鄒晨濤

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦 山東鄒城 273500）

我國作為一個煤炭生產(chǎn)、消耗大國，煤礦井下開采逐步向更深層延伸，開采工藝程序更繁瑣復(fù)雜以及生產(chǎn)企業(yè)顯著增多，特別是針對部分小煤礦而言生產(chǎn)方式滯后，易引發(fā)井下安全事故的風(fēng)險，給國家和社會帶來嚴(yán)重的損失。煤礦井下安全生產(chǎn)是人們關(guān)注的重點，增強(qiáng)井下作業(yè)安全監(jiān)測和管理力度，保證作業(yè)實施可靠性，是人們解決的重難點。掘進(jìn)面作為煤礦井下作業(yè)核心工作面，隨著其開采機(jī)械化、自動化水平提升，但監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)并未得到快速發(fā)展，仍沿用原有監(jiān)測工作模式，無法滿足當(dāng)下安全監(jiān)測預(yù)警需求。因此，應(yīng)積極掌握工作面智能監(jiān)測需求，研發(fā)相應(yīng)的監(jiān)測和安全預(yù)警技術(shù)，實現(xiàn)統(tǒng)一化監(jiān)測和控制，有利于在工作面掘進(jìn)工作正常實施的基礎(chǔ)上，降低人工實際勞動強(qiáng)度。

1 煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

分析井下煤礦掘進(jìn)工作開展時，通過現(xiàn)場監(jiān)測和預(yù)警多元化需求，完成整個系統(tǒng)設(shè)計和配置，確保整個系統(tǒng)在硬件方面滿足需求，同時，可實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定執(zhí)行監(jiān)測和預(yù)警任務(wù)的目標(biāo)。應(yīng)始終結(jié)合煤礦井下作業(yè)的實施，以智能化監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)為核心，從本質(zhì)層面保證現(xiàn)場視頻實際畫面?zhèn)鬏敻咝?，且確保整個系統(tǒng)自動化運行，整個監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含功能為現(xiàn)場圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸和處理等，該系統(tǒng)硬件設(shè)計包含以下幾方面。

1.1 現(xiàn)場圖像采集功能組設(shè)計

現(xiàn)場圖像采集工作十分關(guān)鍵，核心選取攝像儀完成不同工作環(huán)節(jié)的圖像收集和匯總，按照超循環(huán)、空頂作業(yè)、皮帶機(jī)堆煤等順序進(jìn)入實際區(qū)域內(nèi)監(jiān)測，應(yīng)增設(shè)與之相適應(yīng)的攝像儀實時完成圖像采集。伴隨當(dāng)下掘進(jìn)作業(yè)的開展和實施，作業(yè)面持續(xù)性發(fā)生推移，充分結(jié)合井下掘進(jìn)作業(yè)狀況，將圖像采集設(shè)備布設(shè)于超循環(huán)作業(yè)、空頂作業(yè)中，設(shè)計無線攝像儀持續(xù)性完成超循環(huán)、空頂作業(yè)現(xiàn)場采集等工作，最大限度地以皮帶機(jī)堆煤和破碎機(jī)區(qū)域做好動態(tài)化監(jiān)測，確保其更具穩(wěn)定性，設(shè)備正式安裝過程中應(yīng)始終遵循簡易、便捷的基本原則，對整個工作面進(jìn)行現(xiàn)場圖像采集工作。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸功能組設(shè)計

充分以交換機(jī)作為重要的媒介，其余煤礦井下作業(yè)各類設(shè)備進(jìn)行銜接，可動態(tài)化完成不同種類信息的共享和轉(zhuǎn)換，將其反饋至地面控制中心內(nèi)。該系統(tǒng)主要工作原理是將相關(guān)數(shù)據(jù)按照其自身格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。交換機(jī)接收不同設(shè)備數(shù)據(jù)時，應(yīng)及時掌握其具體檢測的地址，并動態(tài)化與相關(guān)地址做好比對，若存在該目的地址，方可將其數(shù)據(jù)完整、高效傳輸，若銜接處于交換機(jī)上設(shè)備地址存在，交換機(jī)自行將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至相關(guān)目的地內(nèi)，交換機(jī)設(shè)計過程中應(yīng)始終確保整個傳輸信號轉(zhuǎn)換穩(wěn)定、可靠。

1.3 數(shù)據(jù)處理功能組設(shè)計

服務(wù)器作為整個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心，需對采集匯總的圖像做好高效化處理。浪潮英信NF8640M3服務(wù)器自身性能優(yōu)良，配置較為便捷，符合多數(shù)煤礦井下作業(yè)實際需求，該服務(wù)器內(nèi)部搭載最新的處理器，硬盤數(shù)據(jù)寬帶功能大幅度提升，計算處理方面功能更具優(yōu)勢，符合井下動態(tài)化監(jiān)測和預(yù)警的功能。

