屈世甲，武福生，賀耀宜

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引 言

中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求方面明確了多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合的內(nèi)容，指出系統(tǒng)應(yīng)有機(jī)融合井下有線、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，宜與GIS技術(shù)、人員位置監(jiān)測(cè)、應(yīng)急廣播、移動(dòng)通信、供電系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、運(yùn)輸監(jiān)控、工作面監(jiān)控等系統(tǒng)有機(jī)融合[1]，在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面明確應(yīng)該具有偽數(shù)據(jù)標(biāo)注、異常數(shù)據(jù)分析、瓦斯涌出、火災(zāi)預(yù)警等大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析功能[2]。在多系統(tǒng)融合方面，行業(yè)技術(shù)較為領(lǐng)先廠家的監(jiān)控系統(tǒng)大多通過分站的以太網(wǎng)接口、RS485接口和CAN接口接入各對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，分站本身的通信鏈路控制器將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)分配并上傳至各自主機(jī)，各系統(tǒng)通過主機(jī)配置業(yè)務(wù)間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)分站級(jí)數(shù)據(jù)融合[3]。從現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控整個(gè)融合架構(gòu)來(lái)看，各系統(tǒng)融合方面，各區(qū)域僅僅是將安全監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)原有的數(shù)據(jù)采集分站融合在了一起，變成了一體的數(shù)據(jù)采集分站，分站級(jí)主要實(shí)現(xiàn)的是物理層級(jí)的融合。在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，雖然有些系統(tǒng)共用一臺(tái)分站采集區(qū)域數(shù)據(jù)，但是并沒有實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的應(yīng)用分析和關(guān)聯(lián)控制，比如瓦斯超限報(bào)警或者火災(zāi)報(bào)警時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)區(qū)域人員告警都是通過地面監(jiān)控系統(tǒng)或者人員定位主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在區(qū)域控制方面，中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司的KJ95X安全監(jiān)控系統(tǒng)在異地?cái)嚯姺矫媛氏炔捎昧诉吘売?jì)算的處理思路，系統(tǒng)異地?cái)嚯娍刂撇辉倩诎踩O(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)[4]，斷電控制事件響應(yīng)時(shí)間不再基于巡檢周期，實(shí)現(xiàn)了快速異地控制，異地?cái)嚯姇r(shí)間僅為5 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巡檢周期和《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》規(guī)定的“異地控制時(shí)間應(yīng)不大于2倍最大巡檢周期(上限40 s)”[1]的標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯鲞吘売?jì)算對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、處置能力提升非常明顯，但是目前邊緣計(jì)算在監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系僅僅停留在實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)異地?cái)嚯姷膶用?，在多系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面還沒有深入探究。筆者旨在區(qū)域數(shù)據(jù)利用邊緣網(wǎng)關(guān)采集、處理的思路下，分析邊緣計(jì)算在監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系中的適用性和有效性。

1 邊緣計(jì)算在監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系的適用性

美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍松教授等[5-6]定義的邊緣計(jì)算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式，包括了下行的云服務(wù)和上行的萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)。中國(guó)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)定義邊緣計(jì)算為靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)[7]，融合了網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用等開放平臺(tái)，并就近提供邊緣智能服務(wù)，用以滿足各行業(yè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能和安全隱私等方面的基本需求?？梢钥闯鲞吘売?jì)算終端節(jié)點(diǎn)不再是完全不負(fù)責(zé)計(jì)算，而是做一定量的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果傳遞到上一級(jí)邊緣節(jié)點(diǎn)[8]。

王國(guó)法院士[9]在智能化煤礦分類、分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，將智能化煤礦體系分為10個(gè)主要智能系統(tǒng)和若干個(gè)相關(guān)煤礦智能化子系統(tǒng)，其中智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系提出要根據(jù)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估信息自動(dòng)制定相應(yīng)的災(zāi)害防治、處置措施，要具有完善的安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控工作體系。在安全分級(jí)管控方面現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)了瓦斯超限斷電等簡(jiǎn)單功能，急需要借助邊緣計(jì)算模式和架構(gòu)將區(qū)域?yàn)?zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和部分分析功能下放到煤礦井下邊緣節(jié)點(diǎn)端實(shí)現(xiàn)，使該節(jié)點(diǎn)能夠脫離礦端主機(jī)實(shí)現(xiàn)第一級(jí)的各災(zāi)害分析預(yù)警及監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)問題，如災(zāi)害預(yù)警后安全監(jiān)控、人員定位、移動(dòng)通信和信息發(fā)布等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

