菅虹燕

（山西省晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

0 引 言

目前我國(guó)多數(shù)礦井采用的監(jiān)控系統(tǒng)功能單一，設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單，通常只具有視頻記錄功能，可以滿足日常監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但在實(shí)時(shí)智能化預(yù)警分析方面還存在一定的差距。監(jiān)控人員可以調(diào)取監(jiān)測(cè)監(jiān)控記錄并進(jìn)行分析，但通常是事后分析，不能起到超前或者實(shí)時(shí)預(yù)警分析作用，從而使監(jiān)測(cè)監(jiān)控效果大打折扣。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、智能化、圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)等的大量應(yīng)用，智能識(shí)別技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，其潛在的應(yīng)用使煤礦安全管理產(chǎn)生了巨大的變革[1-3]。

現(xiàn)階段，在煤礦應(yīng)用的智能化識(shí)別技術(shù)已經(jīng)有了一系列的發(fā)展。魏晶[4]分析了定位系統(tǒng)在煤礦安全管理方面存在的不足，設(shè)計(jì)了智能視頻識(shí)別系統(tǒng)對(duì)人員和車輛進(jìn)行管理，提高了效率并解決了例如只錄虹膜而不下井等安全管理方面的問(wèn)題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)區(qū)域智能預(yù)警。劉東升[5]設(shè)計(jì)了煤巖智能視頻識(shí)別系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)可以有效識(shí)別工作面煤巖情況，使采煤機(jī)針對(duì)不同的情況進(jìn)行調(diào)整，提高采煤效率、降低損耗，并減少事故的發(fā)生。劉浩等對(duì)井下作業(yè)員工的不安全行文開(kāi)展了智能視頻識(shí)別，通過(guò)對(duì)員工行為的監(jiān)控、分析，能夠提前或者實(shí)時(shí)對(duì)員工不安全行為進(jìn)行預(yù)警，從而避免事故的發(fā)生。另外，也有很多研究人員對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理開(kāi)展智能化研究，通過(guò)全面的智能化研究開(kāi)展雙預(yù)控工作，開(kāi)創(chuàng)了安全管理的新方法。

煤礦的智能化是下一步的發(fā)展趨勢(shì)[6]，2020年2月，由國(guó)家相關(guān)部委下發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，給煤礦智能化提供了綱領(lǐng)性的文件，也對(duì)下一步的發(fā)展方向提供了指導(dǎo)。此次通過(guò)對(duì)井下煤礦安全管理情況進(jìn)行分析，將智能化識(shí)別系統(tǒng)與視頻監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)相融合，同時(shí)考慮雙預(yù)控安全管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了本安型信息預(yù)警管理系統(tǒng)，可以對(duì)井下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、重點(diǎn)崗位實(shí)時(shí)狀態(tài)以及井下人員身份自動(dòng)識(shí)別功能等進(jìn)行管理。

1 安全管理概況及智能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

此次開(kāi)展應(yīng)用研究的煤礦已經(jīng)建立雙預(yù)控管理體系、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理體系以及隱患排查治理體系，但3套系統(tǒng)互不統(tǒng)屬，造成了數(shù)據(jù)重復(fù)、不能相互利用，運(yùn)行工作繁雜和管理效率低下等問(wèn)題。對(duì)礦井實(shí)際安全管理工作進(jìn)行總結(jié)分析，需將以上3套系統(tǒng)進(jìn)行融合升級(jí)，從而達(dá)到安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、合并存儲(chǔ)、集中分析、分級(jí)管控的目的，通過(guò)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了安全風(fēng)險(xiǎn)管控、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)、隱患排查治理、隱患智能識(shí)別、動(dòng)態(tài)考核等功能，將安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)相互融合，利用數(shù)據(jù)互相印證，提高了準(zhǔn)確性和系統(tǒng)運(yùn)行效率。