1.4 現(xiàn)場報警功能組設(shè)計

煤礦掘進(jìn)面正式工作過程中，現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮關(guān)鍵的作用。其關(guān)鍵性作用在于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場產(chǎn)生異常狀況，及時發(fā)送警報信號，通過現(xiàn)場廣播將相關(guān)信號擴(kuò)大，第一時間可終止現(xiàn)場違規(guī)作業(yè)，為現(xiàn)場管理人員提供警示，及時采取有效的管理策略，實現(xiàn)現(xiàn)場工作實施的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)場報警功能組主要涵蓋廣播主機(jī)、音響。廣播主機(jī)發(fā)出井下聲光報警，其接收計算機(jī)內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)信息，充分完成相應(yīng)的解碼處理，進(jìn)行聲光報警信號發(fā)送；音響主要是將上述相應(yīng)的報警信號進(jìn)行傳輸及擴(kuò)展，實際應(yīng)用原理為將其有效放大處理，最終高質(zhì)量完成輸出。

1.5 數(shù)據(jù)存儲和顯示功能組設(shè)計

存儲設(shè)備選擇應(yīng)綜合性考量設(shè)備實用性、經(jīng)濟(jì)性，實際操作便捷，且數(shù)據(jù)存儲安全可靠。浪潮AS530N存儲系統(tǒng)在符合實際需求的基礎(chǔ)上，自身性價比較高，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，其特征如下。

第一，合理、靈活規(guī)劃設(shè)計。該存儲設(shè)備具有多元化的功能，可充分銜接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶對數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一性存儲及內(nèi)部數(shù)據(jù)共享的基本要求，可充分依托一個平臺完成多種協(xié)議的接入。

第二，更具擴(kuò)展性。系統(tǒng)可結(jié)合內(nèi)部業(yè)務(wù)實際需求，持續(xù)性完成自身功能擴(kuò)展，動態(tài)化提供監(jiān)控硬盤升級方案，從源頭減少內(nèi)部信息泄露風(fēng)險，充分與RAID技術(shù)有效融合，保證內(nèi)部數(shù)據(jù)信息可靠性的基礎(chǔ)上，降低整個用戶實際應(yīng)用成本支出。

第三，數(shù)據(jù)保障。全方位對電源做好支持，可自動切換和故障電源更換，避免單電源異常發(fā)生故障狀況下，系統(tǒng)內(nèi)部存儲設(shè)施終止工作，該系統(tǒng)維護(hù)操作較為便捷和簡易，并保證受外界因素影響處于斷電狀態(tài)，仍可保持一段時間工作，以免突然發(fā)生斷電造成內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失。

2 智能監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)軟件的開發(fā)

積極研發(fā)掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)，核心任務(wù)目標(biāo)為實現(xiàn)井下掘進(jìn)工作中各環(huán)節(jié)工作的自動化、實時化監(jiān)測，提高掘進(jìn)工作面監(jiān)測和預(yù)警智能化水平，其實際軟件的開發(fā)包含以下幾方面。

2.1 圖像采集模塊

AVICap 是一個窗口類軟件，其可實現(xiàn)上述目標(biāo)，通過對視頻信息做好操控，及時捕捉單幀圖像，工作效率較高，實時性較強(qiáng)，通過該模塊對視頻信息做好動態(tài)化操控，可獲取相應(yīng)的圖像信息。圖像采集主要包含三大環(huán)節(jié)，增設(shè)相應(yīng)視頻捕捉參數(shù)，并將其與實際顯示模塊相銜接，開啟視頻捕捉后，圖像采集主要是提供相應(yīng)的接口程序；獲取相關(guān)系統(tǒng)可及時掌握設(shè)備并實時調(diào)取相應(yīng)的視頻窗口，嚴(yán)格以監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)劃分，對不同監(jiān)測預(yù)警功能捕捉相應(yīng)的圖像；判定視頻流是否正常，圖像捕捉完成后處理分析作為核心，應(yīng)確保整個視頻流處于常規(guī)下完成整個信息圖像采集工作，直接提取當(dāng)前凸顯信息。

2.2 圖像預(yù)處理模塊

煤礦井下工作面開采現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸中傳輸設(shè)備、環(huán)境對數(shù)據(jù)造成干擾，獲取數(shù)據(jù)無法直接分析，應(yīng)將其及時做好轉(zhuǎn)化，需對其實施預(yù)處理工作，主要包含以下環(huán)節(jié)。

