基于跨平臺(tái)架構(gòu)的全礦井瓦斯抽采智能管控軟件設(shè)計(jì)

吳克介，黃強(qiáng)，許金，陳運(yùn)啟

（1. 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引言

在我國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占一次性能源和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的60%以上[1]。2050 年以前，以煤炭為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)難以改變，以煤炭為主導(dǎo)能源是國家發(fā)展的必然選擇[2]。

煤礦安全生產(chǎn)問題一直是國家關(guān)注的重點(diǎn)，經(jīng)過多學(xué)科多年努力，礦山安全生產(chǎn)水平得到顯著提高，但安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻[3]。在煤礦開采過程中，煤與瓦斯突出事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅礦工生命安全。為了確保煤礦安全開采，在工作面回采前需要對(duì)待采煤層和瓦斯積聚區(qū)域施工鉆孔，通過抽采管路將瓦斯抽出，降低開采過程中的瓦斯涌出量，防止瓦斯超限和積聚。國內(nèi)大部分高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井抽采都面臨鉆孔設(shè)計(jì)成圖工作效率低、抽采評(píng)判人工計(jì)算復(fù)雜、抽采異常分析處置滯后的現(xiàn)狀，亟需通過數(shù)字化、信息化、智能化手段提升抽采管理水平。

互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，給煤炭行業(yè)帶來了顛覆性變革，將高新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)裝備、管理進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)正成為越來越重要的發(fā)展趨勢(shì)[4]。在瓦斯抽采領(lǐng)域，部分學(xué)者對(duì)瓦斯抽采效果分析評(píng)判、抽采遠(yuǎn)程控制等進(jìn)行了研究，取得了一定成果。崔聰?shù)萚5]基于行業(yè)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)動(dòng)態(tài)評(píng)判，并用GIS 圖形化形式展示抽采分析結(jié)果。鄒立雙等[6]基于瓦斯抽采基礎(chǔ)條件，結(jié)合瓦斯抽放多參數(shù)傳感器，構(gòu)建了瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控與分元評(píng)價(jià)軟件。張吉林等[7]綜合分析了不同抽采評(píng)價(jià)單元中瓦斯抽采評(píng)價(jià)效果，實(shí)現(xiàn)了礦井瓦斯抽采數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取與抽采效果的在線分析。周福寶等[8]建立了瓦斯抽采管網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化模型，開發(fā)了瓦斯智能抽采軟件，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁和手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)了抽采參數(shù)監(jiān)測(cè)與抽采設(shè)備控制。李健威等[9]研發(fā)了基于WinCC 的無人值守瓦斯抽采泵站智能化控制軟件，實(shí)現(xiàn)了泵站無人值守、減員增效。李波[10]研發(fā)了煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控軟件，該軟件具有瓦斯抽采參數(shù)監(jiān)測(cè)計(jì)量、環(huán)境參數(shù)測(cè)量、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及設(shè)備控制等功能。

目前，煤礦瓦斯抽采領(lǐng)域相關(guān)研究成果實(shí)現(xiàn)了抽采參數(shù)監(jiān)測(cè)、抽采效果評(píng)判、抽采GIS 展示、抽采遠(yuǎn)程控制等，在一定程度上確保了煤礦安全生產(chǎn)，但還存在以下問題：

（1） 抽采異常識(shí)別需要借助人工輔助查看相關(guān)數(shù)據(jù)分析，缺乏自主式、智能化分析手段。

（2） 抽采異常及時(shí)處置能力弱，缺乏瓦斯災(zāi)害發(fā)生時(shí)的多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制功能。

（3） 軟件部署環(huán)境單一，無法實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨端應(yīng)用訪問。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于跨平臺(tái)架構(gòu)的全礦井瓦斯抽采智能管控軟件，采用多源數(shù)據(jù)采集、特征圖譜分析、GIS 展示等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了抽采系統(tǒng)全域可視化，形成了井上下一體化抽采全貌數(shù)據(jù)展示，建立了多層級(jí)數(shù)據(jù)溯源訪問機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采關(guān)鍵場(chǎng)景的智能分析。

