地下黃金礦山安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)研究與應用

陳連韞　國禎翔　侯杰　趙威　吳立活　劉迪

摘要：針對智能礦山建設背景下的安全風險管控新特征，在全面分析系統(tǒng)建設功能需求的基礎上，對地下黃金礦山安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)的體系框架進行設計，分析了系統(tǒng)中安全風險管控的智能化要素，同時對系統(tǒng)的數據交互方式進行了規(guī)劃。基于機器視覺、物聯網和智能標識技術，實現了系統(tǒng)中的人員、設備等系統(tǒng)主數據的獲取與規(guī)范化處理，最終完成了地下黃金礦山的安全風險管控體系及面向人機環(huán)管相集成的系統(tǒng)功能的構建。系統(tǒng)的構建與應用，極大地提高了礦山安全風險管理體系化、信息化和智能化水平，在行業(yè)內具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：安全風險；地下黃金礦山；智能礦山；管控系統(tǒng)；系統(tǒng)構建

中圖分類號：TD679文章編號：1001-1277（2023）09-0054-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230909

引 言

隨著礦山開采深度的逐步加深、生產任務壓力的逐漸增大及各級政府對安全生產要求的不斷提高，地下黃金礦山來自安全生產方面的壓力日益增大，現有的分散的安全風險管理模式已不能滿足全員本質安全管控的需要，這也要求礦山不斷加大管理力度、擴大管理范圍，以更為系統(tǒng)和全局化的視角來進行安全風險管理。而新型裝備、技術、系統(tǒng)的大范圍應用，在給生產工藝和管理模式帶來深刻變化的同時，也使得生產系統(tǒng)運行變得復雜多變，安全風險的產生主體更加分散化和多樣化，極大地增加了地下黃金礦山安全風險管理工作的難度［1-2］。

安全風險管理理論的逐步完善及智能化、信息化技術的飛速發(fā)展為礦山安全風險管理方式的變革創(chuàng)造了條件。許多礦山根據自身安全管理需求建設了相應的管理系統(tǒng)［3-4］，覆蓋安全隱患排查、危險源辨識、勞保用品標準化管理、安全培訓等業(yè)務。LIU等［5］構建了基于主動安全的安全培訓模式，以減少或消除職工的不安全行為。ZHOU等［6］構建了職業(yè)安全健康管理與風險控制體系，提高了礦山職業(yè)安全衛(wèi)生管理的信息化水平。QI等［7］研發(fā)了礦山應急預警指揮信息系統(tǒng)，為應急響應決策提供了快速有效的數字化平臺。然而，現有的礦山安全風險業(yè)務管理系統(tǒng)的研究與應用主要集中在針對單一業(yè)務的信息化，缺少對于安全管理體系的整體規(guī)劃，這就要求礦山企業(yè)立足于系統(tǒng)工程思維，構建覆蓋礦山安全風險管理各項業(yè)務的黃金礦山智能化安全風險管理新模式。

因此，本研究從安全生產知識體系、完善的安全保障體系、集成化的現場安全生產信息管理和安全生產信息統(tǒng)計分析與展示等4個方面全面規(guī)劃地下黃金礦山的安全風險管控體系，結合物聯網、機器視覺等先進技術及智能移動終端等輔助設備，研究與開發(fā)智能化安全風險綜合管控系統(tǒng)，將現場安全管控從以井下安全檢查為主全面擴展應用至設備、人員、環(huán)境等安全要素，重新整合傳統(tǒng)的安全管理業(yè)務并擴展延伸，形成人機環(huán)管多要素、多主題的“大安全”管控模式，提高地下黃金礦山安全風險管控總體水平。

1 安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)需求分析

1.1 智能礦山背景下的安全風險管控新特征

智能礦山的建設使傳統(tǒng)的采礦業(yè)在管理模式、組織結構、采礦工藝、決策方式等方面發(fā)生全新變革，在安全、綠色的基礎上突出高效、智能，礦山生產過程控制與生產經營管理的智能化升級也驅動著安全管控方式的轉變。

1）安全管控主體由人擴大至“人機物管環(huán)”系統(tǒng)。智能礦山建設帶來了企業(yè)生產組織形式變革，大型機械裝備、自動化系統(tǒng)輔助施工作業(yè)，導致礦山安全管理主體增多，其組織和管理難度加大，安全管控從以“人”為主體向“人機物管環(huán)”要素相耦合的模式轉變。