邊緣計(jì)算中最重要的環(huán)節(jié)之一就是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的選擇，包括不同邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分布層級(jí)和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的可靠性問題等[10]。對(duì)現(xiàn)有安全監(jiān)控、人員定位、無(wú)線通信等系統(tǒng)進(jìn)行分析得出，煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系中至少需要布置井下區(qū)域邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(以下稱邊緣網(wǎng)關(guān))和礦端邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(以下稱邊緣主機(jī))兩級(jí)，配合云端數(shù)據(jù)分析、模型訓(xùn)練等云計(jì)算平臺(tái)和工具，形成完整的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系架構(gòu)。云計(jì)算配合邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于邊緣計(jì)算的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Coal mine monitoring and control system architecture is calculated based on the edge

由圖1可知，相比較現(xiàn)有各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)通過獲取系統(tǒng)各自對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，按《煤礦安全規(guī)程》或者《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》由主機(jī)進(jìn)行約定規(guī)則判斷并下發(fā)指令的處理模式，基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系最大改變?cè)趨^(qū)域邊緣網(wǎng)關(guān)的功能轉(zhuǎn)變升級(jí)方面，在原有的數(shù)據(jù)采集和單系統(tǒng)指令下發(fā)功能上增加了多系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和區(qū)域融合分析功能。原有的監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站端從數(shù)據(jù)采集器，命令執(zhí)行器轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域數(shù)據(jù)采集、分析和控制中心，能夠?qū)^(qū)域范圍內(nèi)各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、融合分析后下發(fā)控制指令?？梢钥闯鲋悄苓吘壘W(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)分析和控制方面可以不依賴于各系統(tǒng)邊緣主機(jī)，從數(shù)據(jù)處理效率和可靠度方面大幅提高了系統(tǒng)區(qū)域范圍數(shù)據(jù)分析和處置能力。綜合煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控現(xiàn)狀和智能煤礦發(fā)展需求來(lái)看，邊緣計(jì)算非常適合區(qū)域數(shù)據(jù)采集、分析和多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)等相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景，能夠從根本上解決各系統(tǒng)獨(dú)立處置、監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息孤島的問題。

2 煤礦邊緣節(jié)點(diǎn)平臺(tái)技術(shù)技術(shù)需求分析

在基于云、邊、端三級(jí)的煤礦邊緣計(jì)算監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系中，邊緣節(jié)點(diǎn)包含邊緣主機(jī)和邊緣網(wǎng)關(guān)2類。邊緣主機(jī)層面，現(xiàn)有的各系統(tǒng)主機(jī)在2018—2019年監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造中強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)分析功能的推動(dòng)下，硬件性能得到了極大提升，各主機(jī)之間數(shù)據(jù)交互都是通過地面以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)初步具備了轉(zhuǎn)變?yōu)榈V端邊緣主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析能力，本節(jié)主要討論煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系中井下邊緣網(wǎng)關(guān)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)問題。

邊緣網(wǎng)關(guān)計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)方面，選用EdgeX Foundry作為邊緣網(wǎng)關(guān)的總體框架，EdgeX Foundry是一系列松耦合、開源的微服務(wù)集合[11]，一般位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，能夠與設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器和其他物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象的物理世界進(jìn)行交互。該平臺(tái)的目的是為“物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算”創(chuàng)建公共開放平臺(tái)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域范圍不同廠家、不同監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的融合。平臺(tái)最大的優(yōu)點(diǎn)是其良好的互操作性，能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用和模塊化的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算生態(tài)。學(xué)者專家在邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方面，比較關(guān)注邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)和連接屬性[12-13]，強(qiáng)調(diào)網(wǎng)關(guān)是否能滿足設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)刃枰Ｗ鳛槊旱V井下邊緣網(wǎng)關(guān)，除區(qū)域范圍內(nèi)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)管理以外，還應(yīng)該具備邊緣端側(cè)的“計(jì)算”服務(wù)，包括推理決策、協(xié)同應(yīng)用等。因此，在EdgeX Foundry平臺(tái)架構(gòu)下，智能邊緣網(wǎng)關(guān)需要明確硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)2部分設(shè)計(jì)需求。

2.1 智能邊緣網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

煤礦智能邊緣網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)傳輸接口(包括傳感器與邊緣網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸和邊緣網(wǎng)關(guān)與邊緣主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸兩類)、邊緣側(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處置分析支撐能力3類。