1 瓦斯抽采過程分析

在開采煤層前，需要在巷道中布置抽放管路系統(tǒng)，施工預(yù)抽煤層鉆孔，通過地面抽采泵或井下移動(dòng)抽放泵抽取煤層中的瓦斯。對(duì)于待采煤層，需要對(duì)煤層的瓦斯抽采效果進(jìn)行評(píng)判。煤層瓦斯抽采效果評(píng)判先要對(duì)瓦斯抽采基礎(chǔ)條件進(jìn)行評(píng)判，符合規(guī)定后，再對(duì)預(yù)抽煤層瓦斯抽采效果進(jìn)行評(píng)判。預(yù)抽煤層瓦斯抽采鉆孔施工完畢后，對(duì)預(yù)抽鉆孔的有效控制范圍與布孔均勻程度進(jìn)行判定，按照時(shí)間差異性系數(shù)劃分評(píng)價(jià)單元，通過井下在線計(jì)量裝置與便攜式人工測(cè)量儀監(jiān)測(cè)管網(wǎng)瓦斯?jié)舛?、壓力、壓差、流量、溫度等參?shù)，依據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》計(jì)算殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)單元抽采效果預(yù)評(píng)判。抽采效果預(yù)評(píng)判合格后，前往煤層現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定點(diǎn)測(cè)定煤層殘余瓦斯含量，計(jì)算可解析瓦斯含量、殘余瓦斯壓力等抽采效果評(píng)判指標(biāo)，根據(jù)行業(yè)規(guī)范判定是否達(dá)標(biāo)。煤層瓦斯抽采效果評(píng)判達(dá)標(biāo)后，可進(jìn)行煤層開采工作。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于跨平臺(tái)架構(gòu)的全礦井瓦斯抽采智能管控軟件分為公司端、礦端瓦斯抽采智能管控軟件，整體架構(gòu)如圖1 所示。在礦端，通過瓦斯抽采多源數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知層設(shè)備監(jiān)測(cè)的瓦斯抽采相關(guān)數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)存入礦端瓦斯抽采智能管控軟件數(shù)據(jù)庫中，為礦端瓦斯抽采智能管控軟件與手機(jī)APP 提供數(shù)據(jù)支撐，采用FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議）將礦端瓦斯抽采數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議聯(lián)網(wǎng)上傳至公司端瓦斯抽采智能管控軟件。在公司端，通過部署聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)解析程序，將聯(lián)網(wǎng)上傳的瓦斯抽采數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解析為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至公司端瓦斯抽采智能管控軟件數(shù)據(jù)庫中，為公司端瓦斯抽采智能管控軟件與公司端手機(jī)APP 提供數(shù)據(jù)支撐。

圖 1 基于跨平臺(tái)架構(gòu)的全礦井瓦斯抽采智能管控軟件整體架構(gòu)Fig. 1 Overall structure of intelligent control software for whole mine gas extraction based on cross-platform architecture

2.2 礦端軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、服務(wù)設(shè)計(jì)、應(yīng)用展示的流程設(shè)計(jì)礦端瓦斯抽采智能管控軟件架構(gòu)，如圖2 所示。軟件架構(gòu)包括感知層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與服務(wù)層、應(yīng)用層。感知層由鉆孔軌跡測(cè)量儀、超聲波流量計(jì)、瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)量儀、安全監(jiān)控系統(tǒng)、抽采泵站監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，形成軟件的數(shù)據(jù)底座。數(shù)據(jù)采集交換程序從感知層的數(shù)據(jù)源采集瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，建立包含抽采鉆孔作業(yè)、抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判、抽采設(shè)備運(yùn)維、抽采異常識(shí)別的主題數(shù)據(jù)倉庫，構(gòu)建瓦斯抽采元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全生命周期管理與數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，以微服務(wù)的形式向應(yīng)用層提供安全認(rèn)證服務(wù)、工作流服務(wù)、消息服務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘分析服務(wù)、可視化服務(wù)。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)軟件的核心業(yè)務(wù)，由抽采精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、抽采輔助設(shè)計(jì)、抽采融合控制、抽采設(shè)備運(yùn)維管理、抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判、抽采異常識(shí)別、抽采三維展示、抽采輔助決策等模塊組成。

