基于云服務(wù)的煤礦防突信息管理系統(tǒng)

朱墨然

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤與瓦斯突出災(zāi)害是我國(guó)煤礦的主要災(zāi)害之一，為防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求突出礦井必須執(zhí)行2 個(gè)“四位一體”綜合防突措施，并且要求對(duì)防突措施實(shí)施全過程的安全管理和質(zhì)量管控，確保質(zhì)量可靠、過程可溯[1-2]。目前煤礦對(duì)防突信息的管理普遍存在管理落后、效率低下、信息化程度低等問題，具體表現(xiàn)在：①防突表單生成環(huán)節(jié)：防突數(shù)據(jù)由人工錄入，不僅工作量大且存在篡改數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)；②在防突信息審批環(huán)節(jié)：線下簽字審批效率低；③缺少數(shù)據(jù)異常分析和可視化的手段，沒有充分挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。由此可見目前煤礦落后的防突信息管理模式，使得防突措施執(zhí)行質(zhì)量不可控，是造成突出事故偶發(fā)的主要原因之一[3-4]。

在防突信息管理信息化技術(shù)裝備方面，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司開發(fā)了動(dòng)態(tài)防突信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了防突信息的統(tǒng)一動(dòng)態(tài)管理，使防突信息管理更規(guī)范化。但系統(tǒng)基于C/S 架構(gòu)，只能部署在本地，用戶只能通過局域網(wǎng)中的客戶端對(duì)防突信息進(jìn)行交互，不便于表單的審批和系統(tǒng)維護(hù)[5-10]。

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，防突信息的管理也需順應(yīng)行業(yè)信息化、智能化發(fā)展趨勢(shì)[11-15]。針對(duì)目前防突信息管理過程中存在的效率低、審批慢、監(jiān)管難等重點(diǎn)突出問題，對(duì)防突信息管理系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和開發(fā)，適應(yīng)防突信息管理全過程管控要求。

1 防突信息管理現(xiàn)狀及問題

目前煤礦在對(duì)防突信息進(jìn)行管理的過程中普遍存在信息化程度較低、管控能力較弱等特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在：

1）數(shù)據(jù)質(zhì)量不可控，管理低效。煤礦每天都會(huì)產(chǎn)生大量防突相關(guān)的數(shù)據(jù)，防突管理過程中需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，目前對(duì)防突信息的數(shù)字化主要由人工錄入，在此過程中難免出現(xiàn)人為失誤甚至數(shù)據(jù)篡改等風(fēng)險(xiǎn)。此外大型煤礦采掘工作面數(shù)量較多，防突技術(shù)員面對(duì)大量需要錄入的防突信息，工作量大。

2）審批效率低。防突技術(shù)員制作好防突表單后，需要打印出來逐個(gè)找領(lǐng)導(dǎo)簽字，整個(gè)過程效率較低且不便于對(duì)防突信息的閉環(huán)管理。

3）過程管控缺失。煤礦在防突措施執(zhí)行過程中存在重結(jié)果輕過程的現(xiàn)象，防突數(shù)據(jù)中重點(diǎn)關(guān)注突出預(yù)測(cè)參數(shù)的最大值是否超過臨界值，而忽視了防突鉆孔的實(shí)施質(zhì)量和斷面煤巖變化等信息。

4）統(tǒng)計(jì)分析欠缺。防突信息數(shù)據(jù)中隱含了煤層及瓦斯特征，目前煤礦在防突信息管理過程中僅對(duì)這些信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，未進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析，對(duì)防突信息的分析和挖掘，未能充分發(fā)揮防突數(shù)據(jù)價(jià)值，為礦井瓦斯防治提供參考。

5）管理不規(guī)范。防突表單的格式、內(nèi)容不統(tǒng)一，即使同一集團(tuán)下屬各煤礦的格式可能都不一樣，給管理和檢查帶來不便。此外防突資料隨著時(shí)間的不斷積累，防突信息資料需要應(yīng)對(duì)上級(jí)部門高頻次的檢查，頻繁地翻閱整理容易導(dǎo)致信息缺失，因此傳統(tǒng)防突信息管理方式的不足日益凸顯。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)目前防突信息管理的內(nèi)容、需求、流程等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于云服務(wù)的防突信息管理系統(tǒng)，防突信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由業(yè)務(wù)邏輯、運(yùn)行支撐、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)采集4 大部分組成。

圖1 防突信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of outburst prevention information system

