周代勇

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

隨著智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的不斷建設(shè)，智能化配套裝備將在井下融合通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，逐步建立起煤礦“一網(wǎng)一站”智能融合安全監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]，實(shí)現(xiàn)井下邊緣側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一承載和共網(wǎng)傳輸，完成礦井區(qū)域規(guī)劃，區(qū)域內(nèi)人員、機(jī)電設(shè)備和環(huán)境參數(shù)的安全檢測(cè)與防護(hù)[4-6]。為了確保煤礦對(duì)礦井區(qū)域信息的合理規(guī)劃和全面監(jiān)測(cè)監(jiān)控，跨區(qū)域通信機(jī)制、數(shù)據(jù)互通和控制策略的研究勢(shì)在必行，形成區(qū)域感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策和協(xié)同控制的跨區(qū)域控制技術(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)訪查和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提供的系統(tǒng)資料可知，煤礦集團(tuán)和安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)廠家推出的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)大多采用3 層模式架構(gòu)，可分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層[7-8]。感知層主要包括各類環(huán)境參數(shù)傳感器（如CH4、H2S、CO、壓力、風(fēng)速、溫度、粉塵、位移、流量等參數(shù)）、各種控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行器、綜合分站（人員、電力、安全監(jiān)控、頂板等）和PLC 信號(hào)的實(shí)時(shí)采集等；傳輸層主要包括“工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線+無(wú)線覆蓋”傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)全礦井系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)交互；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與井下系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、融合、分析、控制、儲(chǔ)存、顯示和上傳等功能[9-12]。分析系統(tǒng)的現(xiàn)有架構(gòu)可知，現(xiàn)有架構(gòu)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)協(xié)同控制時(shí)，主要存在以下不足：

1）邊緣區(qū)域側(cè)采集、控制能力薄弱。主要表現(xiàn)在邊緣側(cè)裝備技術(shù)落后，接口單一，測(cè)點(diǎn)設(shè)備多元化無(wú)法滿足要求，承載能力低，控制邏輯簡(jiǎn)單，組合邏輯不靈活，應(yīng)急能力缺失。

2）跨區(qū)域鏈路無(wú)法進(jìn)行井下網(wǎng)絡(luò)物理連接。主要表現(xiàn)在架構(gòu)機(jī)制是采用3 層架構(gòu)，傳輸層鏈路實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理連接后，感知層若實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理連接難度大，成本高，同時(shí)接口也不豐富。

3）跨區(qū)域協(xié)同控制失效。主要表現(xiàn)在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信故障，或上級(jí)設(shè)備故障，或上級(jí)線路異常中斷時(shí)，跨區(qū)域測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法采集，邏輯判斷結(jié)果無(wú)法建立通信連接，跨區(qū)域協(xié)同控制失效，或強(qiáng)制更改為通信故障控制。

4）跨區(qū)域控制不及時(shí)。主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)運(yùn)算中心放在端設(shè)備端，跨區(qū)域采集數(shù)據(jù)路過(guò)的設(shè)備點(diǎn)多，速度慢，與系統(tǒng)巡檢周期相關(guān)，控制結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)多次后才能到執(zhí)行設(shè)備，跨區(qū)域控制邏輯往往無(wú)法及時(shí)控制，或執(zhí)行反饋速度慢。

因此，將環(huán)網(wǎng)技術(shù)、總線技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)引入到邊緣區(qū)域采集控制裝備中，通過(guò)對(duì)邊緣側(cè)感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策和協(xié)同控制等技術(shù)及裝備的研發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)井下跨區(qū)域多元測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和協(xié)同控制技術(shù)。

1 跨區(qū)域協(xié)同控制裝備

跨區(qū)域協(xié)同控制裝備是在煤礦區(qū)域邊緣側(cè)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)采集、異地?cái)?shù)據(jù)采集、系統(tǒng)多業(yè)務(wù)的組合邏輯結(jié)算、執(zhí)行狀態(tài)數(shù)據(jù)推送和執(zhí)行反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。因此跨區(qū)域協(xié)同控制裝備平臺(tái)采用ArmRCortexRA35 架構(gòu)，支持集成NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元）協(xié)處理器進(jìn)行核心板硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)接口資源豐富，支持10/100/1 000 M 以太網(wǎng)接口自適應(yīng)，支持WIFI 無(wú)線通信模塊，支持5G 通信模塊，外接8 光6電交換機(jī)模塊進(jìn)行同級(jí)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。外設(shè)接口豐富多樣，如I2C 接口、SPI 接口、PDM/I2S 接口、USB3.0 接口、TF 卡接口、RS485 接口，CAN 接口、UWB 接口、ZIGBEE 接口、RFID 接口等?？鐓^(qū)域協(xié)同控制裝備設(shè)計(jì)框圖如圖1。

