宋維軍 林 增 楊成友

（山東能源臨礦集團通防處，山東 臨沂 276017）

1 概述

2016年12月《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案〉的通知》指出：支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合，實現(xiàn)井下有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有機融合、監(jiān)測監(jiān)控與GIS技術(shù)的有機融合。在地面統(tǒng)一平臺上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測、人員定位、語音廣播和調(diào)度通訊。但日前的煤礦管理監(jiān)控系統(tǒng)多采用二維工控系統(tǒng)，以二維圖表的形式進行數(shù)據(jù)顯示與梳理，數(shù)據(jù)表達不夠形象直觀，且各子系統(tǒng)獨立顯示，不利于管理。

隨著科技的日新月異，采用更形象生動的三維模擬仿真來還原煤礦生產(chǎn)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等過程已成為煤礦管理監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。煤礦三維全景監(jiān)測系統(tǒng)是數(shù)字化礦山的一個重要組成部分，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和三維可視化技術(shù)同時接入各類監(jiān)測、生產(chǎn)等動態(tài)數(shù)據(jù)，直觀、實時地顯示人員、設(shè)備和環(huán)境信息，實現(xiàn)人機的動態(tài)交互，營造身臨其境的氛圍，從而在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中將煤礦的復雜環(huán)境和生產(chǎn)狀態(tài)進行還原，具有身臨其境的效果，無論是專業(yè)人員還是非專業(yè)人員都可以很容易地獲得煤礦安全生產(chǎn)的各種實時信息。煤礦三維全景監(jiān)測系統(tǒng)是具備礦山場景模擬和礦山開采業(yè)務(wù)管理信息化功能的全景監(jiān)測系統(tǒng)，必將成為越來越多煤礦的首選。古城煤礦作為安全監(jiān)控系統(tǒng)示范化礦井，有必要開發(fā)一套技術(shù)創(chuàng)新、穩(wěn)定可靠，符合國家、省局要求的安全監(jiān)控三維聯(lián)動平臺。如圖1所示。

圖1 礦山三維場景模擬圖

2 系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

3 系統(tǒng)功能

（1）集成現(xiàn)有安全監(jiān)控、人員定位、語音廣播系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，為各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用作鋪墊，為大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)提供數(shù)據(jù)資源。如圖3所示。

（2）根據(jù)已有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，建立聯(lián)動平臺，利用聯(lián)動模型、平臺進行綜合評測，為可能產(chǎn)生的安全隱患、重大災(zāi)害信息進行預(yù)測，對已發(fā)生的災(zāi)害進行及時的聯(lián)動報警和應(yīng)急處置。

（3）基于可視化動態(tài)仿真模擬平臺，提供圖形巷道編輯工具，可快速繪制，擁有強大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能：可通過煤礦提供的CAD巷道數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成三維的仿真巷道；3D設(shè)備的掛接：根據(jù)煤礦的實際情況，可在已生成的3D巷道基礎(chǔ)上，對巷道中的各類設(shè)備進行“掛接”操作。如圖4所示。

圖4 煤礦井下各巷道數(shù)據(jù)圖

（4）數(shù)據(jù)快速接入：系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標準，煤礦中各監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)和監(jiān)測值都可以接入到本系統(tǒng)中來。系統(tǒng)可以實時顯示當前設(shè)備運行狀態(tài)和監(jiān)測值，能最大程度地模擬整個煤礦井下各大系統(tǒng)的實時工作情況。

（5）分級聯(lián)動。利用聯(lián)動模型對事件進行分類處理。多系統(tǒng)多業(yè)務(wù)的智能聯(lián)動等級：

① 設(shè)備與設(shè)備：本地級決策進行聯(lián)動，可直接聯(lián)動控制本地設(shè)備，上傳決策和控制信息；

② 人與設(shè)備：系統(tǒng)級決策，利用多系統(tǒng)數(shù)據(jù)和決策模型進行遠程聯(lián)動人和設(shè)備；

③ 人與人：系統(tǒng)級+人員干預(yù)，人員需要根據(jù)系統(tǒng)級決策的結(jié)果，根據(jù)輸出結(jié)果進行專家參與，共同決策進行聯(lián)動控制。

（6）三維聯(lián)動應(yīng)急救援。三維展示人員位置，可根據(jù)受災(zāi)位置和影響范圍，計算人員撤離最優(yōu)方案，并以人員干預(yù)設(shè)置路障進行應(yīng)急通道方案預(yù)演。發(fā)生險情時，彈出提示框，報警聲音同時響起，在設(shè)備、地圖上以“警燈報警”的方式體現(xiàn)出來。同時，顯示監(jiān)測值和環(huán)境數(shù)據(jù)，方便定位和處理；結(jié)合人員定位系統(tǒng)，可查看人員的位置、巷道內(nèi)人員情況、人員運行軌跡；與井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，在系統(tǒng)中通過點擊對應(yīng)位置上的虛擬攝像頭圖標，即可顯示實時的井下視頻畫面。如圖5所示。