業(yè)務(wù)邏輯為防突信息管理系統(tǒng)的前臺(tái)，是用戶與防突信息管理系統(tǒng)的交互窗口，主要功能是防突信息的展示和維護(hù)，包括防突全景、近期工作、查詢搜索、系統(tǒng)設(shè)置、區(qū)域防突數(shù)據(jù)維護(hù)、局部防突數(shù)據(jù)維護(hù)和基本信息維護(hù)。運(yùn)行支撐是鏈接前臺(tái)和后臺(tái)的紐帶，為前臺(tái)數(shù)據(jù)處理提供運(yùn)行支撐，包括報(bào)表審批的工作流引擎、圖像引擎、報(bào)表引擎和消息推送服務(wù)等；數(shù)據(jù)管理為防突信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)和管理，包括云數(shù)據(jù)庫(kù)、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)等。系統(tǒng)采集的內(nèi)容包含2 個(gè)“四位一體”綜合防突措施的全部信息，如瓦斯含量、瓦斯壓力、預(yù)測(cè)參數(shù)、審批管理等。

早有幾名族人站在高坡與天葬臺(tái)之間，緩慢而謹(jǐn)慎地?fù)]舞著長(zhǎng)長(zhǎng)的白幡，來防止白鷲在天葬師完成割禮之前，對(duì)尸體進(jìn)行啄食。他們將白鷲視作天空的使者，是天神派來迎接逝者回歸的祥瑞之物。

防突信息的維護(hù)通常由多個(gè)部門共同完成，為提高防突信息的維護(hù)效率，防突信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從兼容性、共享性和便利性方面考慮，采用B/S+C/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，B/S 方式通過瀏覽器訪問，C/S 通過手機(jī)APP 訪問，便于數(shù)據(jù)查詢和流程審批。系統(tǒng)編寫采用Typescript 語(yǔ)言，工作流引擎應(yīng)用CCFlow、報(bào)表引擎應(yīng)用SpreadJS 控件。系統(tǒng)整體部署在云服務(wù)器上，用戶可通過瀏覽器或APP 訪問進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

防突信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有良好的兼容性、擴(kuò)展性和共享性，符合防突信息管理過程中部門分散的特點(diǎn)，同時(shí)也為上級(jí)部門的監(jiān)管監(jiān)察提供平臺(tái)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

圍繞目前防突信息管理過程中存在的數(shù)據(jù)質(zhì)量差、效率低、分析確實(shí)等問題，研究開發(fā)了數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、數(shù)據(jù)自動(dòng)填報(bào)、防突信息云審批、異常數(shù)據(jù)識(shí)別等功能，大幅提高了瓦斯防治的信息化水平和管控水平。

3.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集

傳統(tǒng)防突作業(yè)過程中，突出預(yù)測(cè)參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)打印預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)小票，然后送至通防部技術(shù)員整理錄入數(shù)據(jù)，整個(gè)過程效率低下且難免出現(xiàn)人為誤差的情況。為縮短防突數(shù)據(jù)傳輸路徑，提高防突數(shù)據(jù)的安全性和傳輸效率，通過改造WTC、DGC、統(tǒng)一數(shù)據(jù)上傳接口，使WTC、DGC 通過無線傳輸將防突數(shù)據(jù)的一鍵上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中；針對(duì)第三方鑒定報(bào)告等紙質(zhì)文檔，應(yīng)用OCR 文字及表格識(shí)別技術(shù)[16-17]，實(shí)現(xiàn)文檔和表格的快速數(shù)字化。通過開發(fā)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳功能，確保了數(shù)據(jù)的時(shí)效性和真實(shí)性，同時(shí)大幅減輕技術(shù)員數(shù)據(jù)錄入工作量。

3.2 表單設(shè)計(jì)器

由于各個(gè)煤礦的防突表單模板不統(tǒng)一，為滿足各煤礦防突表單的個(gè)性化需求，基于Spread JS 開發(fā)了防突信息的表單設(shè)計(jì)器，通過該設(shè)計(jì)器可快速對(duì)不同樣式的表單進(jìn)行適配，使防突信息管理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性，實(shí)現(xiàn)脫離開發(fā)人員環(huán)境下用戶對(duì)系統(tǒng)防突報(bào)表格式的自主靈活定制設(shè)計(jì)。表單設(shè)計(jì)完成后，在防突信息管理系統(tǒng)中，選擇相應(yīng)的防突作業(yè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)的表單。

3.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)填報(bào)

防突信息自動(dòng)填報(bào)是防突信息管理的一個(gè)重要組成部分，目前防突信息管理過程中存在示意圖繪制規(guī)范性差、效率低等問題。為此研究開發(fā)了輕量級(jí)的圖形引擎，實(shí)現(xiàn)防突鉆孔布置圖、巷道斷面煤巖分布的快速自動(dòng)生成，大幅提高示意圖的繪制效率。

