白景志 王永寶 徐國華

(山東能源臨礦集團王樓煤礦，山東 濟寧 272063)

信息化建設(shè)一直是王樓煤礦可持續(xù)發(fā)展的源動力。近些年來，王樓煤礦持續(xù)推進信息化建設(shè)，建成了安全監(jiān)控、人員位置監(jiān)測、應(yīng)急廣播、調(diào)度通信、無線通信、視頻監(jiān)控等多套信息化相關(guān)系統(tǒng)。在提升礦井安全生產(chǎn)，智能管控方面發(fā)揮了積極的作用，也為礦井高效生產(chǎn)及安全管控起到重要支撐[1]。但隨著礦井建設(shè)系統(tǒng)逐步增多，功能不斷加強，特別是安全監(jiān)控系統(tǒng)，也表現(xiàn)出了越來越多的使用瓶頸，主要有以下幾個方面：

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性有待提高。目前礦井建設(shè)的系統(tǒng)眾多，各系統(tǒng)之間易相互干擾，特別是變頻設(shè)備的應(yīng)用易干擾安全監(jiān)測，出現(xiàn)偽數(shù)據(jù)。設(shè)備防護等級較低，在開采深部煤層后，高溫高濕易銹蝕監(jiān)控設(shè)備。

（2）模擬傳輸信號不能復(fù)用，每個傳感器必須通過一條獨立電纜與分站信號傳輸，布線量大；

（3）通信協(xié)議不規(guī)范，井下各系統(tǒng)單獨布線，無融合功能，重復(fù)敷設(shè)電纜，不能共線共攬，不能進行應(yīng)急聯(lián)動。

（4）功能不完善，性能不高。智能化低，不能自診斷，偽數(shù)據(jù)標注，調(diào)校提醒；容易篡改數(shù)據(jù)；備用電源時間短；模擬量傳輸誤差大；巡檢周期長顯示數(shù)據(jù)為非實時數(shù)據(jù)；異地斷電時間2倍巡檢周期。

針對上述問題，王樓煤礦對系統(tǒng)進行了全面升級，以KJ90NB系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過完善功能、增加設(shè)備、接口對接等方式，實現(xiàn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)全數(shù)字化傳輸、高抗干擾設(shè)計、新技術(shù)的應(yīng)用，同時實現(xiàn)了安全監(jiān)控與人員位置監(jiān)測、應(yīng)急廣播、調(diào)度通信等系統(tǒng)的融合聯(lián)動。升級后的KJ90X系統(tǒng)功能完全滿足國家（煤安監(jiān)函〔2016〕5號）文件對新系統(tǒng)的相關(guān)要求。

1 智能化安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

王樓煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是在原系統(tǒng)上進行功能及性能升級，系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)+總線的整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可分為傳感層、數(shù)據(jù)傳輸層及應(yīng)用層，采用地面融合的方式實現(xiàn)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通及應(yīng)急聯(lián)動，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)各層升級介紹

2.1 傳感層升級

傳感層主要由各類監(jiān)測傳感器及控制器組成，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)檢測，并能在環(huán)境參數(shù)超出系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)時發(fā)出報警斷電信號。此次升級，傳感層主要實現(xiàn)了信號由頻率傳輸升級為數(shù)字傳輸，并在工作面使用了穩(wěn)定性更好、調(diào)校周期長的激光甲烷傳感器[3]，在回風巷使用了具有零點自校準的雙向風速傳感器，能夠在風向反向時及時進行報警[4]。

升級后的傳感器在智能化方面得到了較大提升。一是實現(xiàn)了類型自識別。當井下安裝新的傳感器后，系統(tǒng)能夠自動識別傳感器類型，避免由于定義與實際使用不一致而產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。二是實現(xiàn)了調(diào)校自識別。能夠?qū)鞲衅髡{(diào)校進行自動識別，避免無法識別調(diào)校數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的上傳誤報數(shù)據(jù)。三是實現(xiàn)了故障自識別。智能化傳感器能夠識別諸如傳感器斷線、元件斷絲、電路異常等簡單故障，同時能夠?qū)鞲衅黝A(yù)熱、自檢、地址沖突等信息實時上傳給地面監(jiān)控中心，為分析系統(tǒng)故障及異常提供便利。

2.2 傳輸層升級

傳輸層升級主要針對環(huán)網(wǎng)平臺、監(jiān)控分站及電源等設(shè)備的升級。環(huán)網(wǎng)平臺采用1000M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速傳輸網(wǎng)絡(luò)切換，當一段光纖或交換機出現(xiàn)異常時不影響整個傳輸平臺的正常工作。