1)邊緣數(shù)據(jù)傳輸接口。邊緣數(shù)據(jù)傳輸接口方面，包括有線傳輸和無(wú)線傳輸2種，一般來(lái)講，從邊緣網(wǎng)關(guān)到邊緣主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸由于數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)復(fù)雜等問題，選用有線傳輸為主，煤礦現(xiàn)場(chǎng)宜選用以太網(wǎng)光口或者以太網(wǎng)電口進(jìn)行邊緣節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。邊緣網(wǎng)關(guān)與各類傳感設(shè)備之間，需要兼顧有線傳輸和無(wú)線傳輸2類。其中有線傳輸接口主要用來(lái)和有線傳輸類傳感設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，長(zhǎng)久以來(lái)綜合煤礦井下通信距離、抗干擾能力等影響，行業(yè)傳輸分站與傳感器之間有線傳輸已經(jīng)形成了一些通用標(biāo)準(zhǔn)接口[14]，一般包括RS485、CAN和以太網(wǎng)等通信接口?？紤]到邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸問題，需增加PLC接口和MiniPCIe外擴(kuò)接口，包括UART、SPI和I2C等板級(jí)通信總線，用于擴(kuò)展其他必要的有線數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)線接口方面井下常用的包括WIFI、藍(lán)牙和4G等[15]，考慮到煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，需要增加高速和低速無(wú)線傳輸接口，在現(xiàn)有的無(wú)線通信基礎(chǔ)上增加5G模塊、Zigbee 模塊、UWB無(wú)線模塊和LoRa 模塊。5G是蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)延遲低，能夠適應(yīng)煤礦井下高速控制和傳輸?shù)臒o(wú)線需求。Zigbee是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無(wú)線通信技術(shù)，在不少人員定位等等系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛使用，UWB無(wú)線模塊主要用于高精度人員定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。Lora能夠適應(yīng)遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)的低速率數(shù)據(jù)傳輸，成本低且抗干擾能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)未來(lái)井下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中低速通信和小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸。

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。分析煤礦井下個(gè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，視頻數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他所有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量總和，比如100臺(tái)安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為1 kB，1臺(tái)200萬(wàn)像素左右的高清攝像機(jī)每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不小于4 096 kB。所以邊緣網(wǎng)關(guān)在存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方面需要按照是否接入高清攝像儀來(lái)選配。不接入高清攝像儀的情況下，內(nèi)存應(yīng)不小于1 GB，能夠支持本地MicroSD、TF卡，擴(kuò)展不小于32 GB。當(dāng)接入高清攝像儀的情況下，內(nèi)存應(yīng)不小于8 GB，存儲(chǔ)能力應(yīng)該能夠達(dá)到12 TB，能夠滿足本地8～10路的視頻接入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3)邊緣數(shù)據(jù)分析支撐硬件。數(shù)據(jù)分析處理主要是對(duì)網(wǎng)關(guān)CPU配置和算力的分析，對(duì)井下區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析梳理并結(jié)合行業(yè)智慧礦山體系對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的分析要求[16]，提出智能邊緣網(wǎng)關(guān)CPU應(yīng)選用達(dá)到或超過1.5 GHz 四核ARM Cortex A35 CPU算力超過15 000 Dmips的處理器。Arm Cortex-A35 是當(dāng)前比較高效的 Armv8-A 64-bit 處理器，目標(biāo)功耗不超過125 mW，能夠滿足井下本安智能邊緣網(wǎng)關(guān)在功耗方面的需求。

2.2 智能邊緣網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

在智能邊緣網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)方面推薦使用GNU/Linux操作系統(tǒng)[17]，該系統(tǒng)是UNIX陣營(yíng)中應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)之一，其開源、穩(wěn)定等特征使其廣泛應(yīng)用于嵌入式主機(jī)等產(chǎn)品，能夠支持多用戶、多任務(wù)、多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。Linux不僅系統(tǒng)性能穩(wěn)定，而且是開源軟件[18]。Linux將外圍設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)需遵循標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，嚴(yán)格執(zhí)行“分離與分層”思想，非常適合煤礦井下不同廠家監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入和分析處理?；贓dgeX Foundry平臺(tái)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于EdgeX Foundry平臺(tái)的邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.2 Edge gateway design architecture based on EdgeX Foundry platform

由圖2可知，煤礦井下邊緣網(wǎng)關(guān)具備了監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)域數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析的功能，應(yīng)用到監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中可以解決實(shí)際的問題類型，見表1。

表1 煤礦井下邊緣網(wǎng)關(guān)解決問題類型Table 1 Edge gateway to solve problem of coal mine type