1）防突鉆孔布置圖自動(dòng)生成。目前煤礦防突鉆孔多采用AutoCAD 或手工繪制，存在繪圖不規(guī)范和繪制效率低的問題。應(yīng)用防突圖形引擎，輸入鉆孔長(zhǎng)度、角度及開孔位置幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)生成防突鉆孔布置三視圖，自動(dòng)計(jì)算鉆孔控制距離等參數(shù)，提高了繪圖的速度和精度。防突預(yù)測(cè)鉆孔可視化如圖2。

圖2 防突預(yù)測(cè)鉆孔可視化Fig.2 Visualization of prediction borehole

2）巷道煤巖分布自動(dòng)生成。巷道煤巖分布情況是觀察煤巖變化情況的重要依據(jù)，對(duì)采掘布置具有重要參考意義。目前巷道斷面形狀及煤巖分布圖采用AutoCAD 或手工繪制，同樣存在效率和精度低的情況。為實(shí)現(xiàn)巷道斷面參數(shù)快速可視化，設(shè)計(jì)了煤巖界面編輯器快速完成煤巖斷面的繪制，編輯器還支持對(duì)不規(guī)則煤巖分布斷面的繪制。煤巖界面自定義如圖3。

圖3 煤巖界面自定義Fig.3 Coal-rock interface customization

3）數(shù)據(jù)可視化。目前煤礦防突數(shù)據(jù)表單上數(shù)據(jù)密集，數(shù)據(jù)的可閱讀性較差，難以分析數(shù)據(jù)的趨勢(shì)及特征。為解決這個(gè)問題，研究了基于數(shù)據(jù)相對(duì)位置和數(shù)據(jù)大小的可視化圖表引擎，能夠自動(dòng)生成工作面防突預(yù)測(cè)參數(shù)的曲面圖和平面圖，直觀地顯示工作面突出危險(xiǎn)性分布特征。數(shù)據(jù)可視化如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)可視化Fig.4 Data visualization

3.4 防突信息云審批

傳統(tǒng)防突表單的審批需要技術(shù)員拿著表單逐個(gè)找領(lǐng)導(dǎo)簽字審批，該方式不僅效率低下，且可能存在審批滯后于生產(chǎn)的情況。依托于系統(tǒng)云端架構(gòu)跨平臺(tái)、跨區(qū)域的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了防突信息審批工作流，防突信息提交后在網(wǎng)絡(luò)上自動(dòng)流轉(zhuǎn)，提升防突信息的審批效率。而且根據(jù)不同部門和職責(zé)，可以對(duì)角色的權(quán)限進(jìn)行管理。防突表單審批流程如圖5。

圖5 審批流程圖Fig.5 Examination and approval flow

3.5 移動(dòng)APP

為適應(yīng)移動(dòng)辦公需求，提高簽字審批的時(shí)效性，加強(qiáng)防突數(shù)據(jù)異常實(shí)時(shí)推送。開發(fā)了防突信息管理系統(tǒng)手機(jī)APP，通過手機(jī)APP 能夠隨時(shí)隨地對(duì)防突信息進(jìn)行查詢、查看、維護(hù)和審批，方便管理層實(shí)時(shí)掌握工作面防突動(dòng)態(tài)。

3.6 數(shù)據(jù)異常識(shí)別

煤礦每天生成大量防突數(shù)據(jù)，對(duì)這些海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，充分利用數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。正常情況下認(rèn)為煤層賦存特征是連續(xù)變化的，若煤層賦存特征出現(xiàn)突變，則防突數(shù)據(jù)也會(huì)與近期的數(shù)據(jù)有顯著變化。對(duì)于數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，可應(yīng)用恒定閾值、動(dòng)態(tài)閾值、數(shù)據(jù)鉆取等技術(shù)進(jìn)行異常識(shí)別和預(yù)警[18]，通過對(duì)異常數(shù)據(jù)的識(shí)別，提醒煤礦管理層關(guān)注該區(qū)域防突工作。

1）恒定閾值報(bào)警。防突信息一般隨時(shí)間序列呈現(xiàn)平穩(wěn)分布狀態(tài)，如果波動(dòng)較大則表明該區(qū)域可能存在瓦斯含量升高、地質(zhì)構(gòu)造異常、煤層賦存異常等情況。通過應(yīng)用恒定閾值的方法來對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)防突預(yù)測(cè)參數(shù)超過臨界閾值時(shí)，移動(dòng)APP推送發(fā)出報(bào)警通知，方便管理層實(shí)時(shí)掌握工作面生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