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)

軟件關(guān)鍵技術(shù)包括瓦斯抽采多源數(shù)據(jù)采集、抽采鉆孔輔助設(shè)計(jì)、抽采數(shù)據(jù)分析、抽采設(shè)備運(yùn)維管理、抽采GIS 展示、抽采融合控制等技術(shù)。

3.1 瓦斯抽采多源數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集是整個(gè)軟件的基礎(chǔ)，為應(yīng)用層的功能提供數(shù)據(jù)支撐，瓦斯抽采數(shù)據(jù)來源包括超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)的井下管道瓦斯流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)量儀測(cè)量的瓦斯抽采人工測(cè)量數(shù)據(jù)、抽采泵站設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、鉆孔軌跡測(cè)量儀測(cè)量的軌跡數(shù)據(jù)等。瓦斯抽采多源數(shù)據(jù)采集框架如圖3 所示。

圖 2 礦端瓦斯抽采智能管控軟件架構(gòu)Fig. 2 The architecture of coal mine terminal gas extraction intelligent control software

圖 3 瓦斯抽采多源數(shù)據(jù)采集框架Fig. 3 Gas extraction multi-source data acquisition framework

對(duì)于超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)的井下管道瓦斯流量數(shù)據(jù)，通過接入安全監(jiān)控系統(tǒng)后，按照《煤礦安全監(jiān)控、井下作業(yè)人員、工業(yè)視頻感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則（試行）》生成數(shù)據(jù)文件解析到礦端瓦斯抽采智能管控軟件數(shù)據(jù)庫中。針對(duì)瓦斯抽放多參數(shù)測(cè)量儀監(jiān)測(cè)的單點(diǎn)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與鉆孔軌跡測(cè)量儀監(jiān)測(cè)的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，測(cè)量員測(cè)量完畢后將測(cè)量設(shè)備從井下帶到地面，通過藍(lán)牙傳輸方式將測(cè)量設(shè)備存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至地面服務(wù)器，在地面服務(wù)器部署數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)聽程序，將測(cè)量設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解析為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)后存入礦端瓦斯抽采智能管控軟件數(shù)據(jù)庫中。對(duì)于抽采泵站的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過PLC 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將設(shè)備數(shù)據(jù)收集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析處理，再通過消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）將數(shù)據(jù)傳輸至礦端瓦斯抽采智能管控軟件數(shù)據(jù)庫中。對(duì)于人工錄入的數(shù)據(jù)，通過Web 端界面按照標(biāo)準(zhǔn)模板導(dǎo)入軟件。

