許 金，何 橋

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造明確規(guī)定安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具備自診斷和自評估功能，診斷和評估的內容包括傳感器定位未標校提醒、傳感器的設置及定義和模擬量傳感器的工作狀態(tài)等[1-2]。當前針對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的合規(guī)性，主要采用人工檢查的方式進行，缺乏系統(tǒng)的評估方法和高效的診斷工具。為此，在分析煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相關法律法規(guī)的基礎上，提出并開發(fā)了一種基于多元信息評估的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括礦井監(jiān)控系統(tǒng)GIS 與可視化展現(xiàn)模塊、合規(guī)性量化評判模型、分析評判服務程序共3 個部分。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化與可視化展現(xiàn)模塊主要為基于開源組件開發(fā)的礦井GIS 模塊，用于煤礦巷道、傳感器等矢量化和評判結果的展現(xiàn)；合規(guī)性評判分析模型主要為基于相關規(guī)程建立的評判準則與量化方法；合規(guī)性評判分析服務程序用于實時分析評判，并將評判結果傳遞給礦井GIS 模塊。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)圖形化與可視化展現(xiàn)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化是實現(xiàn)自動分析評判的基礎。通過程序自動識別與人工輔助的方式實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化，基于二三維GIS 技術將煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)布置圖轉換為軟件可識別的點、線、面等元素，實現(xiàn)礦井巷道、監(jiān)控系統(tǒng)設備、工作區(qū)域及相互的空間位置關系的矢量化。

1）搭建GIS 模塊。GIS 模塊主要由Openlayers、Geoserver、postGIS 和postgresql 等組件完成[3-4]。Postgresql 主要保存巷道和設備等轉換的點、線等元素信息，postGIS 用于分析計算各元素之間的拓撲關系等，geoserver 用于整個監(jiān)控系統(tǒng)布置矢量圖的渲染與重構，openlayer 主要用于Web 端數(shù)據的傳遞與發(fā)送。

2）礦井巷道數(shù)字化。礦井巷道數(shù)字化主要通過GIS 模塊提供的人工交互界面，基于礦井真實CAD人工繪制而成，并標注巷道名稱、類型、用途、斷面尺寸、進風、回風、所屬工作面等信息。巷道繪制完成時，GIS 模塊會自動通過巷道的相交關系，提取巷道的端點與拐點，生成巷道拓撲關系。為確保巷道繪制的完整，系統(tǒng)內置了礦井開采基礎巷道類型的個數(shù)。

3）監(jiān)測設備的圖元化與位置標注。對安全監(jiān)控系統(tǒng)分站、交換機、甲烷傳感器、溫度傳感器、風速傳感器設計不同的圖標，通過手動拖拽的方式綁定到巷道相應位置。當設備綁定到巷道時，GIS 模塊會自動計算距離設備最近的巷道，自動消除人為因素造成的設備未標注在巷道上的誤差。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判模型

2.1 評判指標及準則

基于《煤礦安全規(guī)程》、AQ 6201—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求、AQ 1029—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范等相關規(guī)范標準，整理了煤礦安全監(jiān)控自診斷評判指標[5-8]，自診斷指標體系如圖1。

1）設備安裝個數(shù)。設備安裝個數(shù)指的是相關規(guī)程規(guī)定的地點或區(qū)域需要安裝不同類型傳感器的個數(shù)是否滿足要求。評判的算法流程圖如圖2。首先根據法律法規(guī)，整理需要安裝傳感器的巷道、地點，及傳感器類型、個數(shù)要求，建立安裝個數(shù)準則庫。在此基礎上通過GIS 模塊，查找出需要評判的巷道、地點及綁定的傳感器數(shù)據。最后根據準則庫，依次判斷是否合規(guī)。

2）工作面?zhèn)鞲衅靼惭b達標。工作面包括采煤工作面和掘進工作面，其作為煤礦安全生產的最重要的場所，其位置的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測對于煤礦安全防控具有重要的意義。

