biāo)，確定數(shù)據(jù)分析采用何種方法和工具，進(jìn)而建立煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析的框架[8-9]。

3.1 煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析目標(biāo)

煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)是對生產(chǎn)活動、人員、設(shè)備、環(huán)境的理論要求狀態(tài)與實際運行狀態(tài)之間的偏離進(jìn)行分析、建模、機器學(xué)習(xí)和預(yù)測預(yù)警。主要包括以下幾種類型：

1) 圍繞生產(chǎn)活動、人員、設(shè)備、環(huán)境某個單一維度的時空狀態(tài)變化的分析建模。如設(shè)備故障周期分析建模、瓦斯曲線回歸分析、沖擊地壓周期分析等。主要采用傳統(tǒng)的模式識別和時間序列分析。

因此，煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括三個方面：一是對煤礦安全生產(chǎn)活動及其人員、設(shè)備、環(huán)境的技術(shù)規(guī)格和管理制度要求；二是根據(jù)技術(shù)和管理制度要求，進(jìn)行生產(chǎn)活動、人員、設(shè)備、環(huán)境的準(zhǔn)備情況；三是人員、設(shè)備、環(huán)境在生產(chǎn)活動中的具體表現(xiàn)情況和狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類體系

2) 圍繞生產(chǎn)活動、人員、設(shè)備、環(huán)境多個維度之間的相關(guān)性進(jìn)行分析建模。從生產(chǎn)活動維度集、人員維度集、設(shè)備維度集、環(huán)境維度集中選擇多個維度尋求相關(guān)性，是目前大數(shù)據(jù)分析的要義。

3) 生產(chǎn)活動、人員、設(shè)備、環(huán)境的偏離分析。根據(jù)歷史積累的數(shù)據(jù)，分析預(yù)測可能偏離規(guī)則要求的人員、設(shè)備、環(huán)境以及生產(chǎn)活動的環(huán)節(jié)或者工序等。如：不安全行為分析、不安全設(shè)備分析等。

3.2 基于GIS一張圖的煤礦大數(shù)據(jù)分析展示框架

煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)均具有空間屬性，煤礦安全生產(chǎn)只能在特定空間背景環(huán)境中展開。因此，煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析，區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析，需要在煤礦安全生產(chǎn)的特有空間環(huán)境中組織分析工具，展示分析的數(shù)據(jù)和結(jié)果[10]。GIS一張圖就是煤礦安全生產(chǎn)空間環(huán)境抽象工具。

煤礦GIS一張圖，是基于統(tǒng)一地理信息平臺的煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)集成和綜合展示平臺，是二維GIS或四維GIS(x，y，z，t時間維度)的服務(wù)平臺，其核心理念是“物聯(lián)感知、協(xié)同可控”統(tǒng)一管理、“隨時、隨地”訪問使用，“持續(xù)、及時”協(xié)同、動態(tài)更新，服務(wù)于技術(shù)、生產(chǎn)、安監(jiān)、防災(zāi)應(yīng)急、煤礦大數(shù)據(jù)分析展示等。

3.3 煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)技術(shù)框架

煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺基于Hadoop HDFS組件以及數(shù)據(jù)倉庫Hive和分布式鍵值對數(shù)據(jù)庫HBase實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，利用成熟大數(shù)據(jù)框架Hadoop和Spark相結(jié)合方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的批處理和流式計算以及機器學(xué)習(xí)，大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)架構(gòu)體系及OLAP系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺的技術(shù)框架

煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺提供了數(shù)據(jù)接入、存儲、處理到可視化等功能。數(shù)據(jù)引擎提供CSV、TXT、文件文檔，關(guān)系數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)進(jìn)入云存儲環(huán)境為大數(shù)據(jù)計算做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。為不同的應(yīng)用場景提供了三種存儲方式：HBase、Hive和HDFS。為大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析提供了SparkSQL分析、RDD、DataFrame和DataSet任務(wù)提交接口；為機器學(xué)習(xí)提供決策樹快速構(gòu)建、回歸算法以及貝葉斯算法進(jìn)行常見的分類和模型構(gòu)建。提供了餅狀圖、柱狀圖、雷達(dá)圖、曲線圖以及位置分布等接口，使計算分析結(jié)果能夠直觀展現(xiàn)。

在煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺上，建立專家知識庫，預(yù)測預(yù)警規(guī)則庫等，基于靜態(tài)數(shù)據(jù)、流式數(shù)據(jù)等計算框架，對煤礦安全生產(chǎn)活動、人員、設(shè)備、環(huán)境的偏離情況等不間斷實時分析計算和預(yù)測。

4 結(jié) 語

煤礦安全生產(chǎn)的新四化需求：監(jiān)控實時化、系統(tǒng)物聯(lián)化、數(shù)據(jù)海量化和決策智能化，要求融合部門專業(yè)等條塊進(jìn)行多維度綜合的大數(shù)據(jù)分析挖掘。本文以煤礦安全生產(chǎn)對象為起點，系統(tǒng)梳理并建立了煤礦安全數(shù)據(jù)的分類體系，根據(jù)數(shù)據(jù)分類體系建立了煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析的導(dǎo)向目標(biāo)、煤礦GIS一張圖展示框架、以及煤礦大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)框架，在華陽集團(tuán)、臨礦集團(tuán)、陜西煤業(yè)等國內(nèi)大型煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)共享平臺的建設(shè)中得到了實際應(yīng)用，效果良好，為煤礦安全生產(chǎn)信息化建設(shè)及其深化提供技術(shù)支撐。