范永鑫　吳強,2　楊百順,2　王鍇　李逸

(1.四川省安全科學技術(shù)研究院,四川成都　610045;

2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州　221116)

預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)研究與應(yīng)用

范永鑫1吳強1,2楊百順1,2王鍇1李逸1

(1.四川省安全科學技術(shù)研究院,四川成都610045;

2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州221116)

針對四川省小煤礦私挖濫采現(xiàn)象,通過研發(fā)新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計數(shù)系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù),實現(xiàn)了對小煤礦出入井人員的實時監(jiān)控、統(tǒng)計和對比,實現(xiàn)了“失蹤”報警和“超員”報警,達到了預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的要求。該項技術(shù)已在四川省多個小煤礦進行了應(yīng)用,取得了較好的效果,有效預(yù)防了小煤礦私挖濫采行為。

私挖濫采人員定位視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

四川省煤礦瓦斯災(zāi)害嚴重，生產(chǎn)規(guī)模小，除少數(shù)國有重點煤礦外，大部分為民營小煤礦[1]。多數(shù)小煤礦專業(yè)技術(shù)人員缺乏，業(yè)主和從業(yè)人員安全意識差，為獲得高額利潤，私挖濫采現(xiàn)象時有發(fā)生。為了應(yīng)付安監(jiān)部門的檢查，小煤礦采取多種方式將私挖濫采區(qū)域進行掩蓋隱藏， 如設(shè)置臨時密閉、柵欄，虛設(shè)風門風窗等，造成私挖濫采區(qū)域通風不良，微風或無風作業(yè)，瓦斯積聚[2，3]，安全隱患嚴重，極可能釀成瓦斯爆炸事故[4]。攀枝花西區(qū)“8·29”肖家灣煤礦瓦斯爆炸事故和瀘縣“5·11”桃子溝煤礦瓦斯爆炸事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩個小煤礦均存在私挖濫采現(xiàn)象，且都是由于私挖濫采造成了嚴重的瓦斯爆炸事故。這兩起慘痛的事故教訓(xùn)告誡我們，必須研究一種可預(yù)防煤礦私挖濫采行為的技術(shù)并廣泛應(yīng)用于四川省小煤礦，從源頭上杜絕小煤礦私挖濫采行為，保護小煤礦職工的生命安全，提高安全監(jiān)管部門監(jiān)管水平，維護社會穩(wěn)定大局。

目前，國內(nèi)外關(guān)于預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的研究尚屬空白。為解決此項難題，四川省安全科學技術(shù)研究院在現(xiàn)有煤礦井下人員定位系統(tǒng)[5，6]的基礎(chǔ)上，研發(fā)了新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)和視頻監(jiān)控[7，8]煤礦出入井人員自動計數(shù)系統(tǒng)，并研發(fā)了人員定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)，可對煤礦出入井人員進行實時監(jiān)控、統(tǒng)計和對比，可實現(xiàn)“失蹤”報警和“超員”報警，從而達到了預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)要求。該項技術(shù)已在四川省多個小煤礦進行了應(yīng)用，取得了較好的效果，有效預(yù)防了小煤礦私挖濫采行為。

1　新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)

1.1現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)漏洞分析

目前，四川省小煤礦使用的人員定位系統(tǒng)是一種區(qū)域定位，不能有效起到監(jiān)控作用，而且其采用的算法存在漏洞:當人員走出當前的識別器的識別范圍，而未進入下一個臨近識別器的識別范圍時，系統(tǒng)默認為人員在兩者之間;當人員走出某一識別器的識別范圍，而前方又沒有安裝識別器時，則顯示人員在該識別器附近。這種固定算法的重要弊端是不會產(chǎn)生人員失蹤的情況，會出現(xiàn)人員進入私挖濫采區(qū)域(非法區(qū)域)進行作業(yè)，而人員定位系統(tǒng)監(jiān)控上仍顯示人員在合法生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的情況，因此，對私挖濫采的行為起不到監(jiān)控的作用，如圖1所示。

