物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)背景下礦山安全生產(chǎn)應(yīng)急救援信息系統(tǒng)建設(shè)研究

王帥　郝培生　張喜梁　王宇　白建權(quán)　楊忠

【摘? 要】煤礦事故應(yīng)急救援和影響控制關(guān)乎煤炭安全生產(chǎn)和社會穩(wěn)定。在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)背景下，建設(shè)新型礦山安全生產(chǎn)應(yīng)急救援信息系統(tǒng)，將為事故應(yīng)急救援和影響控制提供有效手段。論文在礦山物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)特征基礎(chǔ)上，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了安全生產(chǎn)應(yīng)急救援信息系統(tǒng)，融合物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的礦山安全生產(chǎn)應(yīng)急救援信息系統(tǒng)將為礦山安全生產(chǎn)提供保障。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；應(yīng)急救援；信息系統(tǒng)

【中圖分類號】F273；TP311.5【文獻標志碼】A【文章編號】1673-1069（2023）05-0122-03

1 引言

近年來，國家和地方層面都在努力推進安全發(fā)展理念，全面落實安全責(zé)任。這些工作包括加強安全隱患的識別和處理。目前，安全生產(chǎn)形勢總體穩(wěn)定，安全生產(chǎn)應(yīng)急響應(yīng)體系也在逐步完善[1]。我國煤礦安全生產(chǎn)雖然取得了一定進展，但與國際先進水平相比仍存在一定差距，特別是在預(yù)防重特大安全事故方面[2]。煤礦事故應(yīng)急救援和影響控制關(guān)乎煤炭安全生產(chǎn)和社會穩(wěn)定。礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，促進了生產(chǎn)、安全信息的融合與海量數(shù)據(jù)產(chǎn)生，在物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)背景下[3，4]，信息化產(chǎn)品在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用已成為一個亟待研究的重大課題。如何利用信息化產(chǎn)品預(yù)防事故的發(fā)生，快速準確地定位事故位置，及時調(diào)配救援物資進行應(yīng)急救援，以及控制輿情影響，都是需要深入探究的重要問題。

2 礦山物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)

礦山物聯(lián)網(wǎng)利用各種技術(shù)將礦山數(shù)字化、可視化、智能化，從而實現(xiàn)對礦山運營的實時監(jiān)控和管理。這可以提高礦山的生產(chǎn)效率、降低成本、改善工作環(huán)境和減少安全事故的發(fā)生。礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將融合當(dāng)前煤礦井下各類生產(chǎn)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的信息平臺，消除“信息孤島”，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的共享，這也將促進煤礦大數(shù)據(jù)（Big Data）的產(chǎn)生?！按髷?shù)據(jù)”，具有4V特征，即Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）和Value（價值）[5]。據(jù)統(tǒng)計，一般國有煤礦井上井下各生產(chǎn)子系統(tǒng)多達五六十個，這些系統(tǒng)的信息統(tǒng)一匯集后具備大數(shù)據(jù)特征，大數(shù)據(jù)將推進礦山安全監(jiān)測預(yù)警、安全監(jiān)管和事故應(yīng)急救援從因果關(guān)系走向關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)技術(shù)與學(xué)科融合。

3 基于礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急救援信息系統(tǒng)建設(shè)

3.1 現(xiàn)階段煤礦安全監(jiān)控存在的問題

盡管數(shù)字礦山建設(shè)已經(jīng)促成煤礦建成了各類生產(chǎn)與監(jiān)控系統(tǒng)，但是總體上尚存在以下問題：

①現(xiàn)場感知手段單一。缺乏微機電化集成傳感器?，F(xiàn)有的瓦斯傳感器多采用傳統(tǒng)笨重的催化元件，缺乏MEMS微機電化集成傳感器，難以實現(xiàn)更細致和精準的感知。

②缺乏泛在感知網(wǎng)絡(luò)。目前，礦山缺乏統(tǒng)一的地下無線覆蓋感知層網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)大多基于有線網(wǎng)絡(luò)，不能適用于煤礦流動作業(yè)、危險源位置不確定等場景，存在較多的感知盲區(qū)，難以做到無處不在的安全感知全覆蓋。

③缺乏應(yīng)用層面的信息融合和決策融合。盡管煤礦綜合自動化已實現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成，但是應(yīng)用系統(tǒng)之間的聯(lián)動與信息融合、決策融合還沒有得到充分發(fā)展，各應(yīng)用系統(tǒng)之間難以形成有機的整體。

