基于多元融合技術(shù)的礦井重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)研究

江紹洪 高家奎 崔朋志

（1.中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工（貴州）有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.中安智訊（北京）信息科技有限公司，北京 100129；3.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029）

設(shè)備是一個(gè)行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要工具，而礦井重大設(shè)備則是礦井開(kāi)采過(guò)程中保障生產(chǎn)效率的客觀基礎(chǔ)。它們是否安全可靠運(yùn)行，不僅影響到整個(gè)礦井的生產(chǎn)，還關(guān)系到礦井作業(yè)人員的安全[1]。通過(guò)運(yùn)用多數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)礦井重大設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)管，是礦山智能化建設(shè)過(guò)程中打破信息孤島、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和業(yè)務(wù)融合的建設(shè)方向之一，此項(xiàng)內(nèi)容的持續(xù)深入研究及應(yīng)用對(duì)進(jìn)一步提高礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要[2-7]。在礦井智能化建設(shè)的大背景下，多數(shù)礦井均在逐步建立健全安全監(jiān)測(cè)及管理的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)的建設(shè)為傳統(tǒng)礦井重大設(shè)備管理的提升提供了建設(shè)基礎(chǔ)。

1 礦井重大設(shè)備管理現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

礦井重大設(shè)備主要包括立井提升機(jī)、斜井提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)、主通風(fēng)機(jī)、主排水泵、空氣壓縮機(jī)等。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法主要是通過(guò)建設(shè)礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，將各個(gè)設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)信息遠(yuǎn)程匯聚到礦井綜合調(diào)度的監(jiān)控中心，結(jié)合二維示意圖進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

以上傳統(tǒng)的監(jiān)管方式存在諸多弊端，主要包括：（1）各個(gè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是針對(duì)主體設(shè)備自身的工況信息進(jìn)行監(jiān)控，缺少對(duì)主體設(shè)備上下游關(guān)聯(lián)設(shè)備工況的綜合監(jiān)測(cè)，缺少對(duì)設(shè)備運(yùn)行區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的綜合利用；

（2）缺少在歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障預(yù)警的功能；

（3）缺少對(duì)設(shè)備故障報(bào)警后的隱患治理閉環(huán)管理功能；

（4）缺少對(duì)設(shè)備操作人員及其他進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行區(qū)域內(nèi)人員的三違行為視頻識(shí)別的功能，以及發(fā)現(xiàn)三違行為后管理系統(tǒng)同語(yǔ)音擴(kuò)播系統(tǒng)、三違管理系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)的功能；

（5）管理系統(tǒng)多采用孤島式的二維示意圖進(jìn)行展示，缺乏三維可視化的直觀展現(xiàn)手段，以至不能準(zhǔn)確表達(dá)重大設(shè)備真實(shí)的空間位置和連接關(guān)系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)礦井全煤流、全料流、全風(fēng)流、全電流等同類(lèi)設(shè)備的流式管理。

2 構(gòu)建多元融合礦井重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)的信息化基礎(chǔ)

近幾年，隨著礦山行業(yè)安全技術(shù)的不斷豐富與發(fā)展，各個(gè)礦井逐步建立健全了諸多安全監(jiān)測(cè)及管理的子系統(tǒng)，包括：綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、三維地理信息系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)[8]、語(yǔ)音擴(kuò)播系統(tǒng)、雙預(yù)控系統(tǒng)、三違管理系統(tǒng)、績(jī)效考核系統(tǒng)等。這些相關(guān)子系統(tǒng)在礦井的普遍應(yīng)用，為礦井安全生產(chǎn)提供了更高的安全保障，同時(shí)也給傳統(tǒng)礦井重大設(shè)備管理的提升提供了建設(shè)基礎(chǔ)。

2.1 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)旨在對(duì)煤礦生產(chǎn)的每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視和控制，而且遇到問(wèn)題能夠及時(shí)報(bào)警，監(jiān)控人員也可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)或關(guān)閉，還可以查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)，生成和導(dǎo)出生產(chǎn)監(jiān)控中的數(shù)據(jù)報(bào)表，利于總結(jié)和分析歷史工作情況[9]。

2.2 三維地理信息系統(tǒng)

三維地理信息系統(tǒng)是可對(duì)整個(gè)或部分地球三維空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[10]。此系統(tǒng)的應(yīng)用可以在一張圖上直觀展現(xiàn)礦井重大設(shè)備的空間分布及連接關(guān)系。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)井下工作面、主要機(jī)電硐室、避難硐室等處瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控[11]。此系統(tǒng)可以幫助了解礦井重大設(shè)備運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以相關(guān)環(huán)境信息反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可以根據(jù)影響設(shè)備使用的環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

2.4 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)融合實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位技術(shù)，抗多徑能力強(qiáng)，時(shí)間分辨率高，具有一定的穿透能力，這些特點(diǎn)有利于在井下復(fù)雜多徑環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)收集需求[12]。

2.5 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用視頻智能分析技術(shù)，可以根據(jù)視頻內(nèi)容分析功能，通過(guò)在不同攝像機(jī)的場(chǎng)景中預(yù)設(shè)不同的報(bào)警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場(chǎng)景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警[13]。

