智慧礦山安全防控多系統(tǒng)井下融合與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)技術(shù)研究

陳 杰

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

全國(guó)現(xiàn)有的各大煤礦雖然已經(jīng)針對(duì)安全生產(chǎn)與救援指揮等方面建設(shè)了各類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位管理系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等，但是各系統(tǒng)相互獨(dú)立，并且由于各類(lèi)系統(tǒng)的傳感層設(shè)備種類(lèi)以及安全設(shè)備的數(shù)量有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的大樣本采集。各監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)雖然應(yīng)用場(chǎng)景不同，但是結(jié)構(gòu)類(lèi)似，以瓦斯、水、火、頂板、粉塵等煤礦常用災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)的整體架構(gòu)[1]來(lái)看，通常都是“傳感設(shè)備采集-數(shù)據(jù)整合傳輸-應(yīng)用邏輯控制”結(jié)構(gòu)，并且對(duì)部分傳感層設(shè)備技術(shù)參數(shù)要求相近，但目前各個(gè)系統(tǒng)傳感設(shè)備之間沒(méi)有共用，未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[2]。另外隨著煤礦開(kāi)采深度、強(qiáng)度[3]的日益增加，災(zāi)害由單一因素向多災(zāi)種耦合趨勢(shì)發(fā)展，加劇了應(yīng)急響應(yīng)、避險(xiǎn)規(guī)劃的難度。針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，2021 年中下旬，由國(guó)家能源局與國(guó)家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》[4]文件中針對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與災(zāi)害超前干預(yù)、應(yīng)急救援指揮與避險(xiǎn)規(guī)劃等方向提出智能安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)專(zhuān)題，并詳細(xì)說(shuō)明了建設(shè)內(nèi)容以及涉及的相關(guān)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)各大煤礦在井上中心站層面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等系統(tǒng)初級(jí)融合[5]，但煤礦井下由于環(huán)境復(fù)雜，感知單元因?yàn)槿藛T、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)都會(huì)不斷變化而數(shù)據(jù)量龐大[6]，導(dǎo)致大量原始數(shù)據(jù)從采集到傳輸?shù)街行恼酒脚_(tái)處理的時(shí)效性[7]會(huì)逐漸減低、并且因?yàn)榧夹g(shù)或傳輸網(wǎng)絡(luò)等不可預(yù)估因素導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)[8]在某一時(shí)刻集中的涌現(xiàn)到中心站平臺(tái)，導(dǎo)致中心站卡頓或宕機(jī)，延誤應(yīng)急響應(yīng)。為此,設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款邊緣協(xié)調(diào)管控分站, 基于邊緣協(xié)調(diào)管控分站實(shí)現(xiàn)智能礦山安全防控多系統(tǒng)井下融合與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)[9-12]。

1 多系統(tǒng)井下融合必要性

因?yàn)槊旱V現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備不斷升級(jí)與大量使用[13]，提升了煤礦安全生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化水平，促使煤礦不斷地向智能化方向[14]發(fā)展。與此同時(shí)，各類(lèi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，“智能礦山”的概念以及建設(shè)目標(biāo)還未明確，各類(lèi)系統(tǒng)行標(biāo)相互獨(dú)立，導(dǎo)致各系統(tǒng)并非站在安全防控系統(tǒng)的整體高度進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，只針對(duì)具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致在同一個(gè)煤礦甚至同一個(gè)工作面中相同或相似的設(shè)備不斷地重復(fù)性建設(shè)，煤礦安全生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)過(guò)程管控變得越來(lái)越復(fù)雜。經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，各類(lèi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下弊端：

1）傳感層設(shè)備的協(xié)議不統(tǒng)一，原始數(shù)據(jù)無(wú)法共享，存在指令不響應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)[15]。因各系統(tǒng)相互獨(dú)立，不同系統(tǒng)的傳感設(shè)備層-邊緣層之間采用不同的通信協(xié)議，降低了兼容性導(dǎo)致多系統(tǒng)融合程度不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集、統(tǒng)一傳輸、統(tǒng)一控制與集中供電[16]。另外，目前多數(shù)系統(tǒng)采用井上中心站平臺(tái)匯總數(shù)據(jù)后，根據(jù)各類(lèi)系統(tǒng)的安全評(píng)分方法指南或礦上已有的安全評(píng)判方法，建立的數(shù)學(xué)分析模型，分析相關(guān)作業(yè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，推算相關(guān)作業(yè)區(qū)域當(dāng)前的安全程度，確定相關(guān)的安全響應(yīng)措施，此類(lèi)方法優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需過(guò)多的邊緣計(jì)算，完全依賴(lài)高性能主機(jī)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但弊端在于執(zhí)行周期長(zhǎng)，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層或者中心站平臺(tái)發(fā)生故障時(shí)待執(zhí)行的指令響應(yīng)得不到保障[17]。

