譚 震，王建文，王宏科，加保瑞，陳 菲

(陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719000)

0 引言

煤礦智能化具有安全、高效和操作簡單的優(yōu)勢，是煤炭行業(yè)的發(fā)展方向[1-4]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能控制等信息技術(shù)的高速發(fā)展及其在煤礦領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，使得煤礦的信息化、數(shù)字化、智能化管理水平得到大幅提高[5-7]。煤礦井下生產(chǎn)面臨瓦斯、水害、火災(zāi)等諸多災(zāi)害，傳統(tǒng)防治檢測手段時效性差較，災(zāi)害防治的信息化、智能化管理能夠有效解決危險區(qū)域人員的安全保障問題[8-10]。王國法院士指出，煤礦智能化的關(guān)鍵核心是以煤炭工業(yè)大數(shù)據(jù)為支撐，以智能化礦山基礎(chǔ)軟件為統(tǒng)一基礎(chǔ)的智能綜合管控平臺[11]。因此，有必要構(gòu)建一種災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)，將粉塵、火災(zāi)、水害等礦井災(zāi)害的管理集中到一個系統(tǒng)上，實現(xiàn)礦井災(zāi)害的綜合防治。

在礦井災(zāi)害智能防治檢測方面，我國學(xué)者已取得了諸多成果，但是多為單個災(zāi)害子系統(tǒng)的研究，沒有將煤礦的各種災(zāi)害綜合到一個系統(tǒng)平臺。孟秀峰等研究人員[12]運用層次分析法建立了礦井瓦斯防治系統(tǒng)層次體系，然后運用模糊綜合評價方法對礦井瓦斯防治系統(tǒng)進(jìn)行快速的診斷評價；蒲陽等研究人員[13]構(gòu)建了煤與瓦斯突出防治信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對2個“四位一體”綜合防突技術(shù)執(zhí)行情況的過程管控；盧瑞翔等研究人員[14]設(shè)計了一套基于專家決策支持的煤自燃火災(zāi)防控系統(tǒng)，應(yīng)用TOPSIS方法對不同決策進(jìn)行評價排序，獲得最優(yōu)的煤自燃火災(zāi)防控決策；陳曉晶[15]針對智能礦山火災(zāi)防控子系統(tǒng)建設(shè)過程中數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行層不全面、邊緣計算功能未體現(xiàn)、綜合防控平臺建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不明確等問題，提出基于“云-邊-端”協(xié)同的架構(gòu)體系；鄭林江等研究人員[16]針對煤礦粉塵現(xiàn)有檢測手段時效性差、人為抽檢易失實、不能連續(xù)監(jiān)測等問題，引入物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦粉塵監(jiān)測云服務(wù)平臺；王皓等研究人員[17]針對煤礦水害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綜合管理效率不高、水害超前防控精細(xì)程度不足等問題，構(gòu)建了煤礦水害智能化防控平臺，并闡述了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)；屈世甲等研究人員[18]從智能工作面環(huán)境安全監(jiān)測及預(yù)警方面的需求入手，利用信息化手段研究了智能工作面環(huán)境安全的實時監(jiān)測和分析預(yù)警實現(xiàn)問題。

煤礦智能化防治子系統(tǒng)的研究雖然為煤礦的安全防治發(fā)揮了重要作用，但各子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性不強，容易出現(xiàn)信息孤島現(xiàn)象?；诖耍P者提出基于現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)，能夠?qū)⒚旱V粉塵、火災(zāi)、水害等災(zāi)害綜合到一個平臺，進(jìn)而實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動和現(xiàn)場信息化安全管控，落實應(yīng)急救援輔助指揮、事故原因分析、礦井災(zāi)變狀態(tài)下避災(zāi)路線智能規(guī)劃等功能，消除信息孤島現(xiàn)象。

1 煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)設(shè)計思路

煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)采用現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件等技術(shù)，基于煤礦智能化綜合管控平臺，有效集成礦山基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)以及人員位置、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備工況等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建立起的統(tǒng)一礦山數(shù)據(jù)中心。該系統(tǒng)能夠在統(tǒng)一的時空框架下實現(xiàn)“人-機-環(huán)-管”系統(tǒng)協(xié)同、數(shù)據(jù)融合及時序存儲及大數(shù)據(jù)分析。通過將煤礦粉塵、火災(zāi)、水害等煤礦災(zāi)害綜合到一個平臺，消除單個子系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，進(jìn)行煤礦井下重大危險源的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控及預(yù)測預(yù)警。煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

