基于國(guó)產(chǎn)可控CPU架構(gòu)的煤礦智能化平臺(tái)搭建

趙安新，楊宏魁，黎 梁，張晨陽(yáng)，楊 彪，翟 勃，肖 劍

（1.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.西安重裝偉肯電氣有限責(zé)任公司，陜西西安 710032；3.山東能源集團(tuán)西北礦業(yè)有限公司，陜西西安 710021；4.中電星原科技有限公司，陜西延安 716000）

0 引言

隨著人工智能的快速發(fā)展，各企業(yè)先后開(kāi)展智能化、數(shù)字化模式改革，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重地位的煤礦行業(yè)也不例外，其現(xiàn)階段目標(biāo)是打造新時(shí)代智慧礦山。智慧礦山是利用信息化技術(shù)對(duì)生產(chǎn)、人員健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進(jìn)行自主檢測(cè)、主動(dòng)分析、快速處理。智慧礦山包括智慧生產(chǎn)系統(tǒng)、智慧職業(yè)健康與安全系統(tǒng)、智慧技術(shù)支持與后勤保障系統(tǒng)。本文從智慧職業(yè)健康與安全系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建檢測(cè)作業(yè)人員不安全行為以及礦井通風(fēng)、排水等環(huán)境的國(guó)產(chǎn)自主可控CPU 架構(gòu)的煤礦智能化軟硬件平臺(tái)。

已有部分學(xué)者對(duì)智慧礦山進(jìn)行了相關(guān)研究。王文文［1］指出礦山智能化礦山尚存關(guān)鍵問(wèn)題，如尚未形成智能化建設(shè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、信息的井下傳輸?shù)扔写鉀Q。薛春生［2］指出建造智慧礦山要健全完善智能化標(biāo)準(zhǔn)體系，打造5G 技術(shù)從多環(huán)節(jié)推進(jìn)支撐智能化礦井建設(shè)。趙國(guó)剛［3］對(duì)礦井瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析，利用監(jiān)控中心、傳輸層、現(xiàn)場(chǎng)采集3 個(gè)部分實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控信息技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)有：綜合應(yīng)用強(qiáng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)效率快、簡(jiǎn)單可靠、分站獨(dú)立性好、適應(yīng)快。侯俊［4］在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全檢測(cè)優(yōu)化中提倡礦井的每一水平、每一個(gè)工作面均應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，且需加強(qiáng)對(duì)局部通風(fēng)的管理。趙江平等［5］主要利用圖像識(shí)別技術(shù)在有限空間作業(yè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的不安全行為，提出基于SVM 的不安全行為識(shí)別。仝澤友［6］使用Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型在RGB 圖像上對(duì)皮帶區(qū)礦工不安全行為進(jìn)行識(shí)別與研究，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其不安全行為的檢測(cè)任務(wù)。趙杰等［15］將SENet 注意力機(jī)制與深度殘?jiān)W(wǎng)絡(luò)結(jié)合，使得檢測(cè)任務(wù)準(zhǔn)確度與精度均有所提高。

目前，煤礦企業(yè)智能化建設(shè)中大多引入國(guó)外現(xiàn)有設(shè)備，不利于國(guó)內(nèi)技術(shù)研究。本文利用國(guó)產(chǎn)CPU、供電模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、耦合器模塊、IO 模塊、導(dǎo)軌架構(gòu)等相關(guān)硬件設(shè)施搭載銀河麒麟操作系統(tǒng)，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)搭建煤礦智能化軟硬件平臺(tái)，可以高效、靈活、穩(wěn)定地完成一系列檢測(cè)任務(wù)，如：職工不安全行為檢測(cè)、通風(fēng)質(zhì)量檢測(cè)、排水量檢測(cè)等，進(jìn)而推動(dòng)國(guó)產(chǎn)智能化建設(shè)。本文采用的設(shè)備模塊來(lái)自于不同國(guó)產(chǎn)廠商，因此硬件平臺(tái)搭建較為繁瑣。