2）動(dòng)態(tài)閾值數(shù)據(jù)異常識(shí)別。動(dòng)態(tài)閾值預(yù)警技術(shù)，是通過計(jì)算鄰近幾個(gè)數(shù)據(jù)的移動(dòng)平均值，當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)與移動(dòng)平均值的差值，大于自定義的波動(dòng)范圍時(shí)，判斷數(shù)據(jù)為異常，移動(dòng)平均差值計(jì)算方法如下：

式中：Ft為第t 個(gè)數(shù)據(jù)的移動(dòng)平均差值；n 為移動(dòng)平均的時(shí)期個(gè)數(shù)；At-1為第t-1 個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際值；At-2、At-3、…、At-n為第t 個(gè)數(shù)據(jù)的前2 期、前3 期直至前n 期的實(shí)際值。

以響水煤礦210302 運(yùn)輸巷2021 年4 月5 日—5 月30 日的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用式（1）進(jìn)行異常識(shí)別，計(jì)算其移動(dòng)平均差值，波動(dòng)區(qū)間取0.1，210302 運(yùn)輸巷數(shù)據(jù)異常分析如圖6。由圖6 可知，在此期間有3 次波動(dòng)異常報(bào)警，結(jié)果顯示這3 個(gè)班次的K1值與前序班次數(shù)據(jù)有較大波動(dòng)。

圖6 210302 運(yùn)輸巷數(shù)據(jù)異常分析Fig.6 Data anomaly analysis of 210302 transport lane

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

防突信息管理系統(tǒng)成功在貴州盤江集團(tuán)響水煤礦進(jìn)行建設(shè)應(yīng)用，通過系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提升了響水煤礦防突信息的管理效率、實(shí)現(xiàn)了防突信息管理的信息化和智能化。系統(tǒng)的應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）大幅提升防突管理效率。通過表單設(shè)計(jì)器和工作流管理，對(duì)響水煤礦防突表單和工作流程進(jìn)行適配，實(shí)現(xiàn)與煤礦現(xiàn)有防突流程和管理平滑過渡。通過數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、鉆孔可視化、流程云審批等功能，提高防突技術(shù)人員約70%的工作效率。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：在2021 年1—5 月期間，響水煤礦共完成了1 000 余次防突信息的管理和審批，平均每張表單的完成時(shí)間由15 min 縮短為4 min。

2）推進(jìn)防突管理信息化、智能化、透明化。通過應(yīng)用防突信息管理系統(tǒng)，解決了響水煤礦在防突信息管理過程中存在的低效、落后的管理方式；實(shí)現(xiàn)對(duì)2 個(gè)“四位一體”全環(huán)節(jié)防突信息的統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)；通過對(duì)防突數(shù)據(jù)全生命周期的記錄和管理，實(shí)現(xiàn)了防突信息的全過程閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)防突參數(shù)測(cè)定“來源可追、去向可查、規(guī)律可循”。提升了響水煤礦防突信息管理水平。

3）云端一體化防突信息管控。形成“省-集團(tuán)-礦井級(jí)”多層級(jí)的防突信息集中管控機(jī)制，定時(shí)為煤礦安全監(jiān)督管理部門推送轄區(qū)內(nèi)突出礦井防突措施統(tǒng)計(jì)日?qǐng)?bào)表。在現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)督管理人力及資源的條件下，減少人工逐級(jí)審批、下礦逐一巡查的繁瑣工作量，為“礦井防突參數(shù)全覆蓋、審批內(nèi)容全包含、監(jiān)管時(shí)間全天候”的煤礦安全監(jiān)督管理提供技術(shù)及手段支撐，實(shí)現(xiàn)防突關(guān)鍵環(huán)節(jié)的主要信息橫向到邊、縱向到底，有效促進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”、云平臺(tái)的應(yīng)用廣度和深度。具有較強(qiáng)的示范和引領(lǐng)作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

研發(fā)了具有跨平臺(tái)、多層級(jí)的防突信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了防突信息一體化云管控。煤礦防突信息管理系統(tǒng)，解決了防突信息全生命周期管理過程中存在的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)自動(dòng)填報(bào)、表單云審批、數(shù)據(jù)異常識(shí)別、信息即時(shí)推送5 大關(guān)鍵問題；實(shí)現(xiàn)了防突業(yè)務(wù)管理流程和信息管理流程的柔性融合，能夠根據(jù)煤礦防突業(yè)務(wù)管理流程柔性調(diào)整防突信息流程，提高適用性。防突信息管理系統(tǒng)在響水煤礦取得了較好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)響水煤礦防突信息的規(guī)范化和透明化管理、提高70%的管理效率。