3.2 抽采鉆孔輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)前礦井鉆孔設(shè)計(jì)主要通過人工計(jì)算方式將鉆孔設(shè)計(jì)的傾角、方位角等參數(shù)轉(zhuǎn)換為由平距、垂距構(gòu)成的坐標(biāo)信息，在CAD 軟件上逐孔繪制，存在計(jì)算結(jié)果易出錯(cuò)、制圖耗時(shí)長等問題。鉆孔輔助設(shè)計(jì)首先對(duì)礦井現(xiàn)場(chǎng)的各類抽采相關(guān)設(shè)備、典型場(chǎng)景進(jìn)行拍照取景，通過定制化開發(fā)的形式建立開關(guān)閥門、放水器、抽放泵、電動(dòng)機(jī)、鉆桿、計(jì)量裝置等設(shè)備與煤層、巖層、采掘工作面、鉆場(chǎng)、抽采主管、巷道等空間區(qū)域圖元示意圖，通過參數(shù)錄入的形式管理圖元定義信息、圖元屬性信息、圖元約束規(guī)則等?；趫D元參數(shù)化動(dòng)態(tài)修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖元狀態(tài)、大小的動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成抽采設(shè)計(jì)工程制圖專業(yè)圖元庫。根據(jù)抽采設(shè)計(jì)工程制圖專業(yè)圖元庫，基于CAD 二次開發(fā)技術(shù)[11]研發(fā)鉆孔輔助設(shè)計(jì)制圖軟件，對(duì)工作面本煤層順層瓦斯預(yù)抽鉆孔與工作面穿層鉆孔進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。針對(duì)本煤層順層瓦斯預(yù)抽鉆孔，通過錄入工作面的長度、寬度、傾角、方位角、鉆孔直徑、設(shè)計(jì)孔深等參數(shù)，結(jié)合抽采工藝考察得到的鉆孔抽采半徑、鉆孔布置間距等信息，以無抽采“空白帶”為原則，按照均勻布孔方式實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)的鉆孔布置方案參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)。針對(duì)工作面穿層鉆孔，通過錄入底板瓦斯巷道的位置、長度、寬度、傾角、方位角、鉆孔直徑、設(shè)計(jì)孔深與預(yù)抽煤層的長度、寬度、傾角、方位角等參數(shù)，結(jié)合抽采工藝考察得到的鉆孔抽采半徑、鉆孔布置間距等信息，以“鉆孔全覆蓋”為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)終孔煤層的鉆孔布置俯視圖進(jìn)行參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.3 瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析技術(shù)

圍繞抽采鉆孔作業(yè)、抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判、抽采設(shè)備運(yùn)維、抽采異常識(shí)別4 個(gè)主題建立瓦斯抽采分析數(shù)據(jù)倉庫，綜合數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)算法[12]、層次分析算法[13]和模糊數(shù)學(xué)[14]等方法，構(gòu)建瓦斯抽采專題數(shù)據(jù)特征圖譜，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采數(shù)據(jù)數(shù)理特征、抽采評(píng)判特征、設(shè)備故障特征、抽采異常特征、鉆孔軌跡特征的綜合分析。瓦斯抽采數(shù)據(jù)數(shù)理特征由數(shù)據(jù)突變、緩升、長期不變、均值偏離、周期性變化等數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)構(gòu)成，根據(jù)監(jiān)測(cè)管道、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分析短期、中期、長期數(shù)理特征，自動(dòng)識(shí)別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，溯源異常數(shù)據(jù)發(fā)生緣由。抽采評(píng)判特征以《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》為基礎(chǔ)，包含已抽量、未抽量、預(yù)抽率、殘余瓦斯含量、可解析瓦斯量、殘余瓦斯壓力、剩余抽采時(shí)間等，通過預(yù)設(shè)分析周期，實(shí)現(xiàn)抽采評(píng)判全過程自動(dòng)化分析。設(shè)備故障特征以抽放泵站、電動(dòng)機(jī)閥門等抽采相關(guān)重大設(shè)備的日常維保、故障維修流程為主線，分析設(shè)備開機(jī)率、故障率、維修時(shí)長、點(diǎn)檢周期等。抽采異常特征以抽采管道監(jiān)測(cè)的流量、流速、濃度、壓力等參數(shù)為基礎(chǔ)，分析抽采管道漏氣、堵塞、積水等的異常。鉆孔軌跡特征以鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)、鉆孔施工參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合抽采鉆孔布置行業(yè)規(guī)范，分析抽采空白帶、施工軌跡偏移量、鉆孔施工異常等。

3.4 瓦斯抽采設(shè)備運(yùn)維管理技術(shù)