1 煤礦智能化軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

當(dāng)前的工程現(xiàn)場(chǎng)通常已安裝部分裝置，如變速器、執(zhí)行器、記錄儀表等，但這些裝置通常不具有EtherCAT 接口，無(wú)法直接接入EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)。為解決該問(wèn)題，可以通過(guò)添加網(wǎng)關(guān)的方式，將EtherCAT 協(xié)議與其他已經(jīng)布置的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如：可以將帶有CAN 接口的設(shè)備連接到CAN 網(wǎng)絡(luò)，并將CANopen 網(wǎng)關(guān)接入EtherCAT 從站；也可以將通過(guò)Modbus 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備連接到Modbus網(wǎng)關(guān)，從而接入EtherCAT 從站。

該系統(tǒng)控制器核心元器件均采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，搭載自主研發(fā)的編程工具SC-Prosys 和上位機(jī)組態(tài)軟件SCProView，產(chǎn)品滿(mǎn)足GB/T 15969 標(biāo)準(zhǔn)，可靠性設(shè)計(jì)符合國(guó)軍標(biāo)。該系統(tǒng)具備以下4 個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：①控制器是基于國(guó)產(chǎn)宇航SPARC 架構(gòu)處理器硬件平臺(tái)；②搭載自主SC-OS 操作系統(tǒng)；③支持Modbus TCP、OPC 等多種協(xié)議；④現(xiàn)場(chǎng)總線采用EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)，安全高效。

經(jīng)過(guò)電源功率規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、節(jié)點(diǎn)容量規(guī)劃等各方面因素綜合考慮，在確定控制器、I/O 模塊和導(dǎo)軌數(shù)目和配置后，即可考慮模塊在導(dǎo)軌上的布局和安裝。煤礦智能化軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Fig.1 System structure of intelligent software and hardware platform of coal mine圖1 煤礦智能化軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的礦井企業(yè)中，只有構(gòu)建設(shè)施完善的軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員不安全行為、通風(fēng)質(zhì)量及排水量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，才能夠滿(mǎn)足智慧礦山中職業(yè)健康與安全系統(tǒng)的任務(wù)需求，從而保障施工人員的人身安全。當(dāng)工作人員出現(xiàn)不安全行為或工作環(huán)境出現(xiàn)狀況時(shí)，該平臺(tái)能夠迅速進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)向集控中心發(fā)出報(bào)警指令，從而快速消除不安全隱患。

軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)如圖2所示。

Fig.2 Software and hardware platform system construction goals圖2 軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

2 煤礦智能化硬件平臺(tái)建設(shè)部署

2.1 平臺(tái)主要設(shè)備

采用兩套PLC 可編程邏輯控制器及相關(guān)模塊搭建煤礦智能化硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)時(shí)對(duì)人員不安全行為、通風(fēng)質(zhì)量及排水量的實(shí)時(shí)檢測(cè)等。煤礦智能化硬件平臺(tái)建設(shè)設(shè)備詳單如表1所示。

Table 1 Detailed list of equipment for the construction of intelligent hardware platform in coal mines表1 煤礦智能化硬件平臺(tái)建設(shè)設(shè)備詳單

2.2 系統(tǒng)主要使用指標(biāo)

為維持設(shè)備的正常使用以保障礦井作業(yè)人員安全，在使用該系統(tǒng)時(shí)需遵循設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)要求，以免因設(shè)備損壞而影響職員健康與人身安全。系統(tǒng)運(yùn)行主要標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3 煤礦智能化軟件平臺(tái)建設(shè)部署

3.1 環(huán)境部署

本文擬采用國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)搭建一套基于國(guó)產(chǎn)自主可控CPU 架構(gòu)的煤礦智能化軟硬件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)時(shí)對(duì)人員不安全行為、通風(fēng)質(zhì)量以及排水量的實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)。在搭載銀河麒麟操作系統(tǒng)的IPC 主機(jī)上配置Python、SC-Prosys 編程環(huán)境。