2）設(shè)備重復(fù)投入過(guò)多、增大系統(tǒng)功耗。目前各類(lèi)煤礦已完成建設(shè)的監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)在井下完全是獨(dú)立狀態(tài)，各系統(tǒng)傳感層設(shè)備因協(xié)議與傳輸格式的不統(tǒng)一，導(dǎo)致各傳感設(shè)備屬于本系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)備，不被參數(shù)要求相似的系統(tǒng)所共享，比如在同一個(gè)作業(yè)區(qū)域，已布置完畢的安全監(jiān)控系統(tǒng)一氧化碳、煙霧、溫度傳感器技術(shù)參數(shù)不低于火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，但是因?yàn)椴还蚕?，不僅需要再布置完全相同的傳感設(shè)備，而且響應(yīng)線纜、供電設(shè)施等必要設(shè)備重復(fù)部署，增加維護(hù)成本，提升系統(tǒng)使用難度。此外，現(xiàn)有煤礦各系統(tǒng)已布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)未進(jìn)行“去重”，直接完成融合，會(huì)因?yàn)闆](méi)有按照需要有效減少各節(jié)點(diǎn)（各系統(tǒng)的主要傳感器）因等待數(shù)據(jù)處理而造成的能耗損失，增大融合后系統(tǒng)功耗，并且目前各系統(tǒng)的監(jiān)控分站在設(shè)計(jì)之初只是針對(duì)特有系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮過(guò)多的計(jì)算能力，使用的主控制器以低功耗、低成本、保量為主、計(jì)算能力為輔，不足以實(shí)現(xiàn)過(guò)多的邊緣計(jì)算工作，在現(xiàn)有分站進(jìn)行多系統(tǒng)融合，過(guò)多的采集數(shù)據(jù)量以及計(jì)算數(shù)據(jù)量，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3）多系統(tǒng)僅井上融合，脫離主干環(huán)網(wǎng)無(wú)法自主工作。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用特點(diǎn)及業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)度，可以以安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)為基礎(chǔ)，再加上必要的輔助系統(tǒng)如信息引導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)、供電系統(tǒng)，構(gòu)建煤礦“人-機(jī)-環(huán)”協(xié)同管控應(yīng)急聯(lián)動(dòng)預(yù)案。針對(duì)此方案，《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》[5]基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的局限，要求相關(guān)系統(tǒng)在井上中心站平臺(tái)層融合，并且大部分煤礦設(shè)備生產(chǎn)廠家、科研院所已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是隨著此方案在煤礦的運(yùn)行，弊端逐漸暴露。井上融合方案中，各系統(tǒng)占用獨(dú)立數(shù)據(jù)鏈路層，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，無(wú)法在井下第一時(shí)間獲取到彼此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與狀態(tài)。另外在脫離主干網(wǎng)絡(luò)后，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)異常時(shí)，原配置的應(yīng)急響應(yīng)案例失效，無(wú)法自主工作難以從點(diǎn)管理提升為面管理。

綜上，需要對(duì)智能礦山建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)下安全防控方向安全監(jiān)測(cè)類(lèi)系統(tǒng)井下融合及“人-機(jī)-環(huán)”應(yīng)急聯(lián)動(dòng)方法進(jìn)行研究。實(shí)現(xiàn)智能礦山安全防控多系統(tǒng)井下融合與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。

2 基于邊緣協(xié)調(diào)管控技術(shù)的多系統(tǒng)融合與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)

綜合現(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)及井上融合后的系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，可采用分布式處理、邊緣計(jì)算等技術(shù)將應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)分級(jí)計(jì)算等工作下沉到邊緣分站。邊緣分站實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的應(yīng)用和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理，且分站和數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)流和控制信息流的雙向流動(dòng)，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)壓力、提高信息處理和分析決策效率，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算負(fù)載“云”、“邊”、“端”之間的動(dòng)態(tài)優(yōu)化均衡。

2.1 邊緣協(xié)調(diào)管控分站技術(shù)

