周天墨 陳佳林

摘要：為進一步提升煤礦風險辨識、綜合研判和智能預警的能力，構建基于云化技術路線，采用“端→邊→云”架構的煤礦安全風險預警系統(tǒng)。結果表明：1）系統(tǒng)在統(tǒng)一框架約束下，滿足了煤礦安全生產(chǎn)、安全監(jiān)察和風險分析一體化的綜合管理需求。2）基于混合云模式進一步解決了傳統(tǒng)云計算模式下，數(shù)據(jù)傳輸延時、云端處理負荷高、計算分析效率低、隱私保護性差等問題。3）系統(tǒng)具有較優(yōu)的靈活性與數(shù)據(jù)共享性，對提升用戶交互體驗、增強分析效率、降低傳輸風險，實現(xiàn)決策的實時準確響應等具有重要意義，有助于我國煤礦安全生產(chǎn)與風險綜合研判分析工作的深入發(fā)展。

關鍵詞：邊緣計算;邊云協(xié)同;煤礦;安全生產(chǎn);風險預警;分布式計算

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0010-03

1 引言

煤礦作為我國的首要能源產(chǎn)物，在社會經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位，而煤礦開采作為高危行業(yè)，如何盡可能快且準確地識別風險，保障安全狀態(tài)始終是產(chǎn)業(yè)長足發(fā)展需要重點關注與解決的問題。近些年隨著信息技術的發(fā)展，我國煤礦生產(chǎn)與監(jiān)察管理類系統(tǒng)[1-5]建設工作進展迅速，在助力減人增效工作的同時，也為行業(yè)安全生產(chǎn)管理、風險監(jiān)測預警工作提供了強有力的支撐。

當前，信息化系統(tǒng)已成為“國家監(jiān)察、地方監(jiān)管、企業(yè)負責”模式下煤礦安全生產(chǎn)、監(jiān)管監(jiān)察與風險預警分析的主要輔助方式之一，但是伴隨智能感知設備的部署與實時監(jiān)測能力的持續(xù)提升，面對海量異構數(shù)據(jù)的綜合管理與研判分析等客觀業(yè)務需求仍存在不足[6-9]：一是數(shù)據(jù)采集管理問題。由于不同傳感設備數(shù)據(jù)標準不一，導致實際工作中在數(shù)據(jù)匯交共享環(huán)節(jié)普遍存在底層數(shù)據(jù)融合困難、無效數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)質(zhì)量低等問題，進而直接影響上層業(yè)務功能流轉的通暢性與準確性，并且各類業(yè)務系統(tǒng)獨立建設運行、跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通受阻的現(xiàn)狀也不斷加劇“數(shù)據(jù)煙囪”的困境。二是數(shù)據(jù)傳輸響應問題。由于煤礦生產(chǎn)的特殊性與安全性要求，一般采用相對封閉的專用網(wǎng)絡，這造成網(wǎng)絡鏈路與傳輸協(xié)議具有較強的復雜性，進而影響數(shù)據(jù)上傳下載延遲、數(shù)據(jù)質(zhì)量受損、網(wǎng)絡資源利用率低等問題，無法滿足實時快速獲取數(shù)據(jù)分析結果的需求。因此，亟須通過技術優(yōu)化補齊短板，進一步推動煤礦信息化建設進程。

邊緣計算作為近些年逐漸興起的技術，主要通過充分利用分布在數(shù)據(jù)源附近的邊緣設備直接執(zhí)行計算分析任務，而非傳輸至云中心計算并等待結果回傳的特點[10-12]，被推廣應用于各領域的信息系統(tǒng)建設工作中，以彌補傳統(tǒng)云計算模式的不足?？梢哉f，通過融合邊緣計算技術的邊云協(xié)同模式，進一步解決了云計算中存在的帶寬壓力大、對云中心數(shù)據(jù)請求響應超時、數(shù)據(jù)安全風險高、靈活性有限等問題，對實際系統(tǒng)建設與應用推廣具有重要意義。

因此，為了更好地解決煤礦風險監(jiān)測與預警分析過程中存在的數(shù)據(jù)傳輸延時、數(shù)據(jù)回傳壓力大、網(wǎng)絡協(xié)議復雜靈活性差、云端處理負荷高效率低等問題，設計基于邊緣計算的煤礦安全風險預警系統(tǒng)，為進一步提升煤礦風險辨識、綜合研判和智能預警的能力提供支持。