Table 2 Main criteria for system operation表2 系統(tǒng)運(yùn)行主要標(biāo)準(zhǔn)

SC-Prosys 編程工具用于編寫(xiě)控制PLC 的外接設(shè)備程序。Python 具有可移植性的特點(diǎn)，程序無(wú)需修改即可在任何平臺(tái)上運(yùn)行，因此選用Python 語(yǔ)言環(huán)境部署該系統(tǒng)軟件。

3.2 YOLOv5算法模型

YOLOv5 是YOLO 系列最新算法，是在YOLOv3 基礎(chǔ)上提出的模型，其最大特點(diǎn)是高性能且易于部署。YOLO 算法作為端到端的目標(biāo)檢測(cè)算法，集合了速度與準(zhǔn)確率兩大優(yōu)勢(shì)進(jìn)而成為檢測(cè)領(lǐng)域熱門(mén)算法。相較于通用場(chǎng)景，煤礦井下情況較為特殊，需要兼顧普適性。本文通過(guò)對(duì)工作人員的行為進(jìn)行視頻分析，對(duì)其不安全行為進(jìn)行檢測(cè)。

YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)框架可分為4 個(gè)部分：輸入端、主干網(wǎng)絡(luò)BackBone、Neck、預(yù)測(cè)端Prediction。YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 YOLOv5 network structure圖3 YOLOv5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）輸入端的作用主要是Mosaic 數(shù)據(jù)增強(qiáng)、自適應(yīng)錨框計(jì)算、自適應(yīng)圖片縮放。Mosaic 數(shù)據(jù)增強(qiáng)主要采用圖像拼接、旋轉(zhuǎn)、縮放、反轉(zhuǎn)等處理方式以達(dá)到樣本增強(qiáng)效果。

（2）主干網(wǎng)絡(luò)BackBOne 由Focus 結(jié)構(gòu)、CSP 結(jié)構(gòu)組成。Focus 結(jié)構(gòu)主要是進(jìn)行切片操作，CSP 結(jié)構(gòu)是將原輸入分成兩個(gè)分支，分別進(jìn)行卷積操作使得通道數(shù)減半，一個(gè)分支進(jìn)行Bottleneck * N 操作，然后Concat 兩個(gè)分支，使得BottlenneckCSP 的輸入與輸出是同樣大小，其作用是為了讓模型學(xué)習(xí)到更多的特征。CSP 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是能夠減少計(jì)算量、提升網(wǎng)絡(luò)能力、保證識(shí)別檢測(cè)速度和準(zhǔn)確率。

（3）Neck 部分采用PANet 結(jié)構(gòu)，Neck 主要用于生成特征金字塔。特征金字塔會(huì)增強(qiáng)模型對(duì)于不同縮放尺度對(duì)象的檢測(cè)，從而能夠識(shí)別不同大小和尺度的同一個(gè)物體。

（4）在預(yù)測(cè)階段，根據(jù)不同尺度下的特征對(duì)目標(biāo)圖像通過(guò)損失函數(shù)進(jìn)行類(lèi)別概率和位置坐標(biāo)計(jì)算，最終得到預(yù)測(cè)結(jié)果。

4 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)與可行性分析

4.1 基于改進(jìn)YOLOv5的礦井作業(yè)員工不安全行為檢測(cè)

在煤礦智能化軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)中通過(guò)PLC 控制連接的攝像頭，使用Python 第三方包讀取攝像頭內(nèi)容并通過(guò)幀截取將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)視頻轉(zhuǎn)為圖片，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖片進(jìn)行自主檢測(cè)和自動(dòng)識(shí)別，從而達(dá)到對(duì)不安全行為的實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于礦井員工作業(yè)不安全行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通常采用深度學(xué)習(xí)方式。該方法主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容為：建立數(shù)據(jù)集、搭建學(xué)習(xí)模型、訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、用于識(shí)別檢測(cè)。但對(duì)于礦井員工作業(yè)不安全行為并未有公開(kāi)可使用的數(shù)據(jù)集，因此需要通過(guò)搜集大量礦井員工行為圖片，采用LabelImg 軟件對(duì)圖片進(jìn)行人工標(biāo)注、打標(biāo)簽。建立完數(shù)據(jù)后將其送入搭建的學(xué)習(xí)模型中，按照7∶2∶1 的比例將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集。深度學(xué)習(xí)流程如圖4所示。