2）安全管控技術手段趨于多樣化、自動化。智能化技術為礦山安全管控手段和方式的變革帶來了新動力，現場大量工作由自動化系統(tǒng)替代，人工智能、圖像識別、傳感裝置、新的網絡模式、移動終端的應用也改變了礦山安全監(jiān)管形式和安全數據獲取方式。

3）“人機物管環(huán)”要素在每一項安全管理主題中交叉、集成體現。礦山安全管理模式以業(yè)務場景為中心進行歸集，形成安全培訓、安全保障、現場安全檢查為核心的業(yè)務管理體系，在每項業(yè)務中交織著“人機物管環(huán)”要素，導致安全管理主線不明，數據受限于業(yè)務主體。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

針對現代化礦山安全管理新需求，從體系完整性角度出發(fā)，對礦山現有安全管理業(yè)務進行重新整合與梳理，將管理和技術作為安全風險管控體系的核心部件，對礦山安全風險管理的具體流程加以梳理和優(yōu)化，全面了解與掌握礦山安全生產管理工作的內涵。

1）安全生產知識管理。建立多類安全專題知識庫，結合礦山安全培訓的管理難點和應用需求，有重點地對各類人員進行精細化培訓。實現便捷化學習與考試，并對員工考試情況進行智能分析。

2）安全生產保障管理。對礦山實現本質安全主題建設所涉及的系統(tǒng)進行總結聚類，構建覆蓋安全投入、職業(yè)健康及勞動保護等功能在內的安全生產保障體系。

3）現場安全生產管理。以先進的風險管理體系為理論基礎，優(yōu)化雙重預防體系管理過程，在此基礎上實現礦山特種設備及應急救援的智能化管理。

4）安全生產信息統(tǒng)計分析?；诳梢暬ぞ叽罱ò踩L險管控信息綜合看板，根據管控層級、職責需要提供不同粒度的安全風險數據，明確安全風險管控現狀，提高安全風險分析與管控水平。

2 安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)設計

2.1 安全風險智能化管控體系框架

安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)從安全風險管理的事前、事中和事后全流程入手，從更為系統(tǒng)和全局化的視角，以“人機物管環(huán)”集成的安全管理為核心理念，主要解決安全風險的管理問題。其中，事前主要體現在完善制度、全員培訓、形成文化、加強保障，立足于全員安全；事中通過引入人員智能識別、設備電子標簽、環(huán)境物聯網智能標識等多重智能化方法，實現作業(yè)過程的“人機物管環(huán)”集成管控理念下的全員本質安全；事后則借助數據統(tǒng)計分析的結果，進一步提升安全風險管控效率、完善風險管理體系，借助數據可視化實現風險信息的深入分析。安全風險智能化管控體系框架如圖1所示。

2.2 安全風險智能化管控的智能化要素

“人機物管環(huán)”集成的智能安全，首先需要解決安全要素，即人、機、環(huán)境的實時智能標識。本次研究分別采用機器視覺、物聯網平臺及電子標簽來解決這一問題。

1）機器視覺技術。該技術在礦山安全風險管理領域的應用場景主要包括基于人臉識別的人員身份認證及下井車輛人員安全狀態(tài)智能分析等，可用于結合人員檔案信息形成“人員”主數據。

2）物聯網平臺。通過搭建一體化、智能化的物聯網服務平臺實現自動化系統(tǒng)間的實時聯動，綜合、動態(tài)地采集與融合多源信息，實現了現實世界和物理世界的關聯。

3）智能標簽技術。基于智能標識生成與管理技術，解決設備、環(huán)境標識標準不統(tǒng)一，無法實現跨系統(tǒng)、跨業(yè)務、跨平臺的信息共享和互聯互通的問題。

2.3 系統(tǒng)數據交互方式設計

針對地下黃金礦山安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)的體系框架及主要功能，總結各主要功能模塊及系統(tǒng)與數據中心之間的數據流轉過程，得到如圖2所示的智能安全系統(tǒng)數據流程。

1）智能安全系統(tǒng)需要的人力資源數據、設備信息和六大系統(tǒng)的數據等均通過數據中心采集處理后提供。主要包括歷史安全生產數據、礦山人員信息、組織機構數據及井下實時數據等。

2）人臉識別終端為安全生產培訓體系提供人臉實時檢測數據，通過人臉數據庫及數據中心提供的人員信息進行培訓和考試人員身份的確認，實現安全培訓考核的公平有效性。

3）基于物聯網平臺構建井下設備和地點的統(tǒng)一標識，現場安全生產體系根據其提供的標識信息進行基于設備和地點的現場安全隱患排查，結合組織機構數據和人員信息完成相關業(yè)務流程。