圖1 跨區(qū)域協(xié)同控制裝備設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design block diagram of cross-regional collaborative control equipment

跨區(qū)域協(xié)同控制裝備的業(yè)務(wù)承載能力主要包括安全監(jiān)控業(yè)務(wù)、人員定位業(yè)務(wù)、通信聯(lián)絡(luò)業(yè)務(wù)、供電監(jiān)控業(yè)務(wù)、頂板監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)和水文監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。搭建具備水、瓦斯、頂板、粉塵等災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治的綜合防控系統(tǒng)裝備。

2 跨區(qū)域協(xié)同控制策略

跨區(qū)域協(xié)同控制將礦井井下進(jìn)行邊緣區(qū)域劃分，邊緣區(qū)域礦用裝備通過(guò)跨區(qū)域協(xié)同控制裝置進(jìn)行業(yè)務(wù)管理，跨區(qū)域協(xié)同控制裝置主要完成邊緣區(qū)域人-機(jī)-環(huán)參數(shù)信息數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、控制和跨區(qū)域消息發(fā)布等業(yè)務(wù)。跨區(qū)域協(xié)同控制裝置作為數(shù)據(jù)運(yùn)算中心，根據(jù)預(yù)配置的跨區(qū)域組合邏輯進(jìn)行跨區(qū)域業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)算，將結(jié)算后的結(jié)果，通過(guò)廣播數(shù)據(jù)幀的形式下發(fā)給區(qū)域執(zhí)行器，區(qū)域執(zhí)行器將執(zhí)行狀態(tài)反饋到跨區(qū)域協(xié)同控制裝置，形成閉環(huán)的協(xié)同控制策略?？鐓^(qū)域協(xié)同控制裝置拓?fù)鋱D如圖2。

圖2 跨區(qū)域協(xié)同控制裝置拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of cross-regional cooperative control device

由跨區(qū)域協(xié)同控制裝置拓?fù)鋱D可知，數(shù)據(jù)幀采集處理是作為跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)幀主要包括跨區(qū)域采集數(shù)據(jù)幀和跨區(qū)域執(zhí)行控制數(shù)據(jù)幀，跨區(qū)域采集數(shù)據(jù)幀主要用于采集其他區(qū)域內(nèi)的邊緣數(shù)據(jù)信息，跨區(qū)域執(zhí)行數(shù)據(jù)幀是由數(shù)據(jù)運(yùn)算中心發(fā)出，其他跨區(qū)域控制裝置收到執(zhí)行控制幀時(shí)，開(kāi)啟控制執(zhí)行裝置完成執(zhí)行任務(wù)。

跨區(qū)域采集數(shù)據(jù)幀如下：①邊緣區(qū)域設(shè)備信息：設(shè)備類型、IP、MAC、設(shè)備號(hào)、工作狀態(tài)、電源；②邊緣區(qū)域采集環(huán)境參數(shù)信息：感知設(shè)備類型、地址、狀態(tài)、數(shù)值；③邊緣區(qū)域采集人員定位信息：卡的設(shè)備類型、入網(wǎng)時(shí)間、位置信息、工作狀態(tài)、電池電量；④邊緣區(qū)域終端信息：終端設(shè)備類型、地址、工作狀態(tài)、電源信息；⑤邊緣區(qū)域執(zhí)行裝置：執(zhí)行裝置類型、地址、狀態(tài)、工作模式。

跨區(qū)域執(zhí)行控制數(shù)據(jù)幀：①跨區(qū)域設(shè)備：設(shè)備IP、設(shè)備ID、設(shè)備類型、控制類型；②跨區(qū)域執(zhí)行信息：執(zhí)行裝置ID、控制狀態(tài)；③跨區(qū)域終端執(zhí)行信息：終端IP、終端ID、執(zhí)行模式、執(zhí)行狀態(tài)；④跨區(qū)域引導(dǎo)執(zhí)行信息：顯示IP、顯示ID、執(zhí)行模式、執(zhí)行內(nèi)容。