通過(guò)設(shè)計(jì)一種計(jì)算能力強(qiáng)，具有多種多路現(xiàn)場(chǎng)總線、多種常用通信協(xié)議的邊緣協(xié)調(diào)管控分站[18]，使該分站不僅具有安全監(jiān)控系統(tǒng)分站功能，還具有邊緣計(jì)算與數(shù)據(jù)采集能力，通過(guò)多種多路現(xiàn)場(chǎng)總線采集多種系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、控制信息引導(dǎo)屏發(fā)布避險(xiǎn)消息、通過(guò)廣播系統(tǒng)播放相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警消息，通過(guò)以太網(wǎng)通知（精準(zhǔn)）人員定位分站控制識(shí)別卡報(bào)警，以及跨區(qū)域獲取其他分站數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域、多子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，通過(guò)多種數(shù)據(jù)采集及控制輸出的工業(yè)總線及標(biāo)準(zhǔn)接口，支持不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的集中采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，全業(yè)務(wù)覆蓋，數(shù)據(jù)的采集與業(yè)務(wù)邏輯分離，支持?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)時(shí)間保存，保證數(shù)據(jù)完整性。邊緣協(xié)調(diào)管控分站硬件架構(gòu)圖如圖1。

圖1 邊緣協(xié)調(diào)管控分站硬件架構(gòu)圖Fig.1 Hardware architecture diagram of edge coordination and control substation

分站由處理單元、有線通信單元、無(wú)線通信單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元及人機(jī)交互單元組成，其中處理單元采用高計(jì)算能力、常用接口富裕的雙核芯片STM32MP157 作為主控，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算與邏輯處理；有線通信單元由RS485 總線、CAN 總線組成，負(fù)責(zé)分站所有總線數(shù)據(jù)采集及信息引導(dǎo)系統(tǒng)通信，以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與中心站、精準(zhǔn)人員定位管理系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等通信；無(wú)線通信單元由4G 模組、Lora 無(wú)線模塊組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)分站與4G 網(wǎng)絡(luò)通信及采集Lora無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元由nandflash 存儲(chǔ)器組成，負(fù)責(zé)必要的數(shù)據(jù)及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)配置存儲(chǔ)，在脫離網(wǎng)絡(luò)后，可將離線期間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)存儲(chǔ)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，結(jié)合特制的算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳；人機(jī)交互單元由紅外遙控器、5 寸彩色屏組成，實(shí)現(xiàn)必要信息輸入、界面顯示。

在軟件方面，分站需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，生成合理的邏輯控制，同時(shí)還要完成與定位分站、廣播分站、中心站之間通信,要求處理消息及時(shí)[19]。分站芯片中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算的ARM 內(nèi)核的軟件基于Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā),負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集任務(wù)的是M4內(nèi)核，軟件基于freertos 開(kāi)發(fā)，采用多進(jìn)程方式實(shí)現(xiàn)分站的多任務(wù)，有大量數(shù)據(jù)交互的任務(wù)之間采用共享內(nèi)存方法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[20]，各進(jìn)程之間采用socket傳遞共享內(nèi)存key，進(jìn)程內(nèi)部采用多線程方式開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸使用消息隊(duì)列，線程同步采用信號(hào)量等方式。為減少分站的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的難度，還應(yīng)設(shè)計(jì)分站遠(yuǎn)程升級(jí)功能[21]。邊緣協(xié)調(diào)管控分站數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 邊緣協(xié)調(diào)管控分站數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of data processing software of edge coordination and control substation

2.2 多系統(tǒng)融合技術(shù)

多系統(tǒng)井下融合:通過(guò)常用總線接口，如RS485、CAN 等，配合統(tǒng)一的傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸格式，實(shí)現(xiàn)將不同類(lèi)型系統(tǒng)中特點(diǎn)相似傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集、數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸、應(yīng)用層的邏輯關(guān)系統(tǒng)一控制，達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)有效、邏輯控制可靠、數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、融合聯(lián)動(dòng)、及時(shí)響應(yīng)。

邊緣協(xié)調(diào)管控分站通過(guò)常用現(xiàn)場(chǎng)總線將各系統(tǒng)感知層設(shè)備進(jìn)行接入，但是接入之前需要將所有感知層設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編碼，傳感層設(shè)備可以使用芯片本身的UID 作為統(tǒng)一且唯一的識(shí)別碼，識(shí)別碼確保了每臺(tái)設(shè)備具有唯一身份，根據(jù)唯一ID 作為主鍵對(duì)所有傳感層設(shè)備編制統(tǒng)一的識(shí)別方法，保證了傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)可以通過(guò)邊緣分站統(tǒng)一采集，同時(shí)因?yàn)檫吘壏终静捎媒y(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，每個(gè)傳感器設(shè)備可以被其他系統(tǒng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可根據(jù)需求被其他系統(tǒng)識(shí)別、使用，達(dá)到了統(tǒng)一傳輸、數(shù)據(jù)共享，又因?yàn)闇p少了設(shè)備重復(fù)投入，降低了整個(gè)融合后系統(tǒng)的整體功耗。多系統(tǒng)融合框圖如圖3。