④多學(xué)科研究融合度低。煤礦安全和礦山綜合治理涉及地質(zhì)、測量、水文、監(jiān)測監(jiān)控、智能信息處理技術(shù)等多學(xué)科交叉研究，但是各學(xué)科之間的融合度不夠，難以形成協(xié)同聯(lián)動的效應(yīng)。

礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以有效解決這些問題，其核心是感知井下生產(chǎn)設(shè)備狀況信息、人員環(huán)境安全信息、人員動態(tài)信息和基于大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用開發(fā)。

3.2 礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急救援信息系統(tǒng)的要求

按照應(yīng)急管理時間序列，事前應(yīng)能捕集各類安全狀態(tài)信息和預(yù)警信息，做好應(yīng)急物資管理、應(yīng)急專家?guī)旃芾?。在事故?yīng)急過程中，通過礦山物聯(lián)網(wǎng)，能及時發(fā)現(xiàn)遇險人員的生命狀態(tài)和位置，動態(tài)反應(yīng)井下災(zāi)害實時情況，為救援指揮提供實時信息，準確預(yù)測事故的發(fā)展，為應(yīng)急措施的制定提供準確有效的信息，縮短搜救時間。同時借助地面物聯(lián)網(wǎng)可以迅速查找、調(diào)用周邊資源開展應(yīng)急工作。建立輿情影響控制系統(tǒng)，及時發(fā)布消息、正確引導(dǎo)輿論，降低事故社會影響。

3.3 基于礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急救援信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在煤礦信息化系統(tǒng)中存在多個獨立的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不盡相同，導(dǎo)致這些系統(tǒng)之間難以互相連接和通信。為了解決這個問題，在應(yīng)用層之前設(shè)計一個數(shù)據(jù)服務(wù)接口，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得感知層和應(yīng)用層中的各個系統(tǒng)可以更高效地互聯(lián)互通。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3.1 感知層

主要功能是信息的感知與采集，通過RFID標簽讀寫器、傳感器（溫度、濕度、壓力傳感器和瓦斯等氣體傳感器）、視頻攝像頭等設(shè)備，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制任務(wù)。其井下布置如圖2所示，各類傳感器通過網(wǎng)關(guān)采用無線方式接入骨干環(huán)網(wǎng)或者直接通過分站接入。

3.3.2 傳輸層

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸分為兩個方面：數(shù)據(jù)接入和網(wǎng)絡(luò)傳輸。數(shù)據(jù)接入負責(zé)收集末端設(shè)備的數(shù)據(jù)，并通過不同的通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)建立連接，以實現(xiàn)信息交互。網(wǎng)絡(luò)傳輸則由傳感器節(jié)點構(gòu)成的傳感網(wǎng)來完成，這些節(jié)點負責(zé)采集、傳輸和存儲數(shù)據(jù)，以滿足不同的應(yīng)用需求。

3.3.3 處理層

對大規(guī)模數(shù)據(jù)進行分析和分類，并只傳輸應(yīng)用層某個系統(tǒng)需要的有用信息。此過程需要高效的存儲和調(diào)取方法。

3.3.4 應(yīng)用層

在應(yīng)用層中，數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換、篩選、分析處理才能為用戶提供實際價值。因此，應(yīng)用層的處理能力和算法能力非常重要，他們決定了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能和實用價值。同時，應(yīng)用層還需要與其他層級和系統(tǒng)進行有效的交互和協(xié)同，以便實現(xiàn)全面的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

3.4 基于礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急救援體系

3.4.1 災(zāi)害預(yù)警與事故信息獲取和處理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在災(zāi)害中應(yīng)用，迅速準確地獲取和綜合處理信息，建立高效的信息處理平臺。礦山物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急救援系統(tǒng)具備以下功能：

①為了對煤礦的生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境進行監(jiān)測，可以給他們裝上RFID標簽和各種類型的傳感器，以獲取他們的靜態(tài)和動態(tài)信息，包括物質(zhì)屬性、環(huán)境狀態(tài)和行為態(tài)勢等。這些信息可以通過協(xié)同處理的方式進行在線計算和控制，并通過連接其他設(shè)備與單元進行資源共享和交互，這樣可以實現(xiàn)對設(shè)備運行狀況的動態(tài)跟蹤。