瓦斯抽采設(shè)備運(yùn)維管理以流程設(shè)計(jì)器與表單設(shè)計(jì)器為核心，根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)抽采設(shè)備的管理模式建立覆蓋設(shè)備點(diǎn)檢、故障檢修、周期維保等的在線閉環(huán)管理流程。設(shè)備點(diǎn)檢按照點(diǎn)檢線路定義、點(diǎn)檢任務(wù)建立、執(zhí)行人員分配、點(diǎn)檢記錄上傳、點(diǎn)檢報(bào)告生成、領(lǐng)導(dǎo)簽字審批的流程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。故障檢修按照檢修項(xiàng)目建立、檢修計(jì)劃分配、檢修人員指定、檢修過程記錄、檢修結(jié)果上傳、領(lǐng)導(dǎo)簽字審批的流程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。對(duì)于檢修人員無法處理的設(shè)備故障問題，采用在線視頻、釘釘會(huì)議等手段實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障專家遠(yuǎn)程輔助診斷?；谝苿?dòng)手機(jī)APP，根據(jù)設(shè)備報(bào)警、預(yù)警級(jí)別推送設(shè)備運(yùn)維電子工單、任務(wù)或信息給相關(guān)的礦技術(shù)人員、主管領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)務(wù)科室與公司領(lǐng)導(dǎo)，確保異常閉環(huán)處置。

3.5 瓦斯抽采GIS 展示技術(shù)

基于以圖管礦理念，采用ArcGIS、GeoServer、OpenLayers、Cesium 搭建GIS 支撐服務(wù)平臺(tái)，根據(jù)礦井真實(shí)、完整、準(zhǔn)確的地測(cè)數(shù)據(jù)與CAD 圖紙，通過程序自動(dòng)與人工相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)要素解析處理并轉(zhuǎn)換為GIS 平臺(tái)矢量格式，構(gòu)筑全礦井瓦斯抽采系統(tǒng)二三維GIS 圖，實(shí)現(xiàn)礦井巷道的數(shù)字化，結(jié)合實(shí)景建模技術(shù)，在宏觀層面實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采系統(tǒng)全礦井、全方位可視化展示與管理，在微觀層面以采區(qū)、評(píng)價(jià)單元、鉆場(chǎng)、泵站等典型場(chǎng)景的實(shí)景模型為基礎(chǔ)，疊加實(shí)時(shí)顯示設(shè)備工作狀態(tài)、設(shè)備維保狀態(tài)、抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、鉆孔施工情況、鉆孔軌跡、抽采效果、達(dá)標(biāo)情況、報(bào)警及預(yù)警信息、統(tǒng)計(jì)查詢結(jié)果及設(shè)備協(xié)同聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程集中控制等。

3.6 瓦斯抽采融合控制技術(shù)

以瓦斯抽采利用為主線，對(duì)鉆孔施工作業(yè)、抽采效果評(píng)判、井下瓦斯抽放、電廠瓦斯利用等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行多要素全流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與協(xié)同控制。建立抽采聯(lián)動(dòng)預(yù)案規(guī)則策略庫，按照礦井采區(qū)劃分應(yīng)急區(qū)域，對(duì)各應(yīng)急區(qū)域發(fā)生的抽采異常情況配置流程化應(yīng)急控制策略。

融合控制程序采用定時(shí)器的方式定時(shí)讀取軟件存儲(chǔ)的異常記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)軟件通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)識(shí)別到異常情況時(shí)，根據(jù)軟件配置的聯(lián)動(dòng)預(yù)案規(guī)則，基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、規(guī)范權(quán)限接口，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制。通過Wcf 接口調(diào)用的形式，將聯(lián)動(dòng)控制的廣播設(shè)備信息與播放文本傳遞給調(diào)度廣播通信系統(tǒng)，調(diào)度廣播通信系統(tǒng)將文本轉(zhuǎn)換為音頻文件，通過組播的形式控制廣播設(shè)備播放音頻文件。針對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)、抽采監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)為命令中轉(zhuǎn)站，將控制命令下發(fā)至電力監(jiān)控、抽采監(jiān)控子系統(tǒng)，子系統(tǒng)通過PLC 執(zhí)行控制指令。針對(duì)人員定位系統(tǒng)、智能通風(fēng)系統(tǒng)，通過WebAPI 接口調(diào)用的形式，實(shí)現(xiàn)人員撤離、風(fēng)量調(diào)整、風(fēng)門開停等控制。聯(lián)動(dòng)控制執(zhí)行后，軟件通過GIS“一張圖”展示各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)及異常區(qū)域的人數(shù)，為調(diào)度指揮人員、應(yīng)急救援人員及時(shí)疏散井下人員、開展救援工作奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)鉆孔發(fā)生頂鉆、噴鉆、垮鉆或局部殘余瓦斯含量過高等異常情況時(shí)，軟件聯(lián)動(dòng)人員定位系統(tǒng)，確定異常區(qū)域附近的作業(yè)人員位置，聯(lián)動(dòng)調(diào)度廣播通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員撤離通知語音播報(bào)。通過安全監(jiān)控系統(tǒng)將命令下發(fā)至電力監(jiān)控系統(tǒng)與抽采監(jiān)控系統(tǒng)，通過增大異常區(qū)域抽采泵的輸出功率，提高泵站瓦斯抽采能力，同時(shí)聯(lián)動(dòng)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，控制異常區(qū)域附近的風(fēng)門開停，加強(qiáng)通風(fēng)能力。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 跨平臺(tái)設(shè)計(jì)

