煤礦智能化防突動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

路培超 唐盛禹 趙 樂

（光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

當(dāng)前，礦井煤與瓦斯突出事故偶有發(fā)生，其主要原因是防突措施執(zhí)行不到位，這與煤礦防突管理不規(guī)范、防突信息獲取不及時、防突數(shù)據(jù)分析不足等密切相關(guān)[1-2]。充分利用數(shù)字化、智能化等技術(shù)，構(gòu)建煤礦智能化防突動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，及時獲取防突措施實(shí)施過程數(shù)據(jù)，開展防突數(shù)據(jù)智能分析，強(qiáng)化防突過程施工質(zhì)量管控，實(shí)現(xiàn)防突的精細(xì)化、智能化管理。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系[3-4]，按照分層設(shè)計(jì)原則，充分考慮煤礦防突過程管理需求，建立集信息自動采集、無線傳輸、自動分析、可視展示、在線審批等功能的智能化防突動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。

智能感知層，包括工作面突出危險性預(yù)測和校檢作業(yè)過程中視頻監(jiān)控、鉆孔軌跡、突出參數(shù)測定、移動終端采集和人員位置管理信息等。傳輸網(wǎng)絡(luò)層，作業(yè)區(qū)域構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)防突作業(yè)采集信息的無線、即時上傳至地面。智能應(yīng)用層，通過井下防突作業(yè)數(shù)據(jù)采集、入庫，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘、AI 視頻分析等支撐平臺，實(shí)現(xiàn)防突作業(yè)合規(guī)性分析、鉆孔空白帶分析、突出動態(tài)預(yù)警等應(yīng)用管理。通過建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全運(yùn)維保障體系，保障系統(tǒng)的規(guī)范性、安全性、可靠性。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖

2 基于無線通信的防突信息采集

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

系統(tǒng)采用基于高性能WiFi 寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)接口和通信基站支持組建高速有線或無線網(wǎng)絡(luò)，同時支持語音、視頻、數(shù)據(jù)傳輸[5-6]。在工作面場景中應(yīng)用，無線通信網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：（1）覆蓋范圍寬，實(shí)現(xiàn)大范圍寬帶無線通信，可為語音、視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供強(qiáng)大支撐；（2）擴(kuò)展能力強(qiáng)，具備集成人員定位管理、視頻監(jiān)控管理等相關(guān)功能的能力；（3）無線通信距離遠(yuǎn)、信號穿透性強(qiáng)、快速組網(wǎng)，有效減少設(shè)備的部署數(shù)量和建設(shè)成本。

2.2 防突信息無線采集平臺建設(shè)

（1）無線視頻監(jiān)控設(shè)備

工作面防突作業(yè)具有空間受限、照明條件差、粉塵污染、需經(jīng)常移動位置等特點(diǎn)。針對應(yīng)用場景，系統(tǒng)采用基于WiFi 寬帶無線通信的防爆攝像儀[7]，支持視頻信號無線傳輸，有效避免線纜鋪設(shè)，方便攝像儀吊掛安裝；采用帶紅外夜視功能的高清攝像儀，可在照明條件差的環(huán)境中正常使用。視頻監(jiān)控圖像可通過防爆手機(jī)查看，方便隨時調(diào)整攝像儀安裝位置。通過視頻監(jiān)控設(shè)備，可隨時查看井下防突作業(yè)過程，加強(qiáng)防突員監(jiān)督管理，有效杜絕鉆孔造假、數(shù)據(jù)造假等違規(guī)行為。

（2）無線鉆孔軌跡測量

考慮到防突作業(yè)工作量大、空間受限等問題，系統(tǒng)采用手持式淺孔軌跡儀，具有組成結(jié)構(gòu)簡單、成孔后快速檢測、軌跡測量數(shù)據(jù)可無線傳輸?shù)揭苿咏K端等特點(diǎn)。探管外形小巧，利用碳纖維桿推送探管進(jìn)行軌跡測量，能夠在移動終端顯示鉆孔測量軌跡數(shù)據(jù)、二維、三維鉆孔圖。

（3）無線突出參數(shù)測定儀

鉆屑指標(biāo)法是工作面突出危險性預(yù)測或效果檢驗(yàn)的常用方法，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S是關(guān)鍵預(yù)測參數(shù)，突出參數(shù)測定儀可以實(shí)現(xiàn)K1值和S值的快速檢測。系統(tǒng)采用帶WiFi 無線通信模塊的突出參數(shù)測定儀[8-9]，自動獲取井下IP 地址，接入無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)瓦斯突出參數(shù)無線上傳，有效提升防突作業(yè)信息填報的時效性。

（4）移動數(shù)據(jù)采集終端

通過移動應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)，支持井下防突作業(yè)數(shù)據(jù)采集、上傳與地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)下發(fā)交互等，實(shí)現(xiàn)移動終端采集信息的數(shù)據(jù)管理。防突作業(yè)人員可通過移動終端記錄施工過程數(shù)據(jù)以及接收防突管理信息，自動生成防突校檢表單，避免信息多人多次錄入。移動數(shù)據(jù)采集終端支持按照時間、地點(diǎn)、區(qū)域等對防突信息進(jìn)行管理，便于及時發(fā)現(xiàn)隱患。

