基于人工智能的企業(yè)安全智能監(jiān)控系統(tǒng)研究
——以煤炭企業(yè)為例

楊錦繡 李春賀

(1.阜陽(yáng)師范大學(xué) 商學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236037；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 管理學(xué)院，北京 100083)

在黨的十九大以后，我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但煤炭生產(chǎn)在我國(guó)的能源中仍占主要地位。隨著技術(shù)改進(jìn)、設(shè)備更新及管理手段提升，煤礦安全生產(chǎn)事故與死亡人數(shù)有所降低，但在基數(shù)和總量上與國(guó)外相比還是較大，煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題依然嚴(yán)峻[1]。

在國(guó)家“十三五”規(guī)劃中，要求提高煤礦安全管理水平，提升煤礦安全管理手段，提高安全管理意識(shí)，確保煤礦安全生產(chǎn)管理做到管理全方位、監(jiān)管全過(guò)程，加強(qiáng)隱患排查治理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防控制，加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)智能監(jiān)管信息化的建設(shè)，利用先進(jìn)的信息化手段、先進(jìn)的設(shè)備輔助煤礦安全生產(chǎn)工作[1]。傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)管系統(tǒng)更多的是事中和事后管理，未充分利用智能化、智慧化技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的超前預(yù)警與全視角監(jiān)控，無(wú)法滿足新時(shí)期的安全生產(chǎn)管理要求，煤礦企業(yè)需要大力推進(jìn)人工智能、智慧礦山等技術(shù)在安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)測(cè)信息化建設(shè)方面的應(yīng)用，解決安全生產(chǎn)過(guò)程中面臨的諸多挑戰(zhàn)。基于上述情況，本文提出構(gòu)建基于人工智能的企業(yè)安全智能監(jiān)控系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體需求

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息技術(shù)在煤礦生產(chǎn)與管理過(guò)程中的作用逐漸突顯，建設(shè)“數(shù)智化”礦山是大勢(shì)所趨。煤礦安全監(jiān)管監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，可完成對(duì)煤礦員工生產(chǎn)情況的視頻監(jiān)控，可對(duì)有害氣體、粉塵濃度、風(fēng)速、井下溫度等危害因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并根據(jù)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行預(yù)警，但針對(duì)井上、井下員工作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的非法行為、工作人員無(wú)證作業(yè)、消防通道出現(xiàn)堵塞等風(fēng)險(xiǎn)隱患，只可通過(guò)事后管理、事后檢查才可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)法達(dá)到智能化的監(jiān)管監(jiān)控，無(wú)法及時(shí)識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)，不能在第一時(shí)間對(duì)可能引起事故發(fā)生的隱患進(jìn)行預(yù)警。

基于上述情況，筆者在煤礦現(xiàn)有的監(jiān)管監(jiān)控信息化基礎(chǔ)上，引入了人工智能的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，借助現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及GIS技術(shù)構(gòu)建基于人工智能的煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括煤礦一張圖可視化管理、煤礦安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、煤礦風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理、大數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)分析等，系統(tǒng)總體用例圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體用例圖

系統(tǒng)涵蓋了井上、井下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、實(shí)時(shí)預(yù)警分析，完成對(duì)煤礦安全生產(chǎn)情況可視化管理，完成安全事故的超前預(yù)防、過(guò)程監(jiān)控以及事后管理、優(yōu)化與提升，通過(guò)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能預(yù)警分析。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)是以整個(gè)煤礦工作區(qū)域?yàn)楸O(jiān)控對(duì)象，以煤礦所屬范圍內(nèi)“人機(jī)環(huán)管”這四個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)煤礦井上、井下的監(jiān)測(cè)站、各類傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備、利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦工作區(qū)域的各類危害因素、風(fēng)險(xiǎn)、非法行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能分析，對(duì)安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)工作的智能化分析與預(yù)警，為煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)測(cè)提供智能化服務(wù)，改變傳統(tǒng)的人工監(jiān)管、被動(dòng)管理模式，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)主動(dòng)監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)危害因素智能分析與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)區(qū)域的全景影像分析，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)管理創(chuàng)新模式，提高安全監(jiān)管水平，提升煤礦應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力，促進(jìn)煤礦安全韌性管理能力提升[2]。

(二)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于人工智能的煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮煤礦信息化建設(shè)情況，充分利用煤礦現(xiàn)有的系統(tǒng)、先進(jìn)設(shè)備，充分借助先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。考慮到對(duì)安全危害要素實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)預(yù)警分析的重要性，系統(tǒng)還要考慮信息采集的時(shí)效性，危害要素識(shí)別的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)間接口的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性?；谏鲜鲆蛩乜紤]，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)基于“B/S+C/S+終端控制設(shè)備”模式的、SpringMVC架構(gòu)的煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，接口端采用WebService實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)端采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)與Hbase數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)為系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐[2]。系統(tǒng)從整體上來(lái)看，平臺(tái)包括基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層及展示層，平臺(tái)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