采用Docker 技術(shù)[15]實(shí)現(xiàn)軟件跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，在Docker 環(huán)境中部署SQL Server 數(shù)據(jù)庫與Web 終端應(yīng)用程序。

通過Docker Search 命令、Docker Pull 命令和Docker Run 命令完成Microsoft SQL Server 鏡像搜索、拉取和運(yùn)行，并映射端口和指定環(huán)境變量，完成SQL Server 在Docker 中的部署安裝。

在Docker 中部署安裝Web 終端應(yīng)用程序，根據(jù)Visual Studio 軟件自帶的“Docker 支持”方式添加Docker File，使用Docker Build 命令生成鏡像文件，將Web 終端應(yīng)用程序打包為Docker 的鏡像文件添加到可移植的容器中，通過命令行工具或Docker Desktop 軟件運(yùn)行Web 終端應(yīng)用程序。

4.2 跨端設(shè)計(jì)

為了滿足HTML 網(wǎng)頁、手機(jī)APP、微信小程序等多終端訪問，采用原生HTML 技術(shù)結(jié)合響應(yīng)式布局樣式，實(shí)現(xiàn)HTML 網(wǎng)頁適配手機(jī)APP。

移動(dòng)端手機(jī)APP 瀏覽器基本以Webkit 內(nèi)核為主，采用原生HTML 技術(shù)，通過HTML5 標(biāo)簽與CSS3 樣式解決Webkit 兼容性問題。

使用三方插件flexible.js 實(shí)現(xiàn)彈性布局，通過瀏覽器窗口大小動(dòng)態(tài)調(diào)整HTML 根元素字體大小，HTML 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部采用rem 單位計(jì)量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部元素隨HTML 根元素改變而動(dòng)態(tài)改變，達(dá)到軟件適配不同分辨率終端的效果。

4.3 Web 終端開發(fā)

Web 終端采用ASP.NET Core 框架，通過Visual Studio 軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)終端軟件功能跨平臺(tái)應(yīng)用、模塊化設(shè)計(jì)。Web 終端軟件實(shí)現(xiàn)抽采監(jiān)測(cè)、抽采效果評(píng)判、三維GIS 可視化展示、抽采融合控制等功能。

抽采監(jiān)測(cè)按照礦井、采區(qū)、煤層、抽采主管、抽采支管、工作面、評(píng)價(jià)單元、鉆場(chǎng)、鉆孔的層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各層級(jí)抽采參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，包括抽采綜合統(tǒng)計(jì)（礦井、集團(tuán)公司）、礦井瓦斯抽采監(jiān)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、工作面瓦斯抽采監(jiān)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、抽采管路瓦斯抽采監(jiān)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)單元瓦斯抽采監(jiān)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、鉆場(chǎng)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)參數(shù)歷史曲線。瓦斯抽采監(jiān)測(cè)參數(shù)包括標(biāo)況、工況條件下的瓦斯抽采純量、抽采混量的瞬時(shí)量、累計(jì)量、平均值、瓦斯?jié)舛?、壓力、溫度、CO 等。統(tǒng)計(jì)的展示形式包括報(bào)表、折線圖、柱狀圖、地圖等形式。