4）組織機構數據和人員檔案信息等被用于安全生產保障體系中勞動保護品發(fā)放、職業(yè)健康管理、應急救援管理及外委單位管理等業(yè)務的實現。

5）安全生產知識庫的數據來源于現場安全生產體系提供的現場安全隱患排查、風險分級辨識數據及安全生產保障體系提供的人員考核數據、礦山安全投入、安全事故數據等。

6）數據經過安全風險數據分析模型處理后，輸出礦山安全分析結果，通過可視化界面進行集成化展示。

3 安全風險智能化綜合管控系統(tǒng)實現

智能化安全風險綜合管控系統(tǒng)從“大安全”的角度出發(fā)，重新整合地下黃金礦山的安全管理業(yè)務并擴展延伸，以智能標識為主數據，面向“人機物管環(huán)”全要素構建了貫穿礦山整個生產經營業(yè)務的安全管理體系，橫向跨越生產、安全、經營、設備、自動化等業(yè)務主體，縱向打通風險、隱患、培訓、考核、應急、證照等安全業(yè)務對象。

1）安全生產知識體系?；谌藛T身份精準推送操作規(guī)程、崗位風險點信息、自救互救知識、應急預案等安全知識；基于智能移動終端實現便捷化、自主化學習與考試，實時評測員工考試成績并對員工考試情況進行智能分析，輔助管理人員針對薄弱環(huán)節(jié)進行重點培訓及改進。

2）現場安全生產體系。建立基于規(guī)范化采場信息的風險分級管控清單，全面識別礦內風險因素，利用風險評價算法實現安全風險智能分級。實現從現場排查、隱患登記、指派整改、整改反饋、復查驗收的隱患閉環(huán)治理全流程移動端覆蓋。構建考核標準庫、量化考核標準，結合視頻監(jiān)控和人員定位數據，智能辨識人員的不安全行為，根據實際情況快速獎懲。雙重預防機制信息化管理界面如圖3、圖4所示。

3）安全生產保障體系。整合通風自動化、粉塵檢測儀、噪聲檢測儀等監(jiān)測數據，根據員工崗位，智能匹配相關防護措施與可能導致的職業(yè)病信息，實現職業(yè)病的精準預防。構建勞保發(fā)放電子檔案，實現勞保發(fā)放標準、發(fā)放計劃及發(fā)放確認等相關業(yè)務的信息化；根據勞保物品的評價反饋信息及消耗情況，實現勞保物品庫存的智能動態(tài)管理。

4）安全生產信息分析與可視化。通過將分散的、不同介質的、多元異構的安全風險信息有機集成，實現數據分析與可視化功能的實體化與系統(tǒng)化，為礦山不同安全管理層級提供有力的數據支撐。安全風險信息分析與可視化界面如圖5所示。

4 智能化安全風險綜合管控系統(tǒng)構建關鍵技術

4.1 基于機器視覺的人員要素辨識

采用卷積神經網絡和局部二值模式（Local Binary Pattern，LBP）相結合的方式提取人臉特征。人臉識別與認證流程如圖6所示。主要包括人臉檢測定位、人臉圖像預處理、特征提取對比識別等環(huán)節(jié)。通過“人員”主數據串聯，實現教育培訓—在線考試—績效考核多業(yè)務聯動。

4.2 基于物聯網標識的非人員要素辨識

構建邏輯集中、物理分散的統(tǒng)一標識管理與公共服務平臺。對全礦各類二維碼標識進行規(guī)則制定，統(tǒng)一生成、解析與管理，具備標準化協(xié)議接口，能夠保證業(yè)務系統(tǒng)可以調取二維碼內的字符串信息，實現各物聯網應用間信息的互聯互通，支撐全礦范圍內的物聯網統(tǒng)一標識大規(guī)模規(guī)范化應用。主數據二維碼管理平臺用于對全礦同源共享的作業(yè)地點、職員、設備、物資備件等主數據的二維碼進行統(tǒng)一管理，確保生成的二維碼在全礦唯一，通過掃描二維碼即可區(qū)分該碼所代表主數據的種類和唯一編碼，主數據二維碼統(tǒng)一管理平臺架構如圖7所示。

5 結 論

安全生產是礦山生產運營中備受關注的主題，也是智能礦山建設的重要內容之一。本文從礦山安全管理業(yè)務需求出發(fā)，規(guī)劃了風險分級管控、安全閉環(huán)管理、教育培訓考核等十余個子模塊，形成了一套綜合完整的集成化安全管控系統(tǒng)，并進一步借助數據分析及可視化技術，系統(tǒng)化、多維度地反映礦山的安全現狀，形成清晰、直觀的安全生產信息來輔助決策，帶來安全管控效率的大幅提升。