3 跨區(qū)協(xié)同控制策略配置及測(cè)試

用戶可根據(jù)邊緣區(qū)域規(guī)劃方案和系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面配置跨區(qū)域協(xié)同控制策略，開(kāi)啟不同形式的跨區(qū)域控制觸發(fā)條件，系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)界面提供了邊緣區(qū)域感知測(cè)點(diǎn)的跨區(qū)域觸發(fā)條件，如斷線、開(kāi)機(jī)預(yù)熱、ERO 故障、上限報(bào)警、上限斷電、下限報(bào)警、下限斷電、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警、三級(jí)報(bào)警和四級(jí)報(bào)警等觸發(fā)模式。該配置是屬于跨區(qū)域單測(cè)點(diǎn)多狀態(tài)的配置模式，適用于跨區(qū)域礦用設(shè)備多狀態(tài)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。

同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)也提供了組合條件多測(cè)點(diǎn)滿足多條件的跨區(qū)域觸發(fā)模式。執(zhí)行器可關(guān)聯(lián)斷電器、讀卡器、區(qū)域電子防護(hù)欄、電力控制器、廣播終端和信息引導(dǎo)終端。該配置是屬于跨區(qū)域多測(cè)點(diǎn)多條件配置模式，適用于邊緣區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，需完成多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的場(chǎng)景。

綜上所述，跨區(qū)協(xié)同控制策略的配置方式可分為測(cè)點(diǎn)配置模式和組合配置模式，測(cè)點(diǎn)配置模式適用于單獨(dú)礦用設(shè)備的跨區(qū)域控制。組合配置模式適用于多礦用設(shè)備的跨區(qū)域控制，可同時(shí)采集多邊緣區(qū)域的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成了多區(qū)域測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)算，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域的多邊多測(cè)點(diǎn)控制技術(shù)?？鐓^(qū)域協(xié)同控制響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 跨區(qū)域協(xié)同控制響應(yīng)時(shí)間Table 1 Cross-region coordinated control response time

4 跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)及裝備的優(yōu)點(diǎn)

跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)及裝備的優(yōu)點(diǎn): ①跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，若上傳鏈路出現(xiàn)異常時(shí)，可快速切換啟動(dòng)跨區(qū)域數(shù)據(jù)采集功能，確保礦井末端的數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定快速及時(shí)地上傳；②跨區(qū)域協(xié)同控制裝置以控制邊緣側(cè)為數(shù)據(jù)運(yùn)算中心，組合邏輯承載能力強(qiáng)，控制執(zhí)行速度快，反饋執(zhí)行狀態(tài)及時(shí)，幾乎等同于就地控制；③跨區(qū)域應(yīng)急聯(lián)動(dòng)是以單側(cè)數(shù)據(jù)結(jié)算，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的最晚響應(yīng)時(shí)間等同于跨區(qū)域通信的巡檢周期，因此，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的響應(yīng)速度更快；④跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)在邊緣控制側(cè)結(jié)算，控制結(jié)算時(shí)脫離上級(jí)設(shè)備或鏈路層的配合，跨區(qū)域控制邊緣側(cè)裝備獨(dú)立完成控制邏輯的結(jié)算，更能夠適應(yīng)煤礦井下環(huán)境的應(yīng)用需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種礦用跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)，研制了跨區(qū)域協(xié)同控制裝備；采用跨區(qū)域可編輯控制策略、網(wǎng)絡(luò)分組通信技術(shù)和智能饋控一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域邊緣裝備集成結(jié)算、協(xié)同控制和快速反饋；同時(shí)采用環(huán)網(wǎng)技術(shù)、總線技術(shù)和AI 處理技術(shù)確保測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的精度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度和數(shù)據(jù)處理的算力。礦用跨區(qū)域協(xié)同控制技術(shù)及裝備的研究，不僅是實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域的數(shù)據(jù)采集和協(xié)同控制平臺(tái)的搭建，而是將煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的組合邏輯控制結(jié)算平臺(tái)下沉到邊緣控制裝備側(cè)，實(shí)現(xiàn)了井下脫離地面平臺(tái)的配合，獨(dú)立完成了跨區(qū)域數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)結(jié)算、執(zhí)行狀態(tài)推送和反饋狀態(tài)采集等區(qū)域協(xié)同技術(shù)。為“一網(wǎng)一站”智能融合安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供了井下跨區(qū)域協(xié)同控制平臺(tái)。