展示層主要分為監(jiān)控中心大屏展示部分和煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)操作頁(yè)面，主要負(fù)責(zé)操作請(qǐng)求的發(fā)起，同時(shí)，以可視化頁(yè)面顯示請(qǐng)求反饋結(jié)果。應(yīng)用層主要是系統(tǒng)具體應(yīng)用，根據(jù)展示層的請(qǐng)求調(diào)用對(duì)應(yīng)的應(yīng)用，然后向應(yīng)用支撐層調(diào)用相應(yīng)的支撐服務(wù)，利用該服務(wù)向數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過(guò)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)邏輯處理，形成展示層用戶所需要的請(qǐng)求結(jié)果，最終展示層將結(jié)果以可視化圖、表等形式展示。應(yīng)用支撐層主要支撐系統(tǒng)各個(gè)功能正常運(yùn)行，主要有可信云計(jì)算平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)、GIS服務(wù)、可視化服務(wù)、深度學(xué)習(xí)模型算法服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、5G服務(wù)及人臉識(shí)別模型算法服務(wù)等。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)主要存儲(chǔ)系統(tǒng)所必須的數(shù)據(jù)，包括視頻、圖片、地理位置等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，組織結(jié)構(gòu)信息、危險(xiǎn)源信息、風(fēng)險(xiǎn)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，一方面，來(lái)自業(yè)務(wù)處理過(guò)程中的錄入與維護(hù)；另一方面，來(lái)自對(duì)基礎(chǔ)資源層進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)采集，將監(jiān)測(cè)與采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)ETL處理后，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。基礎(chǔ)資源層為整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐，提供所需的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器、采集設(shè)備、機(jī)房和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。

(三)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)監(jiān)管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，要通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和HBase數(shù)據(jù)庫(kù)共同構(gòu)建一個(gè)的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，將采集來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和人工維護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為智能預(yù)警分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)自井上高清攝像頭、井下高清防爆攝像頭、瓦斯、CO傳感器等設(shè)備自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，還有來(lái)自人工維護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)多為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要有圖形、音頻、視頻、人員位置等信息，通過(guò)ETL技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗、轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)加載，為數(shù)據(jù)加載、分析、預(yù)警提供支持，為領(lǐng)導(dǎo)層提供安全生產(chǎn)決策數(shù)據(jù)支撐[3]。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系設(shè)計(jì)時(shí)，主要分析系統(tǒng)及各個(gè)功能包含哪些實(shí)體，明確這些實(shí)體之間存在的關(guān)系，以煤礦風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警分析功能為例，該功能的實(shí)體關(guān)系設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 煤礦風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警分析功能E-R圖設(shè)計(jì)

(四)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)主要是圍繞安全生產(chǎn)工作需求，與現(xiàn)有的監(jiān)管監(jiān)控系統(tǒng)集成，利用人工智能技術(shù)，建設(shè)一個(gè)能夠涵蓋智能化、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能預(yù)警、可視化管理的安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)安全生產(chǎn)工作的超前預(yù)防、合理監(jiān)測(cè)管控以及事后快速處理、快速恢復(fù)。

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)需要，平臺(tái)分為移動(dòng)端和電腦端兩部分。移動(dòng)端主要實(shí)現(xiàn)智能巡檢、隱患排查、培訓(xùn)考核、智能預(yù)警、智能監(jiān)控以及移動(dòng)可視化等功能；電腦端主要實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警分析、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、隱患排查治理、職業(yè)健康管控、安全知識(shí)庫(kù)、安全標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等功能，具體的系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 總體功能結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)GIS技術(shù)、GPS技術(shù)和三維技術(shù)將煤礦井上和井下各處進(jìn)行三維模型繪制，將風(fēng)險(xiǎn)情況、人員定位情況、危害因素監(jiān)測(cè)情況、監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備等在圖中展示[4]?？梢詫?shí)時(shí)了解井上、井下人員定位情況，了解每個(gè)員工的工作路線?？梢詫?duì)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)、危害因素監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行了解。對(duì)井上、井下各類監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)了解，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)情況智能化監(jiān)控、智能分析與語(yǔ)音預(yù)警提醒。