圖3 多系統(tǒng)融合框圖Fig.3 Multi-system fusion block diagram

邊緣設(shè)備作為當(dāng)前區(qū)域內(nèi)唯一的數(shù)據(jù)融合設(shè)備，為每個(gè)系統(tǒng)提供獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、傳輸通道以及業(yè)務(wù)邏輯處理，執(zhí)行響應(yīng)各自系統(tǒng)的控制指令。邊緣分站不僅可以采集到各系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)使用各系統(tǒng)的控制指令建立業(yè)務(wù)層面的融合接口，根據(jù)接收到的地面中心站下發(fā)的邏輯關(guān)系配置，將融合后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按需轉(zhuǎn)發(fā)給所需系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合與交互，并且可以在應(yīng)急響應(yīng)發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)邏輯控制輸出。

2.3 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)技術(shù)

應(yīng)急聯(lián)動(dòng)由安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制，如某工作面環(huán)境甲烷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超限，此時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)特定區(qū)域非本質(zhì)安全型設(shè)備進(jìn)行斷電閉鎖，精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)通知區(qū)域人員緊急撤離，應(yīng)急廣播系統(tǒng)播放特定的音頻或是喊話，信息引導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)播放指定報(bào)警信息及逃生線路指南等。應(yīng)急聯(lián)動(dòng)框圖如圖4。

圖4 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)框圖Fig.4 Emergency linkage block diagram

1）安全監(jiān)控系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)井下融合聯(lián)動(dòng)。安全監(jiān)控系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)井下融合應(yīng)急聯(lián)動(dòng)進(jìn)程采用UPD 方式將安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)建立信息通信鏈接，進(jìn)程啟動(dòng)后分站首先將參與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的傳感器類(lèi)型、地址信息進(jìn)行編碼后發(fā)送給廣播系統(tǒng)，安全生產(chǎn)情況下廣播終端只進(jìn)行上位機(jī)下發(fā)的音頻播放工作，當(dāng)觸發(fā)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)時(shí)分站將傳感器的編碼與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)通過(guò)互聯(lián)接口推送給廣播系統(tǒng)，應(yīng)急廣播系統(tǒng)按照相關(guān)協(xié)議將信息緊急傳送至相關(guān)區(qū)域廣播終端，應(yīng)急廣播終端通過(guò)有線方式溝通廣播分機(jī)，實(shí)現(xiàn)緊急信息在應(yīng)急廣播終端及分機(jī)上的播報(bào)。

2）安全監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)井下融合聯(lián)動(dòng)。安全監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)井下融合應(yīng)急聯(lián)動(dòng)通信進(jìn)程以間隔周期與精準(zhǔn)人員定位分站進(jìn)行通信，邊緣分站與精準(zhǔn)人員定位分站之間可采用MQTT 協(xié)議，MQTT 是訂閱-發(fā)布模式的通信協(xié)議，按照協(xié)議規(guī)則人員定位分站根據(jù)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)預(yù)案需求向已連接的邊緣分站發(fā)送報(bào)警訂閱請(qǐng)求，邊緣分站收到訂閱請(qǐng)求后，在本分站管轄的區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)急聯(lián)動(dòng)操作時(shí)，實(shí)時(shí)向網(wǎng)絡(luò)中的已訂閱消息的精準(zhǔn)人員定位分站發(fā)布信息，因?yàn)樵搮f(xié)議是支持一對(duì)多消息訂閱的，邊緣分站消息可同時(shí)被多臺(tái)定位分站訂閱，通過(guò)訂閱發(fā)布方式，多臺(tái)定位分站可以在接收到應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)消息后，及時(shí)對(duì)定位分站信號(hào)輻射區(qū)域內(nèi)的人員進(jìn)行報(bào)警，這種模式不僅減輕了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸負(fù)載，還提高了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。

3 “人-機(jī)-環(huán)”應(yīng)急聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、精準(zhǔn)人員定位、應(yīng)急廣播、信息引導(dǎo)發(fā)布等系統(tǒng)是參與聯(lián)動(dòng)控制的主要系統(tǒng)，并且都處在同一煤礦，甚至同一個(gè)工作面，涉及信息的雙向交互以及控制指令的單向下發(fā)、執(zhí)行，要求較高的實(shí)時(shí)性、可靠性。應(yīng)急聯(lián)動(dòng)由正常安全生產(chǎn)狀態(tài)、異常預(yù)警狀態(tài)以及停產(chǎn)不可控等3 種狀態(tài)組成，從每種狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性角度對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的人員、設(shè)備進(jìn)行不同層度的預(yù)案處理。3 種狀態(tài)對(duì)應(yīng)相關(guān)應(yīng)急預(yù)案見(jiàn)表1。應(yīng)急聯(lián)動(dòng)流程圖如圖5。