防突信息無線采集平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用ASP.NET Web Form 技術(shù)架構(gòu)，Microsoft Visual Studio 作為開發(fā)工具，SQL Server 2016 作為數(shù)據(jù)存儲和管理工具，構(gòu)建軟件開發(fā)環(huán)境。軟件主要設(shè)計(jì)功能模塊如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件主要功能模塊圖

3.1 防突數(shù)據(jù)智能分析

系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)挖掘、AI 視頻分析等技術(shù)，結(jié)合煤礦日常防突動態(tài)管理方法，開展防突作業(yè)過程合規(guī)性分析、防突校檢鉆孔空白帶分析、突出敏感指標(biāo)預(yù)警分析及突出危險性趨勢預(yù)警等。

（1）防突作業(yè)合規(guī)性分析

基于AI 視頻分析技術(shù)，重點(diǎn)捕捉鉆桿的運(yùn)動軌跡特征、人員著裝狀態(tài)特征和瓦斯異常動力現(xiàn)象特征，建立異常視頻畫面的特征庫，通過AI 深度學(xué)習(xí)算法，形成完整的異常特征信息庫；隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的增多，智能識別的準(zhǔn)確率和速度得到不斷提升；能夠?qū)πz鉆孔深度是否符合要求、防突員是否正確佩戴安全帽、作業(yè)過程是否存在瓦斯異常動力現(xiàn)象等狀況進(jìn)行自動辨識。

（2）防突鉆孔空白帶分析

系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過防突鉆孔多維度、一體化信息管理，將鉆孔施工參數(shù)、校檢指標(biāo)、鉆孔軌跡、視頻監(jiān)控等信息進(jìn)行系統(tǒng)性管理，利用系統(tǒng)構(gòu)建的工作面模型，根據(jù)采集的鉆孔施工與軌跡測定信息，實(shí)現(xiàn)防突作業(yè)鉆孔自動上圖，防突措施竣工圖自動生成；通過實(shí)際鉆孔與設(shè)計(jì)鉆孔偏差分析，實(shí)現(xiàn)鉆孔覆蓋煤體區(qū)域空白帶自動分析。

（3）突出預(yù)警動態(tài)分析

系統(tǒng)根據(jù)日常突出參數(shù)測定數(shù)據(jù)，動態(tài)分析突出預(yù)測敏感指標(biāo)的變化特征[10]，通過捕捉突出參數(shù)忽大忽小、急劇增加等變化信息，結(jié)合AI 視頻識別的瓦斯異常動力現(xiàn)象，綜合工作面采掘信息、煤層瓦斯地質(zhì)信息、安全監(jiān)控系統(tǒng)信息等進(jìn)行研判，及時發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出異常風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)煤礦日常防突綜合預(yù)警管理。

3.2 可視化圖形與報表分析

系統(tǒng)采用防突管理“一張圖”的可視化工具，實(shí)現(xiàn)工作面突出危險性預(yù)測、效果檢驗(yàn)和循環(huán)進(jìn)尺等信息的動態(tài)展示。根據(jù)防突鉆孔參數(shù)，自動生成防突措施竣工圖；通過曲線圖、折線圖、柱狀圖等方式展示工作面突出危險性預(yù)測指標(biāo)；多視角、直觀展現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)指標(biāo)和主體數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)防突信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的深度融合，并打通與瓦斯防治相關(guān)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通道。

3.3 防突信息采集與融合

系統(tǒng)基于無線通信網(wǎng)絡(luò)在工作面區(qū)域內(nèi)覆蓋，支持防突作業(yè)過程中鉆孔軌跡、視頻監(jiān)控圖像、突出參數(shù)測定、井下記錄的防突信息獲取，實(shí)現(xiàn)防突過程數(shù)據(jù)的自動采集、信息錄入、存儲、及時上傳與管理，有利于煤礦即時掌握防突作業(yè)過程數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)支持Excel 表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入與管理，方便煤礦現(xiàn)有的防突數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入系統(tǒng)，減少人員錄入信息的工作量。

3.4 防突過程精細(xì)化管理

防突過程管理模塊實(shí)現(xiàn)工作面防突基礎(chǔ)信息管理、在線流轉(zhuǎn)審批等功能，主要內(nèi)容包括工作面位置、長度、巷道參數(shù)、煤層厚度、開采工藝等基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置；局部綜合防突措施施工過程從局部預(yù)測、防突措施等防突信息進(jìn)行精細(xì)化管理；按照局部防突工作流程，開展防突信息動態(tài)采集、防突參數(shù)智能化分析、循環(huán)圖表自動生成等；基于權(quán)限管理和表單審批規(guī)則，可在線發(fā)起防突表單的流轉(zhuǎn)、審批流程；實(shí)現(xiàn)對各工作面局部綜合防突措施的精細(xì)化管理。

4 結(jié)語

充分利用數(shù)字化、信息化技術(shù)，開展煤礦智能化防突動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)防突信息動態(tài)采集、無線傳輸、自動分析、可視化展示的系統(tǒng)功能架構(gòu)；構(gòu)建基于WiFi 的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、軌跡測量、突出參數(shù)測定、移動應(yīng)用等信息的動態(tài)采集；針對性開展系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)日常防突信息的精細(xì)化、可視化管理；有效降低防突信息采集、數(shù)據(jù)分析、流程審批的工作量，為礦井防突過程管理提供智能化手段。