2 總體設計

2.1 建設思路

綜合采用云計算、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)等多項技術，在解決日常安全生產(chǎn)管理、安全監(jiān)管監(jiān)察所需的多源異構基礎數(shù)據(jù)的快速獲取、清洗分類與集中管理、綜合研判分析的基礎上，以“全天候監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)、智能研判發(fā)現(xiàn)問題、智能匹配解決方案、輔助監(jiān)察執(zhí)法開展”為主線，構建適應智慧煤礦信息化建設與安全監(jiān)察為一體的綜合管理系統(tǒng)，即煤礦安全風險預警系統(tǒng)，著重提升煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)察執(zhí)法、隱患排查治理與風險預警的效率與實效。

系統(tǒng)采用云化技術路線，利用公有云和私有云相結合的混合架構，實現(xiàn)海量日常生產(chǎn)、設備監(jiān)測與分析數(shù)據(jù)的存儲管理，通過Java和ArcGIS Server for Flex完成并實現(xiàn)GIS相關訪問與數(shù)據(jù)分析功能的開發(fā)。支持與已有業(yè)務系統(tǒng)、操作平臺的交互操作，進一步滿足實際工作中跨部門、跨層級的數(shù)據(jù)操作需求以及對不同移動終端的自適應需求。通過系統(tǒng)的建設和推廣應用，不斷提升煤礦安全管理數(shù)據(jù)與安全監(jiān)管監(jiān)察數(shù)據(jù)的全面性、準確性與可用性，進而為及時發(fā)現(xiàn)、報告、分析隱患點提供支持?？梢罁?jù)隱患相關信息與既往案例智能匹配，為隱患治理提供切實可行的決策支持方案，通過系統(tǒng)的構建與應用，進一步提升煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察部門與煤礦企業(yè)識別風險、應對與處理隱患的能力。

2.2 系統(tǒng)架構

鑒于系統(tǒng)建設對數(shù)據(jù)安全性、響應度等方面的需求，采用當前信息化建設中常用的邊云協(xié)同架構進行構建。該模式與傳統(tǒng)云服務方式相比，由于“端→邊→云”相結合的三層模式使系統(tǒng)同時具有了云計算與邊緣計算的優(yōu)勢，又起到了兩種技術短板互補的效果，可進一步提升系統(tǒng)的服務時效與靈活性并降低網(wǎng)絡帶寬與云中心能耗，使基于“端→邊→云”架構的系統(tǒng)具有更為顯著的性能優(yōu)勢，如圖1所示。

通過圖1“端→邊→云”架構可同時支持橫向和縱向雙方向協(xié)同操作[10]。橫向協(xié)同主要用于數(shù)據(jù)層間的共享交互，通過分布在多處的邊緣節(jié)點（即邊緣計算設備）實現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)（即終端感知設備，如人員定位、視頻監(jiān)控、瓦斯傳感器、溫度傳感器、皮帶運輸機等等）在邊緣層的數(shù)據(jù)清洗與整合匯集，通過過濾無效數(shù)據(jù)減少其對進入云端數(shù)據(jù)的有效性與準確性的干擾，進一步減輕海量數(shù)據(jù)對于云端的壓力，降低數(shù)據(jù)訪問延時度，提升數(shù)據(jù)讀寫響應的速率。鑒于煤礦生產(chǎn)與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的特殊屬性，通過邊緣計算設備在邊緣層對其進行加密處理，進一步保證數(shù)據(jù)上傳與進入云端的安全性。

縱向協(xié)同主要為“端→邊→云”三個層級間的相互操作。由于不同設備對于系統(tǒng)實際應用需求的差異，三個層級具有不同的作用特點。云層主要用于完成整個系統(tǒng)的復雜模型計算分析任務，通過集成多源海量數(shù)據(jù)對表面現(xiàn)象開展深層次解析并返回計算結果。邊緣層作為中間部分，具有連接上下與數(shù)據(jù)緩沖的作用，數(shù)據(jù)就近于邊緣計算設備中進行簡要運算與分析，可進一步縮減數(shù)據(jù)上傳下載的時間，提高訪問效率，并且減輕終端直接訪問云端導致的計算負載，降低作業(yè)訪問時間，達到系統(tǒng)整體優(yōu)化的目標。終端主要為各類感知設備，用于完成生產(chǎn)與監(jiān)管環(huán)節(jié)最真實與基礎數(shù)據(jù)的實時收集。8DBE87C7-AEA5-4339-8853-1204E0F0B2FB