本安型信息管控系統(tǒng)以安全管理信息為對(duì)象，以工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能系統(tǒng)、云計(jì)算等先進(jìn)的信息技術(shù)為手段，以先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)和計(jì)算方法為媒介，有效推動(dòng)智慧礦山相關(guān)工作的開(kāi)展，提高礦井效益、確保風(fēng)險(xiǎn)可控、實(shí)現(xiàn)集約管理，建設(shè)高效、智能、環(huán)保煤礦企業(yè)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本安型信息管控系統(tǒng)所處理的源數(shù)據(jù)主要來(lái)自井下現(xiàn)場(chǎng)視頻、排查隱患、環(huán)境監(jiān)控以及礦壓監(jiān)測(cè)等相關(guān)數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分別利用Mysql開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)和Hbase數(shù)據(jù)庫(kù)。

建構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析模型對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分布表。在統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系上，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和維運(yùn)基礎(chǔ)，系統(tǒng)架構(gòu)可分為6層，如圖1所示。

圖1 本安信息管控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Intrinsically safe information control system architecture

（1）接入層。本層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接入，主要包括工業(yè)監(jiān)控和安防視頻等數(shù)據(jù)的接入，將系統(tǒng)構(gòu)建所需要的所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳，為系統(tǒng)提供各模塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。提供視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾ǖ溃曰ヂ?lián)網(wǎng)和專網(wǎng)為主。系統(tǒng)利用以太網(wǎng)接口等通道直接接入環(huán)網(wǎng)。為了確保數(shù)據(jù)安全并保密，可以利用防火墻或者安全邊界等確保數(shù)據(jù)安全。

（3）數(shù)據(jù)層。利用大數(shù)據(jù)分析對(duì)非結(jié)構(gòu)化的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)開(kāi)展解譯工作，并實(shí)時(shí)分析接入的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)于分析解譯的數(shù)據(jù)開(kāi)展辨識(shí)和預(yù)警，同時(shí)向相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)提供高價(jià)值的數(shù)據(jù)成果。

（4）應(yīng)用層。通過(guò)數(shù)據(jù)層的解譯，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，開(kāi)展相關(guān)信息的查詢、制表、打印以及其他后臺(tái)功能。

（5）表現(xiàn)層。根據(jù)需求的不同，可提供大屏展示、微客戶端展示等不同的表現(xiàn)形式。

（6）用戶層。為不同等級(jí)的應(yīng)用單位以及相關(guān)部門(mén)提供有針對(duì)性的應(yīng)用功能。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本安型信息管控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括攝像頭、路由器、視頻矩陣、監(jiān)控大屏和服務(wù)器等，如圖2所示。攝像頭作為最重要的輸入設(shè)備，盡量采用已經(jīng)安裝的攝像頭，減少后期改造工程量和投入；在光線不能滿足需要的地方盡量采用紅外線攝像頭；如果監(jiān)控地點(diǎn)粉塵較大，可采用具有自潔功能的納米攝像頭，提高視頻數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖2 本安信息管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of intrinsically safe Information Control System

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能化監(jiān)測(cè)

礦井重要生產(chǎn)設(shè)備均采用了視頻監(jiān)控，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能識(shí)別，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行情況、異常情況及存在的隱患，例如皮帶運(yùn)輸機(jī)嚴(yán)重跑偏、主井架空行人裝置未按照指令運(yùn)行、管道裂紋漏水漏氣、皮帶運(yùn)輸機(jī)空載等，通過(guò)及時(shí)查清狀態(tài)并預(yù)警，確保設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。利用對(duì)運(yùn)動(dòng)中的物體進(jìn)行辨識(shí)來(lái)判斷皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、空載及停運(yùn)3種不同的狀態(tài)。當(dāng)辨識(shí)結(jié)果顯示設(shè)備從正常運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛰d或者停運(yùn)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)錄像、截圖并預(yù)警。

3.2 重點(diǎn)門(mén)崗狀態(tài)智能識(shí)別

煤礦井下的重要場(chǎng)所和工業(yè)廣場(chǎng)重要位置安設(shè)攝像頭，利用智能識(shí)別系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)大門(mén)的局部特征來(lái)確定開(kāi)、閉狀態(tài)。其中井下炸藥庫(kù)、安全硐室、中央變電所（水泵房）等重要硐室，在正常情況下大門(mén)閉合，為了加強(qiáng)管控，當(dāng)智能識(shí)別系統(tǒng)反饋大門(mén)打開(kāi)，系統(tǒng)自動(dòng)截圖并發(fā)送預(yù)警信息，提醒工作人員進(jìn)行管控，以防非法進(jìn)入或長(zhǎng)時(shí)間處于不正常狀態(tài)。礦井主要變電所、絞車房、壓風(fēng)機(jī)房等地表重要場(chǎng)所大門(mén)通常也是關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)大門(mén)打開(kāi)后，系統(tǒng)進(jìn)行智能識(shí)別并進(jìn)行預(yù)警。