分站由原來支持頻率及電流信號采集升級為支持總線信號采集，同時升級后的分站具有工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)光口及電口，能夠在分站級實現(xiàn)以太環(huán)網(wǎng)傳輸，確保了傳輸?shù)目煽啃浴Ｉ壓蟮姆终揪哂蠸D卡存儲功能，能夠存儲大量的異常數(shù)據(jù)，為故障及異常分析提供依據(jù)。分站支持本地斷電、異地斷電及遠程手動斷電控制功能，提升了斷電速度及控制可靠性。

升級后的電源箱具有交流寬壓輸入，可支持(90～900)V AC輸入，寬壓設(shè)計避免了電壓波動對設(shè)備的影響，同時不用更換電壓抽頭，方便靈活。電源箱具有電源信息智能管理功能，可實現(xiàn)電源模塊工作狀態(tài)監(jiān)測及遠程電池充放電維護，在地面中心站即可完成電池的維護管理，延長了電池使用壽命。

2.3 應(yīng)用層升級

應(yīng)用層升級主要實現(xiàn)了不同系統(tǒng)間融合聯(lián)動。通過規(guī)范數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了安全監(jiān)控、人員位置監(jiān)測、應(yīng)急廣播、調(diào)度通信等系統(tǒng)間數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合設(shè)計1臺融合主機，各子系統(tǒng)維持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不改動，通過軟件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并能在融合主機上通過一張圖的方式展示各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置聯(lián)動預(yù)案，實現(xiàn)系統(tǒng)間聯(lián)動控制。當監(jiān)測到環(huán)境參數(shù)異常時，系統(tǒng)自動通知在危險區(qū)域工作的人員，同時啟動異常區(qū)域的廣播終端。

融合軟件利用GIS技術(shù)構(gòu)建全礦井一張圖，實現(xiàn)縮放、移動、分層、測距、鷹眼等功能，直觀展現(xiàn)全礦井各個關(guān)鍵要素和運行狀態(tài)。

3 融合聯(lián)動實現(xiàn)

王樓煤礦采用地面融合的方式實現(xiàn)安全監(jiān)控、人員位置監(jiān)測、應(yīng)急廣播及調(diào)度通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有機融合，融合以安全監(jiān)控系統(tǒng)為主，安全監(jiān)控系統(tǒng)融合平臺提供了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及聯(lián)動配置、展示功能，實現(xiàn)了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)一張圖融合展示，提供編輯、分層、縮放、移動、測量等功能；實現(xiàn)在系統(tǒng)異常時聯(lián)動控制功能，可通過地面中心站和井下區(qū)域控制器實現(xiàn)。融合平臺軟件功能如下：

（1）以GIS為載體的實時數(shù)據(jù)展示。以GIS為載體，展示融合后的各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)（包括環(huán)境實時監(jiān)測值、人員位置分布情況、應(yīng)急廣播狀態(tài)、調(diào)度通信等），具有分層顯示、矢量化放大縮小、聚合、測距、快速定位、鷹眼、狀態(tài)動畫顯示等功能或特點。

（2）GIS數(shù)據(jù)鉆取。GIS上的鉆取操作可得到監(jiān)測點檔案、人員明細等多類數(shù)據(jù)。

（3）人員軌跡回放。以人員定位軌跡數(shù)據(jù)為依據(jù)，GIS自動尋路為支撐，實現(xiàn)人員井下活動軌跡的再現(xiàn)。

（4）多業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵指標綜合展示。平臺根據(jù)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)特殊性，提煉關(guān)鍵指標并匯總顯示，支持關(guān)鍵指標的鉆取與聚合操作。

（5）系統(tǒng)綜合圖表。以業(yè)務(wù)系統(tǒng)為主線進行數(shù)據(jù)綜合分析，多個綜合分析圖表，包括安全監(jiān)控綜合頁、人員定位綜合頁、廣播綜合頁等功能。

（6）數(shù)據(jù)分析。對來自各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行二次分析或統(tǒng)計，展示數(shù)據(jù)分析報表，展示包括異常數(shù)據(jù)同比/環(huán)比、突變、井下人員趨勢、調(diào)校狀態(tài)等內(nèi)容。

（7）聯(lián)動控制。平臺定義聯(lián)動控制預(yù)案，當預(yù)案觸發(fā)時自動（或需人工確認）進行多系統(tǒng)聯(lián)動控制。