3 基于邊緣計(jì)算的綜采工作面火災(zāi)處理

以工作面區(qū)域外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)、分析和處置為例，來(lái)說明現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系與基于邊緣計(jì)算模式監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系對(duì)災(zāi)害處理流程的不同。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系的安全分析預(yù)警中工作面外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括安全監(jiān)控系統(tǒng)中CO、O2、CO2等氣體以及溫度和煙霧等物理量的監(jiān)測(cè)[19]，較為先進(jìn)的外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)還配備有基于紅外熱成像的溫度遙測(cè)監(jiān)測(cè)和光纖測(cè)溫溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[20]，分別屬于視頻監(jiān)控系統(tǒng)和光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.1 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系的火災(zāi)分析處置

監(jiān)控系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)上傳至分站后經(jīng)環(huán)網(wǎng)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控和光纖測(cè)溫直接接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)環(huán)網(wǎng)上傳至視頻主機(jī)和光纖測(cè)溫主機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)通過信息化手段經(jīng)地面網(wǎng)絡(luò)獲取工作面對(duì)應(yīng)的紅外熱像儀溫度和光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)后，利用火災(zāi)分析模型對(duì)工作面區(qū)域火災(zāi)進(jìn)行分析報(bào)警。判斷工作面區(qū)域發(fā)生火災(zāi)后，監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)需要迅速對(duì)接人員定位系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)，獲取發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的入井人員信息，通過無(wú)線通信迅速將當(dāng)前火災(zāi)態(tài)勢(shì)和最優(yōu)處置方式下發(fā)到區(qū)域范圍人員攜帶的便攜PDA、人員定位終端或手機(jī)上，同時(shí)通過信息發(fā)布系統(tǒng)迅速將當(dāng)前火災(zāi)影響范圍和實(shí)時(shí)最優(yōu)避災(zāi)路線通過本安LED顯示屏在井下現(xiàn)場(chǎng)顯示，這個(gè)流程是現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系下較優(yōu)的火災(zāi)分析、處置方式，其處理流程示意如圖3所示。由圖3可知，對(duì)于外因火災(zāi)從監(jiān)測(cè)到處置完成共需要9個(gè)步驟，梳理見表2。

表2 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控火災(zāi)處理流程Table 2 Traditional monitoring monitoring fire treatment process

圖3 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系外因火災(zāi)處置流程Fig.3 Traditional monitoring and control system for disposal of external fire flow chart

3.2 基于邊緣計(jì)算的火災(zāi)分析處置

基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系下，將計(jì)算、分析模型下沉，區(qū)域數(shù)據(jù)采集、分析和處理工作都在邊緣網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于工作面外因火災(zāi)同樣的監(jiān)測(cè)和處置方式下，其處理流程示意如圖4所示。

由圖4可知，基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系對(duì)于外因火災(zāi)從監(jiān)測(cè)到處置完成僅需要4個(gè)步驟，梳理見表3。

表3 邊緣計(jì)算模式火災(zāi)處理流程梳理Table 3 Fire edge computation mode processing process of combing

圖4 基于邊緣計(jì)算的外因火災(zāi)處置流程Fig.4 Flow of external fire disposal based on edge computing

如上所述，借助工作面外因火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和處置流程對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系和基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系數(shù)據(jù)傳輸、分析和處置流程進(jìn)行了對(duì)比，明顯可以看出基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系在系統(tǒng)井下深度融合、區(qū)域安全融合分析和處置方面，都具有一定的優(yōu)勢(shì)，邊緣計(jì)算有效地提高了區(qū)域安全監(jiān)測(cè)、分析和處置的實(shí)效性和可靠性。

4 結(jié) 論

1)論述了邊緣計(jì)算模式在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系中的可行性問題，首次提出了建立基于云、邊、端三級(jí)的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系架構(gòu)，提出增加“端”側(cè)傳感信息的采集和第一級(jí)安全分析預(yù)警并實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動(dòng)功能。

2)提出了煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系中設(shè)置兩級(jí)邊緣節(jié)點(diǎn)的模式，分析指出邊緣網(wǎng)關(guān)是當(dāng)前更為關(guān)注的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。結(jié)合EdgeX Foundry平臺(tái)架構(gòu)對(duì)智能邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)提出了構(gòu)想，設(shè)計(jì)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邊緣網(wǎng)關(guān)的整體架構(gòu)。

3)以煤礦工作面外因火災(zāi)為例，分析了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系和基于邊緣計(jì)算監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系下對(duì)火災(zāi)信息采集、分析預(yù)警和災(zāi)變處置的不同流程，將原有的火災(zāi)9步處理流程優(yōu)化為4步處理流程。分析認(rèn)為基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系在系統(tǒng)井下深度融合、區(qū)域安全融合分析和處置方面相比較現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系都有一定的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為邊緣計(jì)算有效地提高了區(qū)域安全監(jiān)測(cè)、分析和處置的實(shí)效性和可靠性。