②使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對煤礦內(nèi)人員進行定位和動態(tài)管理，可以實時監(jiān)控工人在各個工作崗位的工作情況，同時也能掌握井下人員的位置分布。通過附近RFID設(shè)備之間的信息交互，可以判斷作業(yè)環(huán)境是否符合要求，一旦發(fā)生災(zāi)害事故，能夠及時發(fā)布撤離指令和逃生路線。此外，在特殊作業(yè)過程中，這種技術(shù)還可以起到監(jiān)護人的作用，甚至能夠發(fā)現(xiàn)工人違反規(guī)定的行為，如瓦檢員是否按照規(guī)程操作，從而避免事故的發(fā)生。

③利用云計算技術(shù)，對系統(tǒng)產(chǎn)生大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，進行關(guān)聯(lián)分析與計算，以形成各類應(yīng)用系統(tǒng)。例如，將礦井瓦斯傳感器數(shù)據(jù)、風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)和礦井通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)礦井風(fēng)量、瓦斯?jié)舛确植嫉膶崟r動態(tài)分析，以及災(zāi)變時期溯源追蹤。

3.4.2 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行綜合救災(zāi)部署

①緊急救援。在災(zāi)害發(fā)生后，通過廣泛布置 RFID 無線傳感器，及時了解災(zāi)區(qū)溫度、水文、風(fēng)速等參數(shù)的變化情況，為救援人員提供準確的預(yù)警信息，以便對人員進行定位、轉(zhuǎn)移和安置。

②現(xiàn)場調(diào)度。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的信息平臺，現(xiàn)場調(diào)度人員與后方組織人員保持密切聯(lián)系，及時傳遞災(zāi)區(qū)各類重要信息，為指揮中心做出及時、正確的判斷提供支持，確保救援工作的高效有序進行。

③救援物資調(diào)配。將救援設(shè)備、食物、飲用水和醫(yī)療器械等物資準確快速地送往災(zāi)區(qū)并進行分配是救援工作的重要環(huán)節(jié)。通過采用射頻識別技術(shù)（RFID）對各類物資進行電子便簽唯一編碼，能迅速識別物品的類別、保質(zhì)期等重要數(shù)據(jù)，確保數(shù)量型號龐雜的救援物資完整有效地進行分配。同時，對救援車輛進行GPS定位導(dǎo)航，能夠準確監(jiān)控車輛信息，進行調(diào)配。

4 大數(shù)據(jù)在礦山應(yīng)急救援中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展給礦山應(yīng)急救援帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。在礦山應(yīng)急救援信息系統(tǒng)建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以用于實時監(jiān)測礦山設(shè)備狀態(tài)、預(yù)警異常情況、快速反應(yīng)和處置突發(fā)事件，從而提高礦山安全生產(chǎn)水平。同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以幫助礦山管理者更好地理解礦山生產(chǎn)過程、挖掘潛在風(fēng)險、快速響應(yīng)突發(fā)事件，并制定更加科學(xué)的應(yīng)急管理方案。因此，建設(shè)基于礦山物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的礦山應(yīng)急救援信息系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

大數(shù)據(jù)在應(yīng)急管理中的應(yīng)用可以分為事前、事中和事后3個階段。在事前階段，大數(shù)據(jù)可以用于風(fēng)險評估、預(yù)警分析和應(yīng)急演練等方面。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘，可以發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險和隱患，制定相應(yīng)的預(yù)防措施和應(yīng)急預(yù)案，并進行實際應(yīng)急演練，以提高礦山應(yīng)對突發(fā)事件的能力。在事中階段，大數(shù)據(jù)可以用于實時監(jiān)測和控制，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、人員定位和救援指揮等方面。通過實時數(shù)據(jù)采集和分析，可以快速發(fā)現(xiàn)問題和異常情況，及時采取措施，避免和減少事故的發(fā)生和擴大。在事后階段，大數(shù)據(jù)可以用于事故分析和應(yīng)急處置后的評估，包括對事故原因、應(yīng)急響應(yīng)效果和救援措施等方面進行全面的數(shù)據(jù)分析和評估，為今后的應(yīng)急管理提供經(jīng)驗和借鑒?；究蚣苋鐖D3所示。

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用可以為我國安全生產(chǎn)提供強大的支持和保障，為經(jīng)濟、社會的穩(wěn)健發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)下的礦山安全應(yīng)急管理信息系統(tǒng)建設(shè)，既需要完善底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能傳感器等硬件設(shè)備和應(yīng)急管理軟件建設(shè)，也需要從大數(shù)據(jù)應(yīng)用角度，轉(zhuǎn)變應(yīng)急管理方式和管理思維，才能真正有效建設(shè)和應(yīng)用現(xiàn)代礦山安全應(yīng)急管理系統(tǒng)。

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