大門(mén)狀態(tài)智能識(shí)別步驟：系統(tǒng)程序定位在大門(mén)視頻畫(huà)面上，大門(mén)在正常閉合時(shí)，標(biāo)定出門(mén)縫位置；當(dāng)大門(mén)打開(kāi)時(shí)，程序自動(dòng)與未打開(kāi)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，并下達(dá)預(yù)設(shè)指令。

3.3 入井人員份身智能識(shí)別

對(duì)入井人員提前采集面部信息，以用于人臉對(duì)比，為了提高識(shí)別準(zhǔn)確率，分別采集人員是否帶口罩和安全帽等4種情況，然后入數(shù)據(jù)庫(kù)。入井人員身份識(shí)別步驟如圖3所示。在井下中央變電所、炸藥庫(kù)等重要硐室以及礦領(lǐng)導(dǎo)交接班和無(wú)人值守機(jī)電硐室等地點(diǎn)安裝攝像頭，進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)模型方，法確認(rèn)入井人員身份，從而實(shí)現(xiàn)身份核準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)考勤等。

圖3 入井人員身份智能識(shí)別結(jié)構(gòu)Fig.3 Intelligent identification structure of entry personnel

3.4 礦井安全風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警功能

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警流程如圖4所示。生產(chǎn)一線操縱重型裝備，空間有限且生產(chǎn)任務(wù)重，因此現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管控非常重要。本系統(tǒng)對(duì)隱患排查數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行有機(jī)融合，并利用模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)人員崗位職責(zé)開(kāi)展分級(jí)預(yù)警。礦井通過(guò)隱患整改復(fù)查，實(shí)現(xiàn)安全可控；對(duì)于重大隱患則需要上報(bào)上級(jí)公司，進(jìn)行掛牌督辦，消除重大隱患。

圖4 礦井安全風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警流程Fig.4 Early warning process of mine safety risk analysis

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

該礦井在開(kāi)發(fā)本安型信息管控系統(tǒng)時(shí)就已經(jīng)排查并建立危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了礦井安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，梳理了礦井從業(yè)人員不安全行為1 800余條，分析了專業(yè)危險(xiǎn)源6 000余項(xiàng)；以風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)為媒介，實(shí)現(xiàn)了礦井風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)源辨識(shí)、整改措施執(zhí)行、危險(xiǎn)源升（降）級(jí)、登記與注銷等的流程化管控。智能視頻系統(tǒng)包括98個(gè)高清視頻接入點(diǎn)，井上51個(gè)、井下47個(gè)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題隱患整改的全流程可視化，智能視頻識(shí)別具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，并能夠根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)給出合理的整改措施，從而提高礦井安全管理的時(shí)效性和全面性，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和流程化進(jìn)行了規(guī)范。

5 結(jié) 語(yǔ)

將高清視頻智能識(shí)別系統(tǒng)與煤礦已經(jīng)構(gòu)建完成的雙預(yù)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)相融合，設(shè)計(jì)本安型安全信息管控系統(tǒng)，能夠完成生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能化監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)門(mén)崗狀態(tài)智能識(shí)別、入井人員身份智能識(shí)別、礦井安全風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警等功能，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題隱患整改的全流程可視化和數(shù)字化。智能視頻識(shí)別具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，并能夠根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)給出合理的整改措施，從而提高礦井安全管理的時(shí)效性和全面性，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和流程化進(jìn)行了規(guī)范。本系統(tǒng)對(duì)多維度和多層次的風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行深入挖掘和對(duì)比、分析、整理，能夠更加全面和高效的實(shí)現(xiàn)煤礦安全智能化管理。