圖1 自診斷指標體系Fig.1 Self-diagnosis index system

圖2 安裝個數(shù)評判流程圖Fig.2 Flow chart of installation number evaluation

3）設備安裝到位。設備安裝到位指的是采掘工作面的瓦斯傳感器T0、T1、T2等安裝距離是否符合規(guī)定。需要借助具備自主定位功能的傳感器實現(xiàn)，從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據來判定。

4）門限配置。該指標指的是監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的報警、斷電、復電門限配置時候符合規(guī)定。首先根據規(guī)定整理出門限配置準則庫，并存入數(shù)據庫。然后根據監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器實際門限配置情況進行判定。

5）傳感器量程。由于不同量程的傳感器監(jiān)測精度和范圍不一樣，不同瓦斯等級的礦井和不同地點對傳感器量程有不同要求。首先根據GIS 模塊和煤礦瓦斯等級，獲得需要安裝高低濃度或全量程的傳感器地點，然后根據規(guī)定進行判定。

6）控饋關系定義完善?？仞侁P系的定義是實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)斷電控制的基礎。根據規(guī)定整理出需要定義控饋關系的傳感器與分站，然后根據實際的數(shù)據進行初步判定。

7）實時監(jiān)測狀態(tài)。實時統(tǒng)計當前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的設備數(shù)量占比。按照下式計算。

式中：us為實時監(jiān)測狀態(tài)合規(guī)性指數(shù)；x 為非故障設備數(shù)量；y 為設備總數(shù)。

8）控饋異常?？仞佉恢率呛饬棵旱V安全監(jiān)測系統(tǒng)控制有效的最重要指標。采用實時控饋異常記錄和歷史控饋異常記錄來綜合衡量監(jiān)控系統(tǒng)的控制有效能力。

9）斷電控制時長指數(shù)。相關規(guī)程規(guī)定監(jiān)控系統(tǒng)本地斷電控制不應超過2 s，異地控制斷電不應超過2 個巡檢周期。由于本地控制時間難以獲取，這里直接采用異地控制斷電指數(shù)來衡量。統(tǒng)計最近30 d 的斷電控制記錄，計算滿足要求的記錄占比。控饋記錄為0 得滿分。

式中：ud為斷電控制時長合規(guī)性指數(shù)；m 為統(tǒng)計周期內合規(guī)記錄數(shù)；n 為統(tǒng)計周期內斷電控制記錄。

10）甲烷傳感器定期調校。監(jiān)控設備必須定期調校，定期調校主要根據程序自動識別，根據規(guī)定，調校主要過程為：調校零點（范圍控制在0.009%～0.03%），達到斷電值（持續(xù)時間大于90 s），恢復到原始值。據此建立傳感器調校判定流程如下[9]：①通過Sql 語句查詢出超過或達到2.0%的報警數(shù)據；②判斷報警開始時間刻前5 min 內數(shù)據是否存在零點；③判斷超過2.0%的值持續(xù)時間是否大于90 s；④整個報警持續(xù)時間不大于5 min。以上要求均符合，則判定為調校合規(guī)，否則判定為非調校（含調校不合規(guī)）。

11）監(jiān)控日報查看指數(shù)。根據規(guī)定，煤礦調度人員，應該每天至少查看1 次監(jiān)控日報，由監(jiān)控系統(tǒng)自動記錄監(jiān)控日報、曲線等的查看記錄。該指標評方法為，統(tǒng)計最近30 d 的的監(jiān)控日報查看情況。

式中：uj為監(jiān)控日報查看合規(guī)性指數(shù)；tx為查看記錄至少為1 次的天數(shù)；ty為統(tǒng)計周期，這里取30。

12）歷史監(jiān)測狀態(tài)指數(shù)。該指標主要用來衡量監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行程度。主要統(tǒng)計最近主要統(tǒng)計最近一段時間，監(jiān)控設備的故障時長占比，基于監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據計算獲得。

