綠色礦山智能安防體系分析

姜中曄，許 前，劉 旭，沈 波

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司；2.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.北礦智能科技有限公司，北京 100160；4.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 富蘊(yùn) 836107）

金屬礦山的安防體系一般指礦山地表與井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能是實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)工況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行可追溯查詢。但是，礦山企業(yè)存在視頻監(jiān)控系統(tǒng)布控面積廣、井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域分布錯(cuò)綜復(fù)雜、礦山安全管理嚴(yán)格、視頻監(jiān)控管理人員配置嚴(yán)重不足等不利因素，不利于礦山安防體系建設(shè)。根據(jù)《中國(guó)制造2025》要求，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的普及與應(yīng)用，基于綠色礦山構(gòu)建智能安防體系，將大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能安防體系中，已成為現(xiàn)實(shí)。本文設(shè)計(jì)一套適用于金屬礦山的智能安防體系，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 智能安防體系架構(gòu)

智能安防體系由高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和綜合管理分析系統(tǒng)等系統(tǒng)共同構(gòu)成，該體系具有架構(gòu)穩(wěn)定、安全分級(jí)管控、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。當(dāng)前，金屬礦山企業(yè)要構(gòu)建智能安防體系。智能安防體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能安防體系架構(gòu)

2 高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

礦山視頻監(jiān)控點(diǎn)多且礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，故而智能安防體系需要更可靠、更穩(wěn)定、更迅捷的傳輸網(wǎng)絡(luò)。礦山網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，要保證辦公網(wǎng)、工控網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)三網(wǎng)獨(dú)立，因此高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用5G 網(wǎng)絡(luò)+萬(wàn)兆光纖環(huán)網(wǎng)相結(jié)合的方式，并與辦公網(wǎng)、工控網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)物理隔絕。同時(shí)，為保證視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，要保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性、冗余。

由于視頻解碼器需要大帶寬，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸采用鏈路聚合技術(shù)，從而提高礦山監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性，進(jìn)而增加礦山網(wǎng)絡(luò)線路的冗余功能。同時(shí)，高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而消除視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的圖像延遲、卡頓等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)前端與后端之間視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。針對(duì)惡劣的礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用新一代具有全生命周期管理能力的高防護(hù)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行建設(shè)，便于設(shè)備日常維護(hù)與升級(jí)管理。高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)符合表1 要求。

表1 網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量要求

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)

智能監(jiān)控系統(tǒng)由前端槍機(jī)與球機(jī)組成的礦山全方位監(jiān)控體系和后端存儲(chǔ)系統(tǒng)共同組成，監(jiān)控人員能夠在礦山安全管理中心、集控中心實(shí)時(shí)查看和調(diào)取區(qū)域視頻監(jiān)控信息。

3.1 前端監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，地下礦山需要建設(shè)六大礦山安全避險(xiǎn)系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)正是其重要組成部分。然而，部分金屬礦山企業(yè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間較早，比較落后，現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在大量模擬信號(hào)監(jiān)控?cái)z像頭，在建設(shè)過(guò)程中，首先需要將這些過(guò)時(shí)的設(shè)備更換為現(xiàn)代化的智能監(jiān)控?cái)z像頭。智能監(jiān)控系統(tǒng)需要完全覆蓋井下與地表的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域、重要的固定設(shè)施裝備、主要交通干線、巷道交叉口等位置，并逐步實(shí)現(xiàn)全礦區(qū)整體覆蓋。

為保證視頻監(jiān)控的安全可靠性，智能監(jiān)控系統(tǒng)前端的槍機(jī)與球機(jī)需要充分考慮設(shè)備監(jiān)控環(huán)境的高溫、高濕、高腐蝕狀況。因此，二者應(yīng)采用IP67 防護(hù)等級(jí)的外殼。同時(shí)，為防止井下煙塵、霧氣干擾監(jiān)控設(shè)備的正常運(yùn)行，其還需要加裝防塵刷與雨刷。

3.2 后端存儲(chǔ)系統(tǒng)

除了需要保證前端設(shè)備的可靠性外，智能監(jiān)控系統(tǒng)還需要保證后端存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。在礦山監(jiān)控管理體系建設(shè)中，智能監(jiān)控系統(tǒng)的后端存儲(chǔ)系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)集中管理的模式，在各個(gè)礦區(qū)、選廠等區(qū)域分別建設(shè)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，同時(shí)在礦山大數(shù)據(jù)中心建設(shè)集中存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)還應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳云功能。智能監(jiān)控系統(tǒng)的后端存儲(chǔ)系統(tǒng)作為礦山安全監(jiān)控體系記錄、事件回溯功能的載體，按照礦山安全管理要求和安全預(yù)防體系分級(jí)要求，根據(jù)視頻監(jiān)控區(qū)域安全等級(jí)不同，分別采用不同的槍機(jī)與存儲(chǔ)設(shè)備。不同槍機(jī)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備質(zhì)量要求如表2所示。