利用HTML、CSS、Javascript、Echarts 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽采效果評(píng)判圖形化操作界面，聚合抽采數(shù)據(jù)管理、抽采效果評(píng)判、抽采結(jié)果展示等多個(gè)功能，提供簡明、直觀的抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判操作與數(shù)據(jù)查詢方式。

三維GIS 可視化展示基于開源GIS 組件，采用空間建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽采系統(tǒng)各組件的可視化展示。

抽采融合控制采用HT For Web 圖撲軟件，建立抽采泵站、電動(dòng)閥門三維可視化圖元，實(shí)現(xiàn)抽采泵站一鍵啟停、一鍵輪換、故障輪換，抽采管網(wǎng)高低濃度瓦斯分流輸送、區(qū)域抽采負(fù)壓遠(yuǎn)程調(diào)控及自動(dòng)調(diào)控。

4.4 移動(dòng)手機(jī)APP 開發(fā)

移動(dòng)手機(jī)APP 開發(fā)基于Android 的WebView、XML、HTML5 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采模擬量運(yùn)行記錄曲線圖和開關(guān)量狀態(tài)圖表數(shù)據(jù)的展示和查詢；通過XML 布局技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警斷電、上傳中斷、消息通知等數(shù)據(jù)的展示。

數(shù)據(jù)請(qǐng)求獲取方面，手機(jī)APP 基于OKHttp 開源技術(shù)框架進(jìn)行Web 數(shù)據(jù)請(qǐng)求與獲取，采用JSON 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)ESCAPE 格式進(jìn)行數(shù)據(jù)加密傳輸。手機(jī)APP 通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議接口，獲取瓦斯抽采實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再利用GSON 數(shù)據(jù)格式解析數(shù)據(jù)，解析完成后采用ESCAPE 完成數(shù)據(jù)的解碼工作。

可視化展示方面，采用Android 的原生視圖動(dòng)畫和屬性動(dòng)畫方式實(shí)現(xiàn)抽采示意圖的動(dòng)畫展示，并實(shí)現(xiàn)圖像的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、透明度漸變等動(dòng)畫效果。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，采用SQLite、Preference 實(shí)現(xiàn)Web 數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)功能，降低數(shù)據(jù)查詢的耗時(shí)。

消息推送方面，采用PUSH 方式，由服務(wù)器主動(dòng)向移動(dòng)終端推送報(bào)警信息，結(jié)合Android 消息推送機(jī)制，利用Service 服務(wù)后臺(tái)進(jìn)程，實(shí)時(shí)接收Web 服務(wù)端推送的瓦斯抽采異常告警信息。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

安徽淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司有生產(chǎn)礦井17 對(duì)，大部分為高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井。礦井現(xiàn)場(chǎng)通過人工分析計(jì)算方式完成鉆孔設(shè)計(jì)、抽采評(píng)判、抽采控制、故障檢修工作，人力投入大，工作效率低，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決抽采異常問題。一般通過日會(huì)、周會(huì)的形式審查各礦抽采情況，無法實(shí)時(shí)掌握礦井最新的抽采情況。為改善公司、礦井的抽采管理現(xiàn)狀，在公司、礦井現(xiàn)場(chǎng)部署全礦井瓦斯抽采智能管控軟件。在礦端，部署一主一備2 臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，1 臺(tái)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與聯(lián)網(wǎng)上傳至集團(tuán)公司。在公司端，使用Docker Swarm 集群管理工具，實(shí)現(xiàn)Docker 集群資源統(tǒng)一調(diào)度，設(shè)置數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、Web 發(fā)布、GIS 服務(wù)4 個(gè)Docker Host 工作節(jié)點(diǎn)，各工作節(jié)點(diǎn)通過nginx 容器搭載獨(dú)立運(yùn)行的任務(wù)。公司端用戶、礦端用戶通過集團(tuán)公司內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)映射地址訪問瓦斯抽采智能管控軟件Web 終端，手機(jī)APP 通過配置服務(wù)器地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。在集團(tuán)公司，通防部、調(diào)度人員、公司領(lǐng)導(dǎo)通過查看公司端瓦斯抽采智能管控軟件門戶頁面，可快速了解各礦的抽采情況、抽采利用情況、抽采評(píng)判情況，可通過鉆取查看各礦的抽采詳細(xì)情況。在煤礦，抽采科、地測(cè)科、調(diào)度人員、礦領(lǐng)導(dǎo)可利用煤礦瓦斯抽采智能管控軟件，實(shí)現(xiàn)抽采評(píng)判、鉆孔輔助設(shè)計(jì)、抽采異常聯(lián)動(dòng)控制等，提高了礦井瓦斯抽采信息化水平與辦公效率。