Fig.4 Flow of deep learning圖4 深度學(xué)習(xí)流程

由于煤礦工作環(huán)境相比于其他場(chǎng)景更為復(fù)雜，因此在YOLOv5 算法Backbone 中引入注意力機(jī)制SENet 以提高識(shí)別精準(zhǔn)度。SENet 包含Squeeze 和Excitation 兩部分，首先進(jìn)行Squeeze 操作（FSQ（·）），能夠?qū)⒖臻g維度壓縮相當(dāng)于具有全局感受野的池化操作，然后進(jìn)行Excitation 操作，通過(guò)參數(shù)W 為每個(gè)特征通道生成權(quán)重，得到每一個(gè)特征通道的權(quán)重后將該權(quán)重應(yīng)用于原來(lái)每個(gè)特征通道，學(xué)習(xí)不同通道的重要性。SENet結(jié)構(gòu)如圖5所示,Backbone+SENet如圖6所示。

Fig.6 Backbone+SENet圖6 Backbone+SENet

在Backbone 模塊后接SENet 會(huì)經(jīng)過(guò)擠壓、激勵(lì)、注意3步操作。Backbone 模塊通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出圖像特征，圖像特征經(jīng)過(guò)擠壓操作會(huì)保持通道數(shù)C 不變并將H×W 擠壓為1×1，激勵(lì)操作經(jīng)過(guò)全連接層將特征壓縮到C/r 通道，中間使用ReLu 激活函數(shù)再接全連接層將特征恢復(fù)到C 通道，最后使用Sigmoid 函數(shù)獲得歸一化權(quán)重并通過(guò)注意操作加權(quán)到每個(gè)通道特征上。如上所述，通過(guò)在YOLOv5 模型基礎(chǔ)上添加注意力機(jī)制，增強(qiáng)模型對(duì)礦井作業(yè)員工不安全行為特征提取的精準(zhǔn)度。該煤礦智能化軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)可應(yīng)用至井下大部分環(huán)境，如一通三防、地測(cè)防治水、礦山架空乘人索道等。智能化平臺(tái)系統(tǒng)在礦山架空乘人索道環(huán)境下的應(yīng)用實(shí)景如圖7 所示。在礦山架空乘人索道環(huán)境裝置攝像頭，可通過(guò)智能化平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行人員不安全行為檢測(cè)。

Fig.7 Practical application of the intelligent platform system in the environment of the mine overhead passenger ropeway圖7 智能化平臺(tái)系統(tǒng)在礦山架空乘人索道環(huán)境下的應(yīng)用實(shí)景

4.2 礦井通風(fēng)檢測(cè)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是將外部空氣輸送至煤礦采掘工作面及其他人工所在的工作場(chǎng)所，同時(shí)將井下有污染的空氣排至井上地面，保證礦井作業(yè)區(qū)具有適宜的氧氣濃度、較低的瓦斯?jié)舛燃拜^好的空氣質(zhì)量。因此，保證礦井穩(wěn)定可靠的通風(fēng)是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國(guó)通風(fēng)管理存在如下問(wèn)題：目前我國(guó)通風(fēng)管理決策仍以定性分析為主；現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)速傳感器穩(wěn)定性差，測(cè)量誤差大；巷道斷面風(fēng)速分布不均勻，定點(diǎn)傳感器無(wú)法測(cè)得巷道平均風(fēng)量，人工測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)閉合性差，無(wú)法對(duì)井下主要用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量進(jìn)行有效調(diào)控；基于溫度、氣體異常的火情風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法各自獨(dú)立，未實(shí)現(xiàn)融合；火災(zāi)監(jiān)測(cè)沒(méi)有與滅火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)控，難以在第一時(shí)間滅火；通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控智能化嚴(yán)重不足。在環(huán)境惡劣的井下作業(yè)區(qū)域中，不能有效保證人員及設(shè)備的作業(yè)安全性，故將更先進(jìn)的智能化控制技術(shù)用于礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前重要的研究方向和任務(wù)。