（1）圖像去噪。數(shù)字圖像在獲取、傳輸和處理中受設(shè)備、環(huán)境的干擾，將其視為圖像噪聲，其不同程度干擾整個圖像灰度，并降低整個圖像的質(zhì)量，為減少其對圖像處理的干擾，應(yīng)及時篩選圖像干擾信息，保存主要信息。

（2）色彩轉(zhuǎn)換。計算機(jī)內(nèi)部不同圖像像素選取位數(shù)可表示不同顏色，為進(jìn)一步提升整個處理成效，可選取較小內(nèi)存處理器完成圖像處理。

（3）二值化處理。圖像實際處理中，為凸顯圖像內(nèi)部主要信息，通常建議信息量小、數(shù)據(jù)簡單的圖像作為處理參考，其可將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎壮上瘢兄谕癸@重要信息，有利于圖像處理。

（4）圖像銳化。為直觀、形象地呈現(xiàn)圖像的相關(guān)信息，應(yīng)重視整個圖像銳化處理方法，提取圖片中的重要信息［1-2］。

2.3 計算分析模塊

計算分析模塊基本工作任務(wù)目標(biāo)為將上述相關(guān)圖片通過預(yù)處理后，對其圖片做好精細(xì)化分析，結(jié)合多元化實際報警需求，確定與之相匹配的算法，通過實際計算最終結(jié)果與初期計劃的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，可及時確定警報信號。

首先，超循環(huán)作業(yè)法。充分掌握當(dāng)下實際預(yù)警系統(tǒng)基本需求，完成各作業(yè)功能模塊設(shè)計，無線攝像儀器可動態(tài)化監(jiān)測整個井下掘進(jìn)作業(yè)，后臺服務(wù)器合理選取計算方法，明確采煤機(jī)初期所在部位，對其進(jìn)行實時跟蹤，明晰其實際工作開采距離，將其與初期相關(guān)參數(shù)比對，若其實際超出預(yù)先數(shù)值，后臺應(yīng)及時發(fā)送相應(yīng)的報警指令，相吻合的裝置動態(tài)化響應(yīng)，及時發(fā)送報警信號。

其次，空頂作業(yè)算法實現(xiàn)。按照監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實際需求，對空頂預(yù)警功能軟件模塊及時做好設(shè)計工作，攝像儀及時將整個工作面相關(guān)視頻動態(tài)化傳輸至控制中心，實時捕捉相應(yīng)的移動目標(biāo)時，判定存在空頂作業(yè)狀況，后臺可傳達(dá)預(yù)警信號。

最后，皮帶堆煤算法實現(xiàn)。結(jié)合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實際需求，對掘進(jìn)工作面皮帶機(jī)堆煤預(yù)警功能進(jìn)行設(shè)計，正式監(jiān)測后上位機(jī)初始化獲取相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)信息，判定各設(shè)備正常運作后，可對易發(fā)生堆煤區(qū)域內(nèi)監(jiān)測，動態(tài)化存儲視頻圖像，后臺服務(wù)軟件按照設(shè)定時間間隔提取相應(yīng)畫面，報警是否存在堆煤現(xiàn)象，報警過程中可將相關(guān)信息全部存儲于實際數(shù)據(jù)庫內(nèi)［3-4］。

2.4 顯示模塊

顯示控制模塊包含兩大單元內(nèi)容，不同單元承擔(dān)的功能不盡相同，按照其監(jiān)測預(yù)警需求，設(shè)計上述兩個單元模塊，自身功能體現(xiàn)在以下方面。

一方面，后臺服務(wù)程序顯示控制。后臺服務(wù)系統(tǒng)作為整個顯示模塊核心組成，核心任務(wù)目標(biāo)是承擔(dān)多個智能化預(yù)警模塊功能啟動、關(guān)閉，全面承擔(dān)監(jiān)測模塊現(xiàn)場圖像采集設(shè)備、報警設(shè)備工作基礎(chǔ)性信息。后臺服務(wù)軟件核心目標(biāo)控制煤礦井下作業(yè)報警，后臺服務(wù)軟件自動化讀取相關(guān)信息時，應(yīng)始終結(jié)合實際狀況靈活性調(diào)用監(jiān)測預(yù)警設(shè)備，完成通信目標(biāo)。

另一方面，用戶界面軟件顯示控制。該軟件主要服務(wù)主體目標(biāo)為用戶軟件，基本性職責(zé)為客觀、全面顯示現(xiàn)場監(jiān)測視頻圖像和數(shù)據(jù)庫內(nèi)報警信息，控制圖像實際采集設(shè)備基本參數(shù)布設(shè)，充分選用該軟件用戶動態(tài)化查看不同監(jiān)測點相應(yīng)的視頻畫面。