2.3 邏輯架構

在建設過程中，系統(tǒng)遵循“六層兩體系”結構，自上而下分別為：用戶服務層、應用功能層、服務支撐層、云服務層、邊緣計算層、設備感知層以及標準規(guī)范體系和安全運維體系組成，如圖2所示。

1）用戶服務層：由于煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察工作涉及政府機構、煤礦單位（生產(chǎn)單位）等多個部門，并受到社會公眾的高度關注。因此，為滿足不同層級用戶的不同關注需求，本層在設計時按照用戶屬性與屬性層級分為監(jiān)管監(jiān)察部門、煤礦企事業(yè)單位和社會公眾等三類。分別設定不同的訪問權限，逐層逐級細化用戶權限，在保證信息安全與秘密等級的情況下，從多角度為不同類型的訪問者提供滿足需求的信息服務。

2）應用功能層：本層為系統(tǒng)的核心服務層，按照生產(chǎn)管理流程分為智慧安全生產(chǎn)、智慧安全監(jiān)察、智慧風險研判等三部分。本層基于設備感知層所獲取的基礎數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)嵌的模型算法等解析后，為不同角色屬性用戶提供通用化或定制化服務，以滿足用戶直觀且清晰把握當前現(xiàn)狀、事態(tài)變化與發(fā)展趨勢等方面的需求。

3）服務支撐層：為避免重復開發(fā)，實現(xiàn)敏捷迭代，為系統(tǒng)提供共性技術支持，通過集成數(shù)統(tǒng)計服務、權限訪問服務、智能問答服務等多種服務。實現(xiàn)技術工具、功能組件的快速調(diào)用與靈活配置，進一步提升系統(tǒng)的集成度、降低冗余度，為系統(tǒng)各類應用提供可供挑選的統(tǒng)一公共支撐能力。

4）云服務層：結合煤礦安全風險預警系統(tǒng)建設需求，建立公用云和私有云的混合云環(huán)境。通過整合云端基礎設施、云安全、平臺服務、應用服務等多方運維管理內(nèi)容，依托各方平臺搭建統(tǒng)一的云管理平臺，實現(xiàn)云資源統(tǒng)一訪問和全方位管控，提供安全且高可用的、可快速部署的IT基礎設施服務。

5）邊緣計算層：本層由分布于感知終端與云服務層之間的邊緣節(jié)點構成[13]，通過它們實現(xiàn)感知設備中數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)源頭的計算與上傳等服務，具有與用戶距離近、延時低等特性。

6）設備感知層：面向煤礦安全生產(chǎn)、監(jiān)管監(jiān)察、智能研判分析等實際業(yè)務需求，提供保障系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)源，包括各類感知設備、視頻監(jiān)控設備、移動設備等，負責原始數(shù)據(jù)的不間斷收集與上傳，是整個系統(tǒng)運行的基礎保障。

7）標準規(guī)范體系：按照構建系統(tǒng)標準先行的原則，規(guī)范標準體系并將該體系貫穿于系統(tǒng)建設和與應用的始終。以統(tǒng)一的標準來約束和規(guī)范系統(tǒng)建設，確保數(shù)據(jù)標準一致，進而促進網(wǎng)絡互聯(lián)互通、應用系統(tǒng)無障礙互操作和信息順暢共享。

8）安全運維體系：系統(tǒng)從建成到投入，均需要穩(wěn)定可靠的技術隊伍進行日常維護，以保障系統(tǒng)的長期正常運行。涉及系統(tǒng)日常管理與維護規(guī)章制度、運維記錄等。

3 平臺功能

煤礦安全風險預警系統(tǒng)具體包括智慧安全生產(chǎn)子系統(tǒng)、智慧安全監(jiān)察子系統(tǒng)和智慧風險研判子系統(tǒng)三部分，如圖3所示。

3.1 智慧安全生產(chǎn)子系統(tǒng)

主要針對安全生產(chǎn)過程中涉及的企業(yè)基礎信息、安全生產(chǎn)管理信息、隱患排查治理、質(zhì)量標準化、應急指揮、安全培訓、安全生產(chǎn)統(tǒng)計信息等數(shù)據(jù)[14]的管理、分析與展示。此部分的數(shù)據(jù)，一是由煤礦填報，通過系統(tǒng)上報至各上級單位（子公司和集團），用于提供煤礦安全生產(chǎn)指標數(shù)據(jù)以幫助各級安全監(jiān)察監(jiān)管部門全面掌握煤礦安全生產(chǎn)情況，提高煤礦安全生產(chǎn)管理水平。二是，通過部署的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)實現(xiàn)煤礦企業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)、風險管理數(shù)據(jù)的采集和管理，實現(xiàn)以礦井為最小單元點的預警與防控。此外，本部分功能主要為實現(xiàn)對各類煤礦井下專用回風巷、采（盤）區(qū)專用回風巷、采掘工作面等地點瓦斯、一氧化碳濃度、溫度、風速等監(jiān)測數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)，并能查詢歷史數(shù)據(jù)，直觀展現(xiàn)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控信息。用戶可以按煤礦分組、傳感器類型、監(jiān)測地點進行篩選，并能夠進行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，還可對報警信息能夠重點顯示和處理。