智能化礦井軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)條件下礦井通風(fēng)精準(zhǔn)檢測(cè)，從而提高通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)高水平的智能管控，減人提效，確保通風(fēng)系統(tǒng)安全、合理、高效運(yùn)行。在此系統(tǒng)中依托智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及自動(dòng)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)礦井通風(fēng)采集數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分級(jí)預(yù)警分析與智能化調(diào)控等。在整體系統(tǒng)中搭載高精度的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫濕度傳感器等設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線采用EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)完成更安全高效的數(shù)據(jù)傳輸，利用光纖通信及交換機(jī)多次對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理。在軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)可視化、數(shù)據(jù)采集、風(fēng)量調(diào)節(jié)、智能控制、故障診斷等功能，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的智能化分析處理、礦井按需供風(fēng)，保障通風(fēng)系統(tǒng)日常運(yùn)行的科學(xué)性和安全性。礦井通風(fēng)系統(tǒng)框圖如圖8所示。

Fig.8 Block diagram of mine ventilation system圖8 礦井通風(fēng)系統(tǒng)框圖

4.3 煤礦智能化平臺(tái)可行性分析

本實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境采用中電智科有限公司型號(hào)IS23-X1001、400MHZ 的計(jì)算機(jī)處理器，軟件環(huán)境為銀河麒麟操作系統(tǒng)、Pytorch 深度學(xué)習(xí)框架。

銀河麒麟系統(tǒng)具有高安全、高可靠、高可用的特點(diǎn)，具有良好兼容性，兼容國(guó)內(nèi)外主流服務(wù)器、主流數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和外部設(shè)備，支持飛騰、海光等國(guó)產(chǎn)CPU 平臺(tái)。在開(kāi)發(fā)環(huán)境方面，銀河麒麟系統(tǒng)支持QT Creator、Eclipse 等開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)提供配套的C/C++、Java、python、PHP、Go 等主流語(yǔ)言編譯、測(cè)試、調(diào)優(yōu)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。支持網(wǎng)絡(luò)冗余、提供多模式網(wǎng)卡綁定功能，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需求［14］。此外，麒麟系統(tǒng)中安裝的Samba 服務(wù)，使其他操作系統(tǒng)Linux、Windows 等均可作為客戶(hù)機(jī)訪問(wèn)麒麟系統(tǒng)提供的文件，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互［15］。因此，搭建的煤礦智能化軟硬件平臺(tái)可以運(yùn)行Pytorch、keras 等深度學(xué)習(xí)框架以高效穩(wěn)定地完成目標(biāo)檢測(cè)、圖形分類(lèi)、管網(wǎng)控制等任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)與不同操作系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。

5 結(jié)語(yǔ)

煤炭行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一直處于舉足輕重的地位，現(xiàn)代信息化技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷推動(dòng)著傳統(tǒng)煤炭企業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。2020 年2 月，我國(guó)發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》以激勵(lì)煤礦企業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展模式。鑒于此，本文采用國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)搭建基于國(guó)產(chǎn)自主可控CPU 架構(gòu)的煤礦智能化軟硬件平臺(tái)，利用深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)人員煤礦作業(yè)時(shí)的不安全行為檢測(cè)、通風(fēng)質(zhì)量檢測(cè)及排水量實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)，能夠?yàn)楝F(xiàn)有傳統(tǒng)煤礦企業(yè)走向智能化提供建設(shè)性策略支持。煤礦生產(chǎn)安全是重中之重，隨著煤炭開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷增加，亟需依靠科技力量進(jìn)一步化解安全風(fēng)險(xiǎn)。