圖5 三維聯(lián)動應(yīng)急救援方案設(shè)計圖

（7）三維通風仿真和風網(wǎng)解算

① 實現(xiàn)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)的互聯(lián)互動。

② 實現(xiàn)通風系統(tǒng)按需要分風仿真及網(wǎng)絡(luò)增阻調(diào)節(jié)功能。

③ 實現(xiàn)通風網(wǎng)絡(luò)解算及通風動態(tài)模擬功能。

通風網(wǎng)絡(luò)解算是系統(tǒng)的基本功能之一，在巷道貫通、密閉，通風設(shè)施構(gòu)筑后，平臺自動對整個風網(wǎng)系統(tǒng)進行解算，動態(tài)模擬調(diào)整后的風網(wǎng)分量分配。通風網(wǎng)絡(luò)解算程序如下：

① 建立風網(wǎng)模型、設(shè)置各巷道斷面參數(shù)、摩擦系數(shù)和局部阻力；

② 對風網(wǎng)主扇、輔扇和局扇工況點進行分析、選型和仿真；

③ 參照測風報表數(shù)據(jù)，對解算結(jié)果進行分析和校驗；

④ 對模型進行修正。

根據(jù)通風系統(tǒng)調(diào)整的需要，可在現(xiàn)有風網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上進行：

① 模擬新掘井巷的貫通和巷道廢棄；

② 模擬井巷斷面或長度變化；

③ 模擬風門個數(shù)、位置、調(diào)節(jié)量。

（8）實現(xiàn)粉塵系統(tǒng)功能擴展。實現(xiàn)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)的互聯(lián)互動。一方面可以進行塵源跟蹤和粉塵擴散仿真。另一方面結(jié)合員工職業(yè)健康評價體系，進行員工健康管理。

實時監(jiān)測井下粉塵濃度，聯(lián)動人員位置信息，有效控制噴霧降塵設(shè)備、除塵風機，根據(jù)粉塵濃度對人員作業(yè)密集地點進行廣播通知。

4 主要創(chuàng)新點

4.1 三維多系統(tǒng)融合

借助三維圖形技術(shù)，實現(xiàn)對地面工業(yè)廣場、井下巷道、綜采工作面、井下設(shè)備、人員等信息的仿真模擬，并將安全監(jiān)控、人員定位、廣播、通風、視頻等各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合在一個三維畫面中，避免各子系統(tǒng)“各自為政”的情況。同時提供各類子系統(tǒng)信息的查詢界面，為各級人員了解井下綜合實時數(shù)據(jù)以及空間信息提供便利的手段。

4.2 GIS相關(guān)算法

借助導入的煤礦CAD平面勘測圖到三維中，獲取深度后繪制出井下立體巷道網(wǎng)絡(luò)，將GIS中與礦井相關(guān)的最短路徑算法應(yīng)用于距離測量、避災(zāi)路徑，實現(xiàn)在對井下真實三維空間地理信息分析計算的基礎(chǔ)上，將井下各類設(shè)備、人員的空間信息與實時狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)起來進行綜合分析。

4.3 通風決策管理

在三維可視化環(huán)境中通過對風速、風量、風壓、風阻、通風成本等十幾種數(shù)據(jù)進行計算并設(shè)置顏色圖例，幫助用戶快速對數(shù)據(jù)進行分析和解譯；支持任意多級機站通風系統(tǒng)解算，風機調(diào)速、開關(guān)和反風模擬。

4.4 塵源跟蹤和健康決策管理

實時監(jiān)測粉塵濃度，并進行塵源跟蹤。通過聯(lián)動噴霧降塵設(shè)備和人員信息，有效地降低煤礦粉塵危害和提高人員職業(yè)健康指數(shù)。

4.5 聯(lián)動模型及分級聯(lián)動

多系統(tǒng)融合后能綜合評估煤礦生產(chǎn)安全狀況，利用聯(lián)動模型自動評估井下安全狀況，根據(jù)評估結(jié)果對安全狀態(tài)進行分級報警。在緊急狀況時根據(jù)聯(lián)動模型能自動進行預(yù)案處置，減少了預(yù)案響應(yīng)時間，提高了救援的效率。

通過對古城礦井下環(huán)境及相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)研，明確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源，收集相關(guān)資料，包括系統(tǒng)的基本信息、配置情況、使用情況、巷道圖紙以及歷史通風監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

在明確了數(shù)據(jù)來源及相關(guān)圖紙等必要數(shù)據(jù)以后，確定獲取所需數(shù)據(jù)的方式及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，進而開發(fā)針對安全監(jiān)控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的接口程序；同時，開發(fā)專用于安全監(jiān)控聯(lián)動平臺的三維展示程序。然后針對古城礦的各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開發(fā)基于三維GIS的平臺測試版，用于驗證數(shù)據(jù)的實時性和算法的準確性。根據(jù)實驗結(jié)果對產(chǎn)品進行優(yōu)化改進，完成項目的功能及性能驗證以及工業(yè)性實驗。目前，三維GIS在古城煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造中得到了廣泛應(yīng)用。