圖1中的圓圈代表人員定位系統(tǒng)識別器的識別范圍。如果入井人員走出3或4的識別范圍而未進入6或5的識別范圍，則人員定位系統(tǒng)就會默認為人員在3和6之間的巷道內(nèi)或4和5之間的巷道內(nèi)，此時如果人員進入到私挖濫采區(qū)域進行作業(yè)，但人員定位系統(tǒng)監(jiān)控上會顯示人員仍然在主平硐和副平硐的巷道內(nèi)，給私挖濫采留下了監(jiān)控漏洞。

1.2新型人員定位系統(tǒng)的功能設(shè)定

四川省安全科學技術(shù)研究院研發(fā)的新型人員定位系統(tǒng)對現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)進行了改進，改變了其算法，引入了“失蹤”概念，并做到了“失蹤”超時報警，即:當人員走出某一識別器的識別范圍而未進入另一識別器的識別范圍時，系統(tǒng)設(shè)定該人員處于“失蹤”狀態(tài)，并對失蹤時間進行限定，當失蹤時間超過限定值時(如20m in)，系統(tǒng)將向縣安全監(jiān)管部門報警，表明失蹤人員進入了私挖濫采區(qū)域進行非法作業(yè)，縣級安全監(jiān)管部門接到報警后，可及時進行查處并上報上級主管部門。

新型人員定位系統(tǒng)識別器的識別范圍可達25m，識別器的安裝間距為50m，可實現(xiàn)對小煤礦所有批準作業(yè)區(qū)域人員定位全覆蓋，不留空當和死角，一旦有人員不在批準作業(yè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)，系統(tǒng)將無法識別到該人員，立即進行“失蹤”記時，超過限定時間即刻報警，可有效遏制煤礦的私挖濫采行為。

2　視頻監(jiān)控出入井人員自動計數(shù)系統(tǒng)

2.1現(xiàn)有出入井人數(shù)統(tǒng)計方法存在的問題

目前，四川省小煤礦的出入井人數(shù)統(tǒng)計方法存在較大的問題。

多數(shù)小煤礦出入井人數(shù)統(tǒng)計依靠人工記錄和人員定位系統(tǒng)自動記數(shù)。人工記錄給了小煤礦弄虛作假的機會，少記錄或不記錄現(xiàn)象時常發(fā)生，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)不可靠;另外，人員定位系統(tǒng)自動記錄出入井人數(shù)也存在較大問題:當出入井人員不帶識別卡或攜帶壞的識別卡出入井時，人員定位系統(tǒng)無法對該類人員進行計數(shù)，造成實際出入井人數(shù)大于人員定位系統(tǒng)記錄人數(shù);當煤礦工人為了增加考勤數(shù)量，多帶識別卡、替人帶卡出入井時，人員定位系統(tǒng)記錄人數(shù)又將大于實際出入井人數(shù)，即人員定位系統(tǒng)無法對出入井人數(shù)進行準確統(tǒng)計。

兩種統(tǒng)計方法均存在較大問題，造成小煤礦出入井人數(shù)無從驗證，煤礦工人不帶卡、帶壞卡、多帶卡、超員作業(yè)時常發(fā)生，而安全監(jiān)控系統(tǒng)卻很難發(fā)現(xiàn)，給小煤礦私挖濫采留下了巨大漏洞。

2.2視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計數(shù)系統(tǒng)

四川省安全科學技術(shù)研究院研發(fā)的視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計數(shù)系統(tǒng)采用基于CCD圖像傳感器的人數(shù)統(tǒng)計技術(shù)[9，10]，其基本原理是:將運動區(qū)域統(tǒng)計算法和圖像特征神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，綜合運算得出準確出入井人數(shù)。兩種算法的原理如下:

運動區(qū)域統(tǒng)計算法:在固定攝像頭里提取出運動區(qū)域，根據(jù)這些運動區(qū)域進行統(tǒng)計。當運動區(qū)域和人的大小相似的時候，就可以認為有一個人通過。當多個人距離較近的時候，采用人體大小的先驗知識，把一個運動區(qū)域分割為多個單人區(qū)域，從而對人數(shù)進行估計。當然，視頻流是實時連續(xù)的，運動區(qū)域的檢測和分割需要在每一幀內(nèi)不停地計算。此外還要對幀間的運動區(qū)域進行跟蹤，把不同時間的運動區(qū)域連接起來，從而給出正確的人數(shù)和行人運動方向。