3.2 智慧安全監(jiān)察子系統(tǒng)

建設智慧煤礦安全監(jiān)察子系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)察、現(xiàn)場執(zhí)法、事故調(diào)查與復工復產(chǎn)管理等。通過對監(jiān)察執(zhí)法過程中的執(zhí)法人員、執(zhí)法人員分工細化、執(zhí)法過程和執(zhí)法文書進行綜合管理維護，進一步提升現(xiàn)場執(zhí)法的實效性。利用移動執(zhí)法終端實時對接中心數(shù)據(jù)庫，通過接口下載煤礦信息、獲取執(zhí)法員人員基本信息等，在系統(tǒng)中制定監(jiān)察執(zhí)法計劃、監(jiān)察方案、執(zhí)法人員分工明細、現(xiàn)場監(jiān)察執(zhí)法信息、執(zhí)法文書等。子系統(tǒng)包含了煤礦安全監(jiān)察工作相關標準規(guī)范、檢查手冊庫等，可以進一步提升科學執(zhí)法能力，對煤礦、執(zhí)法任務、執(zhí)法人員、違法行為等多個維度的煤礦安全監(jiān)察執(zhí)法工作進行監(jiān)管。

3.3 智能風險研判子系統(tǒng)

立足于煤礦安全實際，從注重實用出發(fā)，統(tǒng)籌分析煤礦安全生產(chǎn)管理信息、煤礦企業(yè)事故信息、煤礦企業(yè)信息、智能感知終端數(shù)據(jù)、監(jiān)察執(zhí)法信息、隱患排查信息等多源異構數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)等技術建立煤礦風險預警模型，為實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)風險識別、風險評估、風險控制、風險預警與態(tài)勢分析等功能，提升科學準確獲悉風險規(guī)律與走勢挖掘、預測預警與應對措施的能力提供支撐。通過子系統(tǒng)應用可以大力提升安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的深入挖掘辨析能力，并將各類安全分析數(shù)據(jù)、動態(tài)管控數(shù)據(jù)、智能分析數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、安全風險預警分析數(shù)據(jù)、煤礦在線巡察結果等相關數(shù)據(jù)，通過GIS地圖進行可視化關聯(lián)展現(xiàn)。不斷加強安全生產(chǎn)周期性、關聯(lián)性等特征的綜合分析，進一步提升煤礦安全風險預警、災害治理與事故防范的科學性與準確性。

4 結束語

1）本文提出并設計基于云化技術路線，采用“端→邊→云”架構的煤礦安全風險預警系統(tǒng)，結合GIS技術將煤礦日常生產(chǎn)、安全監(jiān)管、風險研判等功能融為一體，實現(xiàn)安全監(jiān)管監(jiān)察部門、煤礦企事業(yè)單位、社會公眾等多級用戶的統(tǒng)一管理與服務支持，做到三大子系統(tǒng)業(yè)務流與數(shù)據(jù)的交互共通，為煤礦安全生產(chǎn)與風險預警提供及時準確的數(shù)據(jù)支持與智能研判分析服務，并為不斷提升監(jiān)察執(zhí)法人員快速判定風險隱患、制定應對處置方法提供支持。

2）基于混合云的數(shù)據(jù)交互共享模式，充分發(fā)揮邊緣計算技術低延時、低能耗、高靈活性的特點，為進一步優(yōu)化系統(tǒng)架構，提高數(shù)據(jù)分析服務質(zhì)量與隱私保護力度提供支撐。還可為礦區(qū)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心建設中存在的數(shù)據(jù)傳輸延時性高、云計算中心能耗大、數(shù)據(jù)安全保密性低等問題提供解決方案，有助于我國煤礦安全生產(chǎn)與風險綜合研判工作的深入發(fā)展，進而為加快推進智慧煤礦建設與管理水平提供助力。8DBE87C7-AEA5-4339-8853-1204E0F0B2FB

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】8DBE87C7-AEA5-4339-8853-1204E0F0B2FB