王學琛，郭昕曜，李墨瀟，沈?qū)幹?/p>

(武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070)

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全風險預警平臺的研究及應用

王學琛，郭昕曜，李墨瀟，沈?qū)幹?/p>

(武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070)

煤礦災害的發(fā)生均具有一定的前兆性，對災害發(fā)生前兆因素的監(jiān)測是預防事故發(fā)生的一項重要研究工作。因此，在對煤礦物聯(lián)網(wǎng)信息融合、煤礦安全信息采集、煤礦傳感網(wǎng)絡應用等內(nèi)容的深入研究下，開發(fā)建立一種基于物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的煤礦安全風險監(jiān)測預警體系。并在內(nèi)蒙古伊泰礦業(yè)集團煤礦信息采集、管理和監(jiān)測方法的基礎上，對實際危險因素構(gòu)建適合安全風險預警模型應用的信息監(jiān)測與處理平臺，使安全預警能夠?qū)崟r、動態(tài)進行，為煤礦安全生產(chǎn)做出了實質(zhì)性的技術(shù)保障工作。

煤礦；安全管理；安全預警；預警平臺

與國外先進的產(chǎn)煤國相比，我國的安全防災救災技術(shù)仍然處于一個非常低的水平，雖然有了一定的發(fā)展，但差距很大。近年來，我國工業(yè)生產(chǎn)的死亡人數(shù)有60%以上是由于煤礦事故而導致的，通常煤礦事故的損失極大，每年造成20多億元的經(jīng)濟損失，約占國有重點煤礦年收入的5%[1]，并且礦難對社會造成的影響極其惡劣。

通過國內(nèi)外煤礦安全管理的技術(shù)條件分析，開展煤礦安全預警平臺研究及建設是十分必要的。根據(jù)我國“安全第一，預防為主”的安全生產(chǎn)方針，我國煤礦企業(yè)的生產(chǎn)目標是要做到把安全放在首位，對事故以預防為主，通過對各種危險因素的排查確定煤礦生產(chǎn)中的不利因素，進而預測可能產(chǎn)生的危險及影響程度，及時采取應對措施，阻止事故的發(fā)生，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

對于煤礦安全預警研究，各學者已從不同角度研究出了一定成果。邵長安等[2]構(gòu)建了煤礦預警體系，提出保障煤炭安全生產(chǎn)持續(xù)進行的前提是通過預警理論來消除安全隱患。郭佳等[3]基于遠程監(jiān)測的相關理論和方法確立了煤礦安全生產(chǎn)預警系統(tǒng)的設計框架，將技術(shù)與風險評價、重大危險源辨識等模型相結(jié)合，完成在線評價，其可靠性與及時性的特點為事故應急響應提供了依據(jù)。宋杰鯤等[4]考慮供需、運輸、災變和環(huán)境等因素，構(gòu)建了煤炭安全生產(chǎn)預警指標體系，運用主成分分析、自回歸等方法構(gòu)建預警模型，并針對我國煤炭安全生產(chǎn)現(xiàn)狀進行預警評價。國內(nèi)外關于煤礦預警的研究很多，但是煤炭行業(yè)因其特殊性使得其所處環(huán)境高危而且復雜，不確定程度非常高，所以目前來說，關于煤礦的安全預警，不論是理論還是方法都還未形成一個完整的系統(tǒng)，對其機理的深入研究還不夠，且針對煤礦生產(chǎn)的多變和不確定性未能提出一套有效的方法來對其進行決策，僅停留在定性或者定量的方法上來研究，使分析結(jié)果存在一定偏差[5-9]。

1 煤礦安全風險預警平臺組成

煤礦安全風險預警需要將安全風險預警的軟件設備和硬件設備、煤礦基礎空間數(shù)據(jù)、多學科交叉的理論與技術(shù)進行有效的集成，是一個涉及網(wǎng)絡通訊與傳輸、軟件、信息共享、硬件、數(shù)據(jù)存儲等多項技術(shù)的復雜的系統(tǒng)性過程。