1.煤礦安全實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將探測(cè)器、傳感器以及監(jiān)視設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)環(huán)境的危害因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)值與既定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行智能化對(duì)比分析[5]。通過(guò)井下高清防爆攝像頭對(duì)井下員工工作行為進(jìn)行可視化監(jiān)控，通過(guò)井上高清攝像頭對(duì)井上員工的工作行為進(jìn)行可視化監(jiān)控，實(shí)時(shí)了解煤礦安全情況[5]。

2.煤礦風(fēng)險(xiǎn)智能化預(yù)警分析

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)煤礦危害因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)值超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，系統(tǒng)將進(jìn)行智能化預(yù)警，并根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)情況，系統(tǒng)自動(dòng)采取應(yīng)對(duì)措施或人為采取應(yīng)急措施。通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備，利用視頻圖像智能分析、人工智能圖像識(shí)別等技術(shù)監(jiān)測(cè)煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)違法行為，如未戴安全帽等行為，一旦發(fā)現(xiàn)違法行為，系統(tǒng)將在監(jiān)控頁(yè)面彈出預(yù)警消息，同時(shí)，會(huì)觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音預(yù)警系統(tǒng)將對(duì)違法行為進(jìn)行預(yù)警[5]。智能化預(yù)警分析模型，如圖5所示。

圖5 智能化預(yù)警分析模型圖

3.風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理

發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)分級(jí)處置規(guī)則將預(yù)警信息轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)信息記錄，同時(shí)，將記錄情況發(fā)送給預(yù)定接收人，預(yù)定接收人即為風(fēng)險(xiǎn)責(zé)任人，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)處理，確保安全生產(chǎn)。風(fēng)險(xiǎn)在一定時(shí)間內(nèi)未被處理，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警升級(jí)規(guī)則進(jìn)行升級(jí)，并通知相關(guān)責(zé)任人，直至風(fēng)險(xiǎn)被處理銷號(hào)。

風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)、閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)從風(fēng)險(xiǎn)錄入與維護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)整改上報(bào)到風(fēng)險(xiǎn)復(fù)查銷號(hào)的全過(guò)程、動(dòng)態(tài)管理，可以對(duì)風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)提供風(fēng)險(xiǎn)整改提前預(yù)警通知、超期預(yù)警、復(fù)查預(yù)警通知以及未復(fù)查預(yù)警等，利用信息化手段，確保相關(guān)責(zé)任人能夠快速、高效完成風(fēng)險(xiǎn)的閉環(huán)管理[6]。

4.大數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控、視頻監(jiān)控等設(shè)備自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，以及通過(guò)人為手動(dòng)錄入與維護(hù)信息，最終形成煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)可視化大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[7]。

5.基礎(chǔ)信息庫(kù)

基礎(chǔ)信息庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)、危害因素標(biāo)準(zhǔn)閾值、預(yù)警升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、人工智能分析標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、責(zé)任人信息庫(kù)、員工信息庫(kù)、員工標(biāo)識(shí)卡、監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)控設(shè)備等信息的綜合管理與維護(hù)。

6.系統(tǒng)管理

完成系統(tǒng)的用戶、數(shù)據(jù)字典及相關(guān)日志管理。

三、結(jié)論

本文介紹了基于人工智能的煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究過(guò)程，通過(guò)該系統(tǒng)可以利用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中的違法行為進(jìn)行智能化感知、智能化對(duì)比分析，并根據(jù)智能對(duì)比分析結(jié)果進(jìn)行智能化處理與預(yù)警。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及探測(cè)器、傳感器、監(jiān)視設(shè)備等對(duì)危險(xiǎn)源、有毒有害氣體等進(jìn)行24小時(shí)無(wú)間斷的在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控，與已有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)預(yù)警。利用GPS以及RFID等技術(shù)實(shí)現(xiàn)井上、井下人員定位，可以了解人員工作軌跡，一旦發(fā)生安全事故，可以快速、精準(zhǔn)定位，可以快速實(shí)施人員營(yíng)救，降低事故帶來(lái)的傷害。實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)、閉環(huán)管理，可以方便、快捷上報(bào)發(fā)現(xiàn)的隱患，明確隱患等級(jí)，及時(shí)通知相關(guān)責(zé)任主體，及時(shí)對(duì)隱患進(jìn)行分級(jí)治理，及時(shí)整改、銷號(hào)，避免生產(chǎn)事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全管理高效、實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)化。利用GIS技術(shù)和三維立體技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦一張圖智能化、可視化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)情況、人員定位情況、監(jiān)控設(shè)備情況的可視化，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)了解煤礦井上、井下的安全生產(chǎn)情況，實(shí)時(shí)了解安全隱患和安全預(yù)警情況，為領(lǐng)導(dǎo)層進(jìn)行安全生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。