圖像特征神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法:在圖象中采集一些反應(yīng)人體特點的比較粗糙的特征，比如圖象邊緣密度，然后通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)學習人數(shù)與圖象特征之間的非線性關(guān)系，從而得出正確的人數(shù)。

該系統(tǒng)采用頂裝方式安裝，固定攝像頭俯視檢測區(qū)域，檢測范圍覆蓋全井口。當煤礦出入井人員到達檢測區(qū)域時，固定攝像頭采集圖像信息并實時顯示，同時經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部計算，得出人員的行走方向、數(shù)量和時間等參數(shù)。

3　視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)

為了有效監(jiān)控小煤礦入井人員，防止小煤礦入井人員不帶識別卡、帶壞識別卡進入到私挖濫采區(qū)域進行非法作業(yè)，四川省安全科學技術(shù)研究院研發(fā)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。

圖1　小煤礦人員定位系統(tǒng)監(jiān)控示意圖

該技術(shù)利用Ethereal對井下人員定位系統(tǒng)通信協(xié)議和視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻信號進行解析[11，12]，并將其數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)將井下人員定位系統(tǒng)識別到的入井人數(shù)同視頻監(jiān)控系統(tǒng)識別到的入井人數(shù)進行實時對比，當視頻監(jiān)控系統(tǒng)識別到的人數(shù)多于人員定位系統(tǒng)識別到的人數(shù)時，系統(tǒng)將進行“超員”報警，表明有人員未帶識別卡或帶壞識別卡入井，縣級安全監(jiān)管部門接到報警后，可及時對其進行查處，并上報上級主管部門，有效遏制煤礦工人躲避監(jiān)控，不帶識別卡或帶壞識別卡進入私挖濫采區(qū)域非法作業(yè)的行為。

基于該技術(shù)，四川省安全科學技術(shù)研究院研發(fā)了煤礦數(shù)據(jù)適配器，并在試點小煤礦進行了安裝。通過煤礦數(shù)據(jù)適配器實時采集視頻監(jiān)控統(tǒng)計人數(shù)和人員定位系統(tǒng)識別人數(shù)，并加以對比，實現(xiàn)了對入井人員攜帶識別卡情況的同步監(jiān)督，“超員”報警。同時通過對上述數(shù)據(jù)的同步保存、循環(huán)覆蓋，保證了安全監(jiān)管部門對小煤礦入井人員攜帶識別卡情況的現(xiàn)場查證和遠程抽查。

4　工程應(yīng)用

為了預(yù)防小煤礦私挖濫采行為，防止再次發(fā)生瓦斯爆炸等重大事故，該項技術(shù)先后在攀枝花西區(qū)和瀘縣10多個小煤礦進行了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果:

(1)新型煤礦井下人員定位系統(tǒng)可全覆蓋監(jiān)控小煤礦所有批準作業(yè)區(qū)域，其“失蹤”報警功能靈敏度可達100%;

(2)視頻監(jiān)控煤礦出入井人員自動計數(shù)系統(tǒng)成功突破了區(qū)分人員和礦車移動數(shù)量，區(qū)分行進人員和手臂擺動等技術(shù)難點。經(jīng)現(xiàn)場使用，出入井人員統(tǒng)計可達100%。

(3)數(shù)據(jù)適配器快速實現(xiàn)了視頻監(jiān)控統(tǒng)計人數(shù)和人員定位系統(tǒng)識別人數(shù)的實時對比，“超員”報警率100%。

5　結(jié)語

四川省安全科學技術(shù)研究院研發(fā)的預(yù)防小煤礦私挖濫采行為的技術(shù)可有效對小煤礦出入井人員進行實時監(jiān)控、統(tǒng)計和對比，實現(xiàn)“失蹤”報警和“超員”報警，可有效預(yù)防小煤礦私挖濫采行為。

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范永鑫(1983—),男,甘肅慶陽人,四川省安全科學技術(shù)研究院技術(shù)人員,中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,采礦工程學士。