由于煤礦井下溫度高、存在易燃易爆有害氣體等惡劣作業(yè)環(huán)境及狹長的巷道不利于無線信號的傳輸，對電子產(chǎn)品的技術(shù)性有著嚴格限制，筆者根據(jù)所需監(jiān)測的信息及煤礦礦井軟硬件條件，提出了關于動態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，設計的難點在于井下信息的監(jiān)測。該系統(tǒng)運用礦井下無線信息通訊技術(shù)并針對煤礦井下環(huán)境和條件對電子產(chǎn)品的限制而設計，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、安全信息管理、風險預測信息和救援決策信息子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 動態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 預警平臺方案設計方案

煤礦安全風險預警系統(tǒng)的建立依托物聯(lián)網(wǎng)技

術(shù)，具有信息化的特征，開發(fā)過程中還用到了虛擬仿真技術(shù)，并且實現(xiàn)了三維可視化效果。該系統(tǒng)包括在線監(jiān)測、風險預警和事故救援決策3個子系統(tǒng)。其中，在線監(jiān)測系統(tǒng)實時收集煤礦井下各種信息數(shù)據(jù)，可作為預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，預警系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)又能通過自身的運轉(zhuǎn)為事故救援決策系統(tǒng)提供了大量數(shù)據(jù)支持。這幾大系統(tǒng)既可以獨立運行，又可共享數(shù)據(jù)資源，聯(lián)合工作。該平臺的總體架構(gòu)如圖 2所示。

事故救援決策系統(tǒng)在分析過程中，首先根據(jù)采集的數(shù)據(jù)建立三維礦山模型，隨后利用模型對事故進行模擬，有效利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時掌握井下人員分布和災害擴散情況；并和事故處置知識庫相結(jié)合，有助于決策人員采用特定算法確定井下各人員的動態(tài)逃生線路。事故救援決策系統(tǒng)可用于應急救援演練和事故發(fā)生，并且還可升級，操作性和實用性大大加強。

圖2 平臺總體架構(gòu)

3 煤礦安全風險預警平臺系統(tǒng)功能

煤礦安全風險預警平臺主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托礦山安全地理信息系統(tǒng)建立三維礦山巷道模型。三維環(huán)境下的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括人員位置、風量、空氣質(zhì)量、有毒氣體含量等，在采集后均可上傳至總數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)的交互功能方便操作人員對煤礦的井下環(huán)境進行三維建模，對任意區(qū)域的數(shù)據(jù)均可迅速查閱。決策系統(tǒng)是建立在信息交互的環(huán)境之下。系統(tǒng)的沙盤模式主要用來模擬事故發(fā)生時的狀態(tài)，如火災發(fā)生時模擬煙霧的擴散方向，再結(jié)合其他的監(jiān)測數(shù)據(jù)(如人員位置)，可計算出井下受困人員的安全逃生路線，對于塌方、停電等情況也可提供最短路徑，為決策者提供戰(zhàn)略決策參考。系統(tǒng)模塊功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 煤礦安全風險預警平臺應用

在酸刺溝煤礦應用該系統(tǒng)進行安全預警檢查，具體過程如下。利用移動終端產(chǎn)品或者PC端登錄“煤礦安全風險預警系統(tǒng)”，進入登錄頁面，如圖4所示。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)信息監(jiān)測、安全評價、警報管理、安全檢查、應急決策5大功能，具體操作頁面如圖5所示。

4.1 信息監(jiān)測功能

通過各類傳感器所采集信息，集成到信息監(jiān)控中心，點擊“信息監(jiān)測”中“瓦斯”，查詢到實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖6所示。

4.2 安全評價與報警

根據(jù)煤礦企業(yè)常面臨的災害及危險源理論，設定伊泰礦業(yè)集團需要監(jiān)測的危險源及警報方式，對危險源采取逐一監(jiān)測預警，如圖7所示。

4.3 應急決策

根據(jù)動態(tài)三維技術(shù)，構(gòu)建礦山的三維網(wǎng)絡視圖，并根據(jù)巷道所處層次不同而賦予不同色彩紋理。該三維視圖能實時呈現(xiàn)井下工作人員與設備分布，并以箭頭方向表示風流運動方向，礦山風向與風速數(shù)據(jù)如圖8所示。根據(jù)風速傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)計算火災煙霧擴散路徑，從而計算出最短逃生路徑，如圖9所示。

圖3 模塊功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)登錄頁面

圖5 預警系統(tǒng)操作頁面

圖6 信息監(jiān)測功能模塊

圖7 危險源風險評價預警

圖8 礦山風向與風速數(shù)據(jù)