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊核心在于完成多方面數(shù)據(jù)信息存儲，應(yīng)積極設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，滿足實際系統(tǒng)基本需求，上述將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化分析處理后，現(xiàn)場產(chǎn)生異常狀況應(yīng)及時發(fā)出警報，并第一時間將其存儲于整個后臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為后續(xù)各環(huán)節(jié)工作內(nèi)容提供助力，待其數(shù)據(jù)存儲完成后，并充分做好相應(yīng)的類型顯示。視頻圖像的存儲、報警信息存儲基本原理較為相似，攝像儀將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)按照不同的基本標(biāo)準(zhǔn)合理劃分，將其及時保存至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，自動生成地址信息發(fā)送至大屏顯示單元內(nèi)。

3 掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

3.1 項目概況分析

該煤礦實際面積為61.8km2，地質(zhì)儲量為12.3億t，可采儲量為8.3億t，通過現(xiàn)場勘察審核，其實際生產(chǎn)能力為1400萬t/年，礦井綜合自動化水平較高，實現(xiàn)了運輸系統(tǒng)皮帶化、生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動化控制和安全監(jiān)控系統(tǒng)自動化，同時，煤礦實際安全、生產(chǎn)及運輸均實現(xiàn)信息自動化。當(dāng)下該煤礦增設(shè)相應(yīng)的信息系統(tǒng)，具備較佳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和傳輸條件，其作業(yè)智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，充分依附該綜合信息系統(tǒng)實現(xiàn)各項功能。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

結(jié)合該煤礦工程實際狀況，分析其掘進(jìn)面工作現(xiàn)狀，增設(shè)預(yù)警和堆煤監(jiān)測系統(tǒng)、人員違規(guī)進(jìn)行破碎機(jī)區(qū)域內(nèi)預(yù)警系統(tǒng)，分別對各區(qū)別內(nèi)做好預(yù)警工作。一方面，井下設(shè)備應(yīng)用設(shè)計。煤礦頂部周圍安設(shè)先進(jìn)的攝像機(jī)、廣播設(shè)施，核心任務(wù)目標(biāo)為空頂作業(yè)、超循環(huán)作業(yè)預(yù)測和報警工作，動態(tài)化掌握相關(guān)信號，皮帶機(jī)尾部增設(shè)該礦用本安型網(wǎng)絡(luò)攝像儀、廣播、交換機(jī)等，主要用于搭接部位堆煤監(jiān)測和預(yù)警工作。另一方面，地面設(shè)備應(yīng)用設(shè)計。地面設(shè)備較多，實際開展井下作業(yè)時，地面可充分與井下相關(guān)設(shè)備聯(lián)合，實現(xiàn)動態(tài)化井下作業(yè)監(jiān)測，將其狀況呈現(xiàn)于大屏上，產(chǎn)生警報信息，為現(xiàn)場調(diào)度人員做以警示，第一時間采取可靠的措施。通過實踐證明，該系統(tǒng)處于正常運行工作狀態(tài)，導(dǎo)出后臺記錄保存的報警數(shù)據(jù)，分別對掘進(jìn)超循環(huán)作業(yè)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)、空頂作業(yè)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)、皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)等做好統(tǒng)計，該系統(tǒng)實現(xiàn)較佳除塵成效下，8m 內(nèi)超循環(huán)作業(yè)的監(jiān)測，正式監(jiān)測過程中其實際誤差小于5%，整個系統(tǒng)啟動可全方位監(jiān)測井下各區(qū)域內(nèi)工作狀況，誤報率處于合理范圍內(nèi)，滿足動態(tài)化監(jiān)測和預(yù)警的基本要求。對不同單元模塊應(yīng)用成效進(jìn)行分析，掌握智能監(jiān)測和安全預(yù)警技術(shù)在整個煤礦掘進(jìn)面中具有關(guān)鍵的功能［5-6］。

4 結(jié)語

煤礦掘進(jìn)面工作的實施安全始終作為生命線，隨著掘進(jìn)工作面施工機(jī)械化、自動化水平的顯著提升，開采過程中監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)無法滿足實際狀況，選用監(jiān)測和預(yù)警方式滯后，難以符合安全預(yù)警監(jiān)測需求。因此，應(yīng)積極探索掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測和安全預(yù)警技術(shù)，研制掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)正常掘進(jìn)工作的基礎(chǔ)上，降低人工實際勞動強(qiáng)度。