（8）手動控制。在授權(quán)情況下，可直接對設(shè)備進行控制。

（9）監(jiān)測點檔案查詢顯示。以點為單位展示監(jiān)測點檔案組織，可快速了解監(jiān)測點的定義、實時數(shù)據(jù)、控制關(guān)系、歷史異常、調(diào)校、分級報警等多方面信息，同時支持曲線、狀態(tài)圖等的鉆取或查詢操作。

（10）其他數(shù)據(jù)查詢功能。通過菜單，或鉆取或得到多種數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計與圖表功能，主要包括曲線、狀態(tài)圖、指定位置人員明細、員工活動軌跡、人員檔案、出勤記錄、廣播實時狀態(tài)、聯(lián)動記錄查詢、系統(tǒng)自診斷等功能。

按照王樓煤礦實際需要，系統(tǒng)設(shè)置了聯(lián)動控制預(yù)案，在監(jiān)測環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時，能夠自動聯(lián)動其他系統(tǒng)發(fā)出報警，確保人員安全。系統(tǒng)聯(lián)動應(yīng)用界面如圖2所示。

圖2 融合顯示綜合指標顯示欄

4 升級效果

通過升級改造，王樓煤礦實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化通信，設(shè)備抗干擾能力大大提升，系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)控、人員位置監(jiān)控、應(yīng)急廣播及調(diào)度通信的有機融合，主要功能滿足國家（煤安監(jiān)函〔2016〕5號）文件相關(guān)要求，升級后的系統(tǒng)達到了以下運行效果。

（1）故障定位更精準。原KJ90NB監(jiān)控系統(tǒng)使用頻率型傳感器出現(xiàn)故障時，需依賴人工分析故障點，難以準確定位。升級為KJ90X系統(tǒng)后，采用總線傳輸，出現(xiàn)異常能夠快速定位故障點。

（2）智能水平更高。升級后的傳感器具有即插即用、調(diào)校識別、類型識別、故障識別等功能，智能化水平更高。

（3）數(shù)據(jù)分析更清晰。系統(tǒng)設(shè)計了偽數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)分析、設(shè)備合規(guī)性判識等功能，便于清晰掌握運行情況。

（4）環(huán)境適應(yīng)能力更強。傳感器防護等級由IP54提升為IP65，避免了受水汽影響發(fā)生銹蝕、短路等情況導(dǎo)致誤報及故障。升級后的電源箱能夠適應(yīng)90～900V交流輸入。

（5）運行更穩(wěn)定性。升級后的監(jiān)控設(shè)備抗干擾能力更強，不受變頻器、電網(wǎng)波動等產(chǎn)生誤報，備用電源續(xù)航時間由2h提升為4h，減少系統(tǒng)停電影響，本安供電距離可達6km，運行更加穩(wěn)定可靠。

（6）使用維護更便捷。系統(tǒng)可在地面對井下備用電池進行遠程充放電，同時可監(jiān)視電源模塊運行狀況，使用維護更便捷。

（7）斷電功能更可靠。監(jiān)控系統(tǒng)本地斷電小于2s，異地斷電小于5s；也可依據(jù)風流方向、瓦斯變化趨勢實現(xiàn)區(qū)域斷電功能，當關(guān)聯(lián)點異常時，對可能波及的區(qū)域非本安電源及時執(zhí)行斷電，確保礦井安全。

（8）融合聯(lián)動更及時。利用融合功能，在緊急狀態(tài)下可自動啟動“一鍵”式預(yù)警，依據(jù)應(yīng)急預(yù)案，通過互聯(lián)互通的安全、人員、廣播及調(diào)度通信等系統(tǒng)，快速通知危險區(qū)域人員撤離。

（9）信息推送多樣化?？衫靡苿又悄芙K端APP、短信、web終端發(fā)布，實現(xiàn)報警信息及時推送、報表數(shù)據(jù)便捷查詢。

5 結(jié)語

分析了系統(tǒng)升級的必要性和迫切性，通過系統(tǒng)功能及性能提升，實現(xiàn)了國家對安全監(jiān)控系統(tǒng)性能及功能的要求。并從傳感層、數(shù)據(jù)傳輸層、應(yīng)用層及數(shù)據(jù)融合功能等詳細介紹了升級的內(nèi)容及亮點，最后對升級效果進行了總結(jié)。通過升級改造，實現(xiàn)了系統(tǒng)融合聯(lián)動，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。