表2 存儲(chǔ)設(shè)備質(zhì)量要求

存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量按照單通道24 h/d 的計(jì)算公式計(jì)算，如式（1）所示。同時(shí)，為保證事件可回溯性，存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)保留原始數(shù)據(jù)至少30 d。因此，存儲(chǔ)磁盤(pán)選用8 TB 監(jiān)控SATA3 硬盤(pán)，同時(shí)預(yù)留10%的碼流峰值，以保證存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。

式中：為存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量，GB；為碼流大小，Mbps。

4 綜合管理分析系統(tǒng)

安全管控中心需要建設(shè)一套可視化預(yù)警平臺(tái)。該平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)前端監(jiān)控點(diǎn)位視頻監(jiān)控信息實(shí)時(shí)查看、回溯等功能，還可以利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)危重區(qū)域侵入監(jiān)測(cè)、車(chē)輛管理、人員行為監(jiān)測(cè)和人員防疫管理等功能。

4.1 危重區(qū)域侵入監(jiān)測(cè)功能

在危重區(qū)域安全警戒線或者安全門(mén)前安裝智能監(jiān)控槍機(jī)，危重區(qū)域的監(jiān)控區(qū)分為礦山風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)與礦山風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)。當(dāng)槍機(jī)檢測(cè)到礦山人員或者車(chē)輛進(jìn)入礦山風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)時(shí)，危重區(qū)域安裝的燈光系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)會(huì)向侵入人員發(fā)出聲光提示；當(dāng)槍機(jī)檢測(cè)到礦山人員或者車(chē)輛進(jìn)入礦山風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)時(shí)，綜合管理分析系統(tǒng)向安全監(jiān)控人員發(fā)出聲光報(bào)警，安全監(jiān)控人員根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)查看報(bào)警區(qū)域?qū)崟r(shí)狀況，從而避免安全事故發(fā)生。

4.2 車(chē)輛管理功能

在井下和地表交通干線、斜坡道入井處安裝智能監(jiān)控槍機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛行駛速度、井下行駛規(guī)則和禮讓行人等執(zhí)行情況。同時(shí)，配合礦山車(chē)輛管理守則，設(shè)立車(chē)輛駕駛12 分制。當(dāng)出現(xiàn)違規(guī)情況時(shí)，綜合管理分析系統(tǒng)自動(dòng)記錄違規(guī)車(chē)輛車(chē)牌號(hào)并給予扣分處罰，當(dāng)12 分清零時(shí)，須對(duì)違規(guī)司機(jī)進(jìn)行安全警示教育。

4.3 人員行為監(jiān)測(cè)功能

在礦山生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域安裝智能監(jiān)控槍機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控人員安全帽、背夾、口罩等安全防護(hù)裝備的佩戴情況。同時(shí)，配合礦山生產(chǎn)人員管理守則，設(shè)立礦山生產(chǎn)人員安全管理10 分制。當(dāng)出現(xiàn)違規(guī)情況時(shí)，綜合管理分析系統(tǒng)通過(guò)人臉識(shí)別自動(dòng)記錄違規(guī)人員工號(hào)并給予扣分處罰，當(dāng)10 分清零時(shí)，須對(duì)違規(guī)人員進(jìn)行安全警示教育。

4.4 人員防疫管理功能

在礦山人員入井區(qū)域安裝智能監(jiān)控槍機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控入井人員體溫、健康碼、口罩等情況，做到應(yīng)檢盡檢。綜合管理分析系統(tǒng)對(duì)異常人員進(jìn)行標(biāo)記，并向安全監(jiān)控人員發(fā)出聲光報(bào)警，安全監(jiān)控人員根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)查看報(bào)警區(qū)域?qū)崟r(shí)狀況，從而避免事故發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種綠色礦山智能安防體系，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能識(shí)別和5G 網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬礦山安全的智能化管控。該體系具備高可靠性、高精準(zhǔn)度和高防護(hù)性，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝驗(yàn)證，其能夠?qū)崿F(xiàn)危重區(qū)域侵入監(jiān)測(cè)、車(chē)輛管理、人員行為監(jiān)測(cè)和人員防疫管理等功能，為礦山安全生產(chǎn)綠色化、智能化發(fā)展提供技術(shù)支持，對(duì)保障金屬礦山安全生產(chǎn)起到重要支撐作用。