2.6 雙預(yù)控系統(tǒng)

雙預(yù)控系統(tǒng)是集風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理于一體的礦井安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化信息系統(tǒng)，旨在加強(qiáng)礦井人、機(jī)、環(huán)、管等方面的安全管控能力，提升煤礦本質(zhì)安全。其中，風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控提供包含風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)管控等功能，隱患排查治理可對(duì)作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的隱患進(jìn)行治理、跟蹤，實(shí)現(xiàn)隱患PDCA閉環(huán)管理[14]。

2.7 三違管理系統(tǒng)

三違管理系統(tǒng)是在基于煤礦安全管理規(guī)章制度下開(kāi)發(fā)的一套信息管理系統(tǒng)，其基本思路是依據(jù)煤礦“三違”信息管理體系，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息流動(dòng)完成信息管理，實(shí)現(xiàn)“安全第一、預(yù)防為主”的安全理念[15]。

3 礦井重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)的融合建設(shè)方案

以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行孤島性監(jiān)控的礦井自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合多項(xiàng)礦井安全生產(chǎn)過(guò)程中使用的先進(jìn)技術(shù)和管理手段，從人、機(jī)、環(huán)多維度綜合監(jiān)測(cè)，搭載三維地理信息系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備一張圖流式管理，同時(shí)增加設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備故障閉環(huán)管理、人員三違行為績(jī)效管理的功能，在礦井智能化建設(shè)大背景下為礦井重大設(shè)備綜合管理提供建設(shè)思路。具體實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面，以綜合自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合了主體設(shè)備和上下游各設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)，融合環(huán)境監(jiān)測(cè)信息和視頻智能識(shí)別監(jiān)測(cè)信息對(duì)環(huán)境信息和人員信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

（2）在歷史數(shù)據(jù)利用方面，在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，增加設(shè)備故障周期預(yù)警預(yù)測(cè)功能；

（3）在設(shè)備運(yùn)維管理方面，融合了雙預(yù)控管理系統(tǒng)，加入了PDCA閉環(huán)管理的功能；

（4）在相關(guān)人員管理方面，通過(guò)人員定位系統(tǒng)及視頻智能識(shí)別系統(tǒng)判定設(shè)備工作區(qū)域內(nèi)相關(guān)人員的三違行為，融合三違管理系統(tǒng)及績(jī)效考核管理系統(tǒng)，形成對(duì)設(shè)備使用范圍內(nèi)人員三違行為的閉環(huán)管理；

（5）在系統(tǒng)展現(xiàn)形式方面，將設(shè)備管理與三維地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，便于直觀地展示重大設(shè)備在全礦井作業(yè)環(huán)境的位置分布及各個(gè)同類(lèi)設(shè)備的空間連接關(guān)系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)礦井全煤流、全料流、全風(fēng)流、全電流等同類(lèi)設(shè)備的流式管理。

系統(tǒng)功能主要分為四個(gè)方面：設(shè)備信息管理（包括基本信息管理和使用信息管理）、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（包括主體設(shè)備工況監(jiān)測(cè)、上下游設(shè)備工況檢測(cè)、設(shè)備所處環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員行為視頻智能監(jiān)測(cè)）、設(shè)備操控管理（包括設(shè)備遠(yuǎn)程操控、維修及閉環(huán)管理、人員三違管理與績(jī)效考核）、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)利用（包括歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)備故障預(yù)測(cè)）。

礦井重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)功能架構(gòu)及技術(shù)融合關(guān)系如圖1。

圖 1 重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)功能架構(gòu)及技術(shù)融合關(guān)系

此系統(tǒng)采用地理信息系統(tǒng)構(gòu)建全礦井三維模型，為設(shè)備綜合管理提供了展示場(chǎng)景；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)匯聚了煤礦現(xiàn)有的各類(lèi)生產(chǎn)子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、人員定位等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)重大設(shè)備一張圖信息管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過(guò)建立設(shè)備故障分析模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的在線(xiàn)診斷和故障預(yù)警；結(jié)合雙預(yù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備安全隱患進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)維管理。

系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，煤礦管理人員對(duì)礦用重大設(shè)備的信息情況一目了然（包括設(shè)備空間位置、運(yùn)行狀態(tài)、備品備件信息等內(nèi)容），有效降低了設(shè)備維修成本，減少了因設(shè)備故障而帶來(lái)的生產(chǎn)損失。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)的實(shí)施建設(shè)，是以礦井現(xiàn)有安全子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，避免了硬件設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)，旨在于信息化融合層面完成滿(mǎn)足智能化建設(shè)需要的礦井重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)打破各子系統(tǒng)間的信息壁壘，充分利用正在建立和健全的礦井安全監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)，從多元信息融合監(jiān)測(cè)、全流程三維可視化展示、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備運(yùn)維閉環(huán)管理、人員三違行為績(jī)效管理等多方面進(jìn)行礦井重大設(shè)備綜合管理系統(tǒng)的升級(jí)改造。