圖9 最佳逃生路徑模擬圖

5 結(jié)論

從移動終端監(jiān)控系統(tǒng)和應急救援決策系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建煤礦安全風險預警平臺，結(jié)合現(xiàn)代無線和有線網(wǎng)絡技術(shù)，運用物聯(lián)網(wǎng)的形式實現(xiàn)信息監(jiān)測、信息處理，為管理層進行管理決策和應急救援決策提供依據(jù)。煤礦安全風險預警信息平臺主要介紹了系統(tǒng)的組成、設計方案、系統(tǒng)功能等。筆者結(jié)合了內(nèi)蒙古伊泰礦業(yè)集團下酸刺溝煤礦的實際生產(chǎn)案例，將煤礦安全風險預警信息平臺運用及操作做了較為詳細的介紹，使煤礦安全管理人員可直觀地檢測到生產(chǎn)實際中的各項危險因素數(shù)據(jù)指標，實現(xiàn)了即時監(jiān)控、即時預警的作用。應急救援決策系統(tǒng)主要是計算出最佳逃生路線，保障井下作業(yè)人員安全，動態(tài)三維建模方便決策者更為直觀地觀察井下環(huán)境，有害物質(zhì)推演是事故發(fā)生時最佳應急逃生路線的技術(shù)基礎，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。在酸刺溝煤礦應用該系統(tǒng)，演示了5大子系統(tǒng)功能在系統(tǒng)中的具體操作過程，結(jié)果顯示該系統(tǒng)運行情況良好。

[1] 王雪峰.我國煤礦安全問題淺議[J].中國煤田地質(zhì),2006,18(1):6-8.

[2] 邵長安,李賀,關欣.煤礦安全預警系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J].煤炭技術(shù),2007,26(5):63-65.

[3] 郭佳,楊洋.基于遠程監(jiān)測模式的煤礦安全生產(chǎn)預警系統(tǒng)研究[J].中國煤炭,2007,33(9):69-71.

[4] 宋杰鯤,李繼尊.基于PCA-AR和K均值聚類的煤炭安全預警研究[J].山東科技大學學報(自然科學版),2008,27(2):105-108.

[5] 辛士波,孫超.基于主成分分析法的煤礦安全生產(chǎn)預警分析研究[J].中國煤炭,2010,36(11):105-108.

[6] 丁寶成,王彥偉.煤礦企業(yè)安全預警管理體系[J].遼寧工程技術(shù)大學學報(社會科學版),2010,12(2):121-123.

[7] 劉香蘭,趙旭生,董桂剛.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦瓦斯爆炸動態(tài)安全預警系統(tǒng)的設計研究[J].煤炭工程,2012(9):17-19.

[8] 侯燕,喬蕊.基于實時數(shù)據(jù)關聯(lián)分析的煤礦安全預警系統(tǒng)設計[J].計算機測量于控制,2013,21(10):2826-2828.

[9] 王學琛，李墨瀟，郭昕耀.基于組合賦權(quán)的煤礦安全生產(chǎn)風險評價分析[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版)，2016，38(5)：538-542.

GUO Xinyao:Doctorial Candidate;School of Resources and Environmental Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

Research and Application of Safety Risk Early Warning Platform in Coalmine Based on Internet

WANGXuechen,GUOXinyao,LIMoxiao,SHENNingzhou

The occurrence of coal mine disaster has some precursors, and the monitoring of the precursory factors is an important research work to prevent accidents.Therefore, based on the deep research on the information fusion of coal mine, coal mine safety information gathering and coal mine sensor network application, a coal mine safety risk monitoring and early warning system based on Internet of Things technology is developed.In this paper, based on the deep research in the information collection, storage, management and monitoring method on coal mine of Inner Mongolia Yitai Group Mining Group. We construct a information monitoring and processing platform for safety risk early warning model application according to the actual risk factors, make safety warning to be real-time and dynamic, produce a substantial technical security work for coal mine safety production.

coal mine; safety management; risk early warning; early warning platform

2016-07-13.

2095-3852(2016)06-0678-04

A

X924.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.008

收稿日期：郭昕曜(1988-)，男，河南汝州人，武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院博士研究生.