通過傳感器、攝像頭、智能終端等監(jiān)測手段對與煤礦災(zāi)害相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視上傳，如與粉塵相關(guān)的粉塵濃度等，以及與火災(zāi)相關(guān)的采空區(qū)溫度、氣體濃度等，然后利用自回歸深度學(xué)習(xí)模型、多層RNN-LSTM模型、LSTM-ARIMA學(xué)習(xí)模型等對獲取的龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析等加工處理，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)匹配，實現(xiàn)煤礦井下各種災(zāi)害的分析預(yù)測，最后將各種災(zāi)害子系統(tǒng)統(tǒng)一到綜合防治系統(tǒng)。

2 煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)主要功能

根據(jù)煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)設(shè)計思路，煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能包括安全風(fēng)險數(shù)據(jù)融合監(jiān)視、安全態(tài)勢預(yù)測預(yù)警、安全風(fēng)險分級管控、隱患排查治理、輔助應(yīng)急救援等。煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.1 安全風(fēng)險數(shù)據(jù)融合監(jiān)視

根據(jù)煤礦實際管理需求劃分網(wǎng)格區(qū)域，將各網(wǎng)格區(qū)域視為“風(fēng)險點”，并以“風(fēng)險點”為主線，將礦上安全管理數(shù)據(jù)(包括風(fēng)險管控、隱患治理、“三違”管理、人員定位等)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、安全風(fēng)險監(jiān)測數(shù)據(jù)(災(zāi)害相關(guān)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測)利用信息技術(shù)融合到一起，能夠直觀地看到每個“風(fēng)險點”下各類數(shù)據(jù)融合的相關(guān)信息。風(fēng)險數(shù)據(jù)融合監(jiān)視界面如圖3所示。

圖3 風(fēng)險數(shù)據(jù)融合監(jiān)視界面

2.2 安全態(tài)勢預(yù)測預(yù)警

以“風(fēng)險點”為維度，針對煤礦井下重要場所，如采煤工作面、掘進(jìn)工作面等，基于“風(fēng)險點”下各類數(shù)據(jù)，利用多層RNN-LSTM深度學(xué)習(xí)模型、自回歸深度模型和LSTM-ARIMA學(xué)習(xí)模型等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建安全風(fēng)險指數(shù)動態(tài)評估指標(biāo)體系，并構(gòu)建風(fēng)險點下區(qū)域動態(tài)評估模型。以處理后的多源信息為基礎(chǔ)，判斷各風(fēng)險點狀態(tài)及災(zāi)害發(fā)生位置，實現(xiàn)對重要風(fēng)險點下區(qū)域安全態(tài)勢的動態(tài)評估。安全態(tài)勢預(yù)測預(yù)警界面如圖4所示。

圖4 安全態(tài)勢預(yù)測預(yù)警界面

2.3 安全風(fēng)險分級管控

系統(tǒng)結(jié)合煤礦的實際生產(chǎn)情況，實現(xiàn)對安全風(fēng)險的記錄、跟蹤、統(tǒng)計、分析、上報的全過程管控。主要功能包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、風(fēng)險辨識結(jié)果錄入、風(fēng)險管控措施落實、風(fēng)險管控措施落實檢查、風(fēng)險動態(tài)監(jiān)視、風(fēng)險警示告知、安全風(fēng)險分布四色圖、風(fēng)險分析、風(fēng)險上報等。安全風(fēng)險分級管控界面如圖5所示。

圖5 安全風(fēng)險分級管控界面

2.4 隱患排查治理

采用信息化管理手段，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的隱患閉環(huán)治理流程，實現(xiàn)從隱患登記、落實、整改確認(rèn)、復(fù)查驗收、銷號的全過程信息化閉環(huán)管理，根據(jù)煤礦安全管理組織架構(gòu)及管理制度，實現(xiàn)對隱患流程各節(jié)點人員的靈活配置。同時，利用信息技術(shù)實現(xiàn)隱患信息的快速傳遞以及規(guī)范化的隱患處理流程，提高存在隱患相關(guān)單位以及業(yè)務(wù)科室的協(xié)同處理能力，加快隱患處理速度，確保隱患整治期間的及時、有效控制，避免隱患整治期間可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險。隱患排查統(tǒng)計分析界面如圖6所示。

圖6 隱患排查統(tǒng)計分析界面

2.5 輔助應(yīng)急救援

根據(jù)綜合/專項應(yīng)急預(yù)案管理及處理流程，并依據(jù)重大事故分類危害程度的級別設(shè)置應(yīng)急救援組織機構(gòu)及應(yīng)急指揮保障、應(yīng)急預(yù)案體系、組成人員、聯(lián)系方式，明確職責(zé)劃分。同時根據(jù)事故類別及事故級別，基于預(yù)設(shè)的報警、接警、通知、通訊聯(lián)絡(luò)方式，依據(jù)事故的類別、危害程度的級別對可能發(fā)生的事故現(xiàn)場情況進(jìn)行分析，設(shè)定預(yù)案分級響應(yīng)的啟動條件，發(fā)送相關(guān)人員職責(zé)，相關(guān)的注意事項、事故處置要點，實現(xiàn)分級響應(yīng)，分級消息提醒，避災(zāi)線路查詢、應(yīng)急響應(yīng)組織查詢、就近救援物資分布。輔助應(yīng)急救援管理界面如圖7所示。