1）形成了“大安全”管理理論指導下的黃金礦山安全風險管控模式。本研究著力于全員安全、本質安全與主動安全理論的實體化與可操作化，將安全主體擴展至生產全員，并從生產前的安全保障與危險源預防、生產過程中的監(jiān)測預警與隱患排查、風險排查處理后的分析評價的角度，從生產進程、安全主體及風險管控對象等多個層面規(guī)劃實施了黃金礦山“大安全”指導下的風險管控體系。

2）提出了智能礦山建設背景下多樣化安全主體的智能辨識方式。針對安全風險管控中安全主體多樣化、位置不固定、分布不集中等問題，本研究采用以機器視覺進行人員識別、以物聯網電子標簽進行設備識別、以二維碼標簽進行關鍵作業(yè)地點的識別。物聯網、機器視覺、電子標簽相融合，3種技術的統(tǒng)合應用解決了人機環(huán)管相集成的安全風險管控中安全主體的精準識別問題。

3）基于多場景協(xié)同應用的部署要求，研發(fā)并應用了智能安全風險管控系統(tǒng)。重新整合地下黃金礦山安全風險管理業(yè)務并擴展延伸，以智能標識為主數據，面向“人機物管環(huán)”全要素構建了貫穿礦山整個生產經營業(yè)務的安全管理體系。系統(tǒng)實現了現場安全生產體系管理、安全生產保障、雙重安全預防體系管控等功能，有力促進了安全風險的實時、精準管控。

［參 考 文 獻］

［1］EZZEDDIN B，SAMUEL Y.Assessment of workplace accident risks in underground collieries by integrating a multigoal cause-and-effect analysis method with MCDM sensitivity analysis［J］.Stoch.Environ.Res.Risk-Assessment，2018，32：3 317-3 332.

［2］GAO R，ZHOU K，YANG C，et al.An Underground mine risk identification model and safety management method based on explanation graph-probabilistic multi-plan analysis（EG-PMPA）［J］.IEEE Access，2020，8：223 214-223 233.

［3］WANG X.Development of digital technologies for the systems of remote mining safety monitoring［C］∥ISCCAC.In proceedings of the 2nd international conference on economy，management and entrepreneurship（ICOEME 2019）.Voronezh：ISCCAC，2019，85：252-255.

［4］CHEN W，WANG X.Coal mine safety intelligent monitoring based on wireless sensor network［J］.IEEE Sens.J，2020，21：25 465-25 471.

［5］LIU H Y，GUAN，H H，ZHAO Z Y.Study on active safety training methods in coal industry［J］.Adv.Mater.Res，2013，726-731，921-925.

［6］ZHOU L，CAO Q，YU K，et al.Research on occupational safety，health management and risk control technology in coal mines［J］.Int.J.Environ.Res.Public Health，2018，15：868.

［7］QI L X，YANG X.Research on a coal mine emergency command information system［J］.Appl.Mech.Mater，2011，58-60，2 564-2 569.

Research and application of intelligent comprehensive control system for safety risks in underground gold mines

Chen Lianyun1，Guo Zhenxiang2，Hou Jie1，Zhao Wei2，Wu Lihuo3，Liu Di4

（1.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing;2.Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Group Mining （Laizhou） Co.，Ltd.; 3.Minera Las Bambas S.A.; 4.China Minmetals Nonferrous Metals Co.，Ltd.）

Abstract：In response to the new characteristics of safety risk management in the context of intelligent mining，this study designs a framework for an intelligent comprehensive control system for safety risk in underground gold mines，based on a comprehensive analysis of the functional requirements of the system.The intelligent elements of safety risk management within the system are analyzed，and the data interaction methods of the system are planned.By leveraging machine vision，Internet of Things （IoT），and intelligent identification technologies，the acquisition and standardized processing of key data such as personnel and equipment are realized within the system.This ultimately leads to the construction of a safety risk control system for underground gold mines and the integration of human-machine-environment management functionalities.The implementation and application of the system significantly enhance the standardization，informatization，and intelligence level of safety risk management in the mining industry，demonstrating considerable value for promotion and application in the field.

Keywords：safety risk;underground gold mines;intelligent mining;control system;system construction

收稿日期：2023-05-10; 修回日期：2023-06-30

基金名稱：國家自然科學基金項目（52074022）

作者簡介：陳連韞（1989—），男，工程師，博士研究生，研究方向為智能礦山、大數據分析；E-mail：chenlianyun@sd-gold.com