圖5 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)流程圖Fig.5 Emergency linkage flow chart

表1 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)預(yù)案表Table 1 Emergency linkage plan table

通過(guò)中心站軟件（或板載HMI 接口）對(duì)分站進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)、控制邏輯配置。分站實(shí)時(shí)采集控制區(qū)域內(nèi)主要環(huán)境參數(shù)（如甲烷、一氧化碳、風(fēng)速風(fēng)向等）、人員信息以及采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)等主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式上傳中心站，如果此時(shí)分站脫離主干網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)按照“變值變態(tài)”原則與時(shí)間戳共同存儲(chǔ)在板載NandFlash，待通信恢復(fù)后再做長(zhǎng)傳處理。

當(dāng)環(huán)境甲烷傳感器的當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)小于預(yù)警值、風(fēng)速風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)正常，區(qū)域內(nèi)一氧化碳傳感器實(shí)時(shí)值低于預(yù)警值時(shí)，并且配置區(qū)域人員與通過(guò)人員定位分站傳輸過(guò)來(lái)的人員信息相符，區(qū)域內(nèi)主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)正常，此時(shí)不進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控，進(jìn)行安全生產(chǎn)；當(dāng)環(huán)境參數(shù)1 個(gè)或多個(gè)（可配置）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高于預(yù)警值，但低于上限報(bào)警值，此時(shí)進(jìn)入異常預(yù)警應(yīng)急管控狀態(tài)。分站將控制該區(qū)域內(nèi)設(shè)備運(yùn)行速度，同時(shí)加快環(huán)境參數(shù)采集頻率，加大供風(fēng)量，同時(shí)立即通知相關(guān)人員進(jìn)行巡檢風(fēng)險(xiǎn)排查及設(shè)備維護(hù)；當(dāng)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高于上限報(bào)警，此時(shí)進(jìn)入停產(chǎn)不可控應(yīng)急管控狀態(tài)。分站將對(duì)區(qū)域內(nèi)所有非本質(zhì)安全設(shè)備進(jìn)行斷電閉鎖，持續(xù)加大供風(fēng)，同時(shí)通過(guò)廣播系統(tǒng)播報(bào)異常狀態(tài)的甲烷信息如安裝地點(diǎn)、當(dāng)前數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，控制精準(zhǔn)人員定位分站通知相關(guān)定位卡進(jìn)行聲光報(bào)警、震動(dòng)提示，啟動(dòng)信息引導(dǎo)系統(tǒng)提示撤離指示以及避險(xiǎn)規(guī)劃路徑，并且如果此時(shí)網(wǎng)絡(luò)正常，中心站軟件可以根據(jù)GIS 地圖及相關(guān)人員消息確認(rèn)人員撤離情況，實(shí)現(xiàn)避險(xiǎn)規(guī)劃、精準(zhǔn)廣播，當(dāng)環(huán)境參數(shù)傳感器恢復(fù)正常后，相關(guān)閉鎖自動(dòng)解除，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)為安全生產(chǎn)狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)智能礦山建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)下安全防控方向安全監(jiān)測(cè)類(lèi)系統(tǒng)井下融合及“人-機(jī)-環(huán)”應(yīng)急聯(lián)動(dòng)需求，通過(guò)研究井下常用監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)、融合方法與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)策略，結(jié)合國(guó)家能源局、各地煤監(jiān)局近期下發(fā)的智能礦山建設(shè)方案中對(duì)安全防控建設(shè)建議，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款邊緣協(xié)調(diào)管控分站，基于邊緣協(xié)調(diào)管控分站實(shí)現(xiàn)智能礦山安全防控多系統(tǒng)井下融合與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。多系統(tǒng)融合方法和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)預(yù)案有效的解決了限制多系統(tǒng)井下融合的關(guān)鍵問(wèn)題，不僅實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)特點(diǎn)相近系統(tǒng)的傳感層設(shè)備統(tǒng)一采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸層的統(tǒng)一傳輸、邏輯控制層的統(tǒng)一控制，還實(shí)現(xiàn)了在脫離主干環(huán)網(wǎng)、無(wú)主機(jī)管控調(diào)度條件下，安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、信息引導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)、精準(zhǔn)人員定位管理系統(tǒng)在井下的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)，達(dá)到了提升了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全，符合智能礦山趨勢(shì)下的安全防控系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)與意義。