煤礦瓦斯抽采智能管控軟件現(xiàn)場(chǎng)部署后，經(jīng)過近3 個(gè)月的試運(yùn)行，期間根據(jù)用戶反饋的建議不斷完善軟件功能，應(yīng)用結(jié)果表明：該軟件顯著提升了礦井在瓦斯抽采評(píng)判、抽采異常處置與抽采利用方面的能力，降低了礦井瓦斯異常事故發(fā)生概率。

集團(tuán)公司運(yùn)行的軟件功能界面如圖4 所示，實(shí)現(xiàn)了各聯(lián)網(wǎng)礦井抽采量、抽采利用率、抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判情況的統(tǒng)一展示。

礦井現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的軟件功能界面如圖5 所示，通過GIS 圖、列表、折線圖等方式展示了全礦井的抽采監(jiān)測(cè)情況、抽采評(píng)判情況。

瓦斯抽采手機(jī)APP 功能界面如圖6 所示，APP 通過調(diào)用WebAPI 接口獲取抽采監(jiān)測(cè)、評(píng)判數(shù)據(jù)，并在手機(jī)上展示，便于用戶及時(shí)掌握抽采情況。

圖 4 公司抽采門戶界面Fig. 4 Gas extraction portal interface of the company

圖 5 礦井抽采門戶界面Fig. 5 Gas extraction portal interface of the coal mine

圖 6 瓦斯抽采手機(jī)APP 運(yùn)行界面Fig. 6 Mobile APP operation interface of gas extraction

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套集抽采多源數(shù)據(jù)采集、抽采鉆孔輔助設(shè)計(jì)、抽采數(shù)據(jù)分析、抽采設(shè)備運(yùn)維管理、抽采GIS 展示、抽采融合控制于一體的全礦井瓦斯抽采智能管控軟件，并在淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井應(yīng)用。應(yīng)用情況表明，該軟件能夠提高礦井瓦斯抽采評(píng)判工作效率，提升礦井信息化水平，軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 軟件包含抽采全過程涉及的信息化功能，支持礦井、公司兩級(jí)訪問，既便于礦井抽采技術(shù)人員提高抽采工作效率，也便于公司領(lǐng)導(dǎo)快捷、清晰地掌握各礦井的抽采異常、抽采評(píng)判情況。

（2） 當(dāng)出現(xiàn)瓦斯涌出異常時(shí)，軟件自動(dòng)聯(lián)動(dòng)調(diào)度廣播通信系統(tǒng)告知瓦斯涌出危險(xiǎn)區(qū)域撤離人員，同時(shí)聯(lián)動(dòng)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)加強(qiáng)異常區(qū)域通風(fēng)，并通過消息推送策略自動(dòng)將異常告警消息推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人，便于及時(shí)、快速解決抽采問題，降低人員傷亡，為礦井安全生產(chǎn)提供保障。

（3） 軟件基于跨平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，適用于Windows、Linux 多操作系統(tǒng)部署，同時(shí)適配計(jì)算機(jī)瀏覽器、手機(jī)APP 等多終端訪問，適應(yīng)性強(qiáng)，易推廣。