式中：ul為歷史監(jiān)測狀態(tài)合規(guī)指數(shù)；k 為傳感器個數(shù)；ts為故障時長，s。

13）監(jiān)測值長時間變化較小。為確保傳感設備能正常監(jiān)測井下環(huán)境參數(shù)，檢測是否通過人為作弊的方式影響環(huán)境參數(shù)的準確性，通過監(jiān)測值長時間變化值指數(shù)衡量監(jiān)控設備的運行合規(guī)性。通過西南地區(qū)高瓦斯及瓦斯突出礦井研究得到，80%的環(huán)境瓦斯監(jiān)測濃度在12 h 會發(fā)生變化，1 d 不變的占比降低為11%左右，3 d 不變的監(jiān)測點約為8%，7 d 不變的瓦斯監(jiān)測點占比約為2.73%，15 d 不變的瓦斯監(jiān)測點降低為0.47%。對于采掘工作面、主回風巷等地點，99.9%的傳感器會在30 min 發(fā)生變化。對于安裝在此類地點的傳感器，選取1 h 為限來判定，其他地點的傳感器，選取15 d 為限判定。

14）平臺組件。主要包括雙擊熱備狀態(tài)、主備數(shù)據庫實時狀態(tài)、主備WCF 狀態(tài)、磁盤空間和CPU 運行情況等。該數(shù)據直接從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取。

2.2 綜合評估

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判的目的一方面使督促煤礦加強系統(tǒng)系統(tǒng)使用于管理規(guī)范，另一方面是幫助煤礦了解掌握煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)當前的狀態(tài)以及系統(tǒng)運行態(tài)勢。因此這里主要采用縱向評估的方式。具體步驟如下[10]：

1）設置各指標的最優(yōu)合規(guī)值，理論上完全達標或合規(guī)即為最優(yōu)值。當為越大越優(yōu)型指標，取最大值為最優(yōu)值。當為越小越優(yōu)型指標，取0 為最優(yōu)值，或取最近一段時間內所有樣本中的最小值為最優(yōu)值。

2）計算各指標的當前合規(guī)指數(shù)SHGi。當前合規(guī)指數(shù)直接根據數(shù)據按照評判準則計算而得。

3）計算各指標的當前合規(guī)指數(shù)SHGi與最優(yōu)指數(shù)SZYi的相似度Sxsi。

4）確定各指標的權重。綜合利用層次分析法和熵值法確定各評判指標權重，按照各取0.5 方法得到綜合權重。

5）計算綜合相似度IZH，確定預警等級。

式中:Wi為第i 個指標的權重。

3 軟件實現(xiàn)

基于.NET 平臺，開發(fā)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判軟件，包括數(shù)據采集模塊、數(shù)據分析處理模塊和數(shù)據傳輸與存儲模塊。數(shù)據采集模塊主要通過WCF 接口從監(jiān)控系統(tǒng)中心站獲取監(jiān)測數(shù)據。數(shù)據分析模塊具體分為數(shù)據預處理子模塊和數(shù)據處理子模塊。預處理子模塊主要對采集的數(shù)據進行規(guī)則校驗、去噪等。數(shù)據處理子模塊主要依據評判準則對其進行評判。評判結果通過GIS 模塊進行展現(xiàn)，合規(guī)性軟件功能結構如圖3。

圖3 合規(guī)性軟件功能結構Fig.3 Functional structure of compliance evaluation software

4 結 語

提出了一種基于相關法律法規(guī)的煤礦安全合規(guī)性評判指標、準則及方法，并基于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)了相應的軟件和程序。開發(fā)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)自診斷方法能實時對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的合規(guī)性進行分析，對煤礦監(jiān)測監(jiān)控管理人員和監(jiān)管監(jiān)察相關人員快速掌握礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況具有重要的參考價值。