圖7 輔助應(yīng)急救援管理界面

3 煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)實時收集與存儲技術(shù)

數(shù)據(jù)是煤礦智能化推進(jìn)和在產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的基礎(chǔ)，在構(gòu)建產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，首先要進(jìn)行數(shù)字化改造，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲[19]。煤礦災(zāi)害防治需要采集大量的井下數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)會隨著礦井的生產(chǎn)越來越多，加之需要對粉塵、火災(zāi)、水害等各類型礦井災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜的特點，如果在數(shù)據(jù)管理方面不規(guī)范，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢困難、數(shù)據(jù)丟失等問題。因此，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與存儲，是煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)構(gòu)建的第一步。

在數(shù)據(jù)實時收集方面，首先要根據(jù)煤礦粉塵、火災(zāi)、水害等災(zāi)害防治要求，構(gòu)建多個數(shù)據(jù)管理模型和分布式數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)礦井地質(zhì)、生產(chǎn)信息等礦山基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，然后采用中間件技術(shù)，將粉塵、火災(zāi)、水害等災(zāi)害相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時遷入數(shù)據(jù)庫，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與礦井地質(zhì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)匹配，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合及井下定點實時監(jiān)視。

在數(shù)據(jù)存儲方面，根據(jù)煤礦目標(biāo)需求及數(shù)據(jù)類型特征，建立統(tǒng)一礦山數(shù)據(jù)中心，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范，通過列存儲、粗粒度索引、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)為業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)提供安全、高可靠、低成本的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，實現(xiàn)多源大數(shù)據(jù)的時序分類存儲。

3.2 數(shù)據(jù)分析與預(yù)測技術(shù)

通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)建立模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出粉塵、火災(zāi)、水害等災(zāi)害的風(fēng)險評價等級測度值，并利用分析結(jié)果對礦井各種災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，從而實現(xiàn)對礦井災(zāi)害的防治是災(zāi)害綜合防治系統(tǒng)的主要功能之一。根據(jù)煤礦粉塵、火災(zāi)、水害等災(zāi)害特點，利用靜態(tài)多層RNN-LSTM深度學(xué)習(xí)模型、自回歸深度模型和LSTM-ARIMA學(xué)習(xí)模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出風(fēng)險評價等級測度值和災(zāi)害發(fā)展趨勢。靜態(tài)多層RNN-LSTM模型能夠通過對獲得的多項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析篩選，選擇獲取數(shù)據(jù)的重要部分記憶存儲之后再次進(jìn)行分析篩選，經(jīng)過多次分析篩選后輸出結(jié)果；自回歸深度學(xué)習(xí)模型是利用前期若干時刻隨機變量的線性組合來描述以后某時刻隨機變量的線性回歸模型；LSTM-ARIMA學(xué)習(xí)模型是利用長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LSTM強大的非線性擬合能力及快速學(xué)習(xí)能力針對數(shù)據(jù)的非線性特征進(jìn)行建模，對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合預(yù)測。

利用靜態(tài)多層RNN-LSTM模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，首先根據(jù)各災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)確定各指標(biāo)權(quán)重，然后根據(jù)評價指標(biāo)測度函數(shù)給出評價結(jié)果。災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)評價模型處理流程如圖8所示。

圖8 災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)評價模型處理流程

3.3 災(zāi)害響應(yīng)與輔助救援技術(shù)

按照事故類型在系統(tǒng)中對各災(zāi)害安全等級進(jìn)行劃分，設(shè)定災(zāi)害預(yù)案響應(yīng)的啟動條件。安全等級可劃分為安全區(qū)間、關(guān)注區(qū)間和警示區(qū)間，根據(jù)風(fēng)險評價等級測度值判斷災(zāi)害等級區(qū)間，若評價等級測度值在警示區(qū)間或達(dá)到設(shè)定災(zāi)害響應(yīng)啟動條件，災(zāi)害綜合防治系統(tǒng)會發(fā)出警報，并對相關(guān)人員發(fā)送消息提醒。同時國家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十四五”規(guī)劃中明確指出，提升應(yīng)急平臺支撐能力，推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)”在應(yīng)急平臺中的應(yīng)用，加強應(yīng)急指揮平臺等專業(yè)應(yīng)急平臺建設(shè)，提高突發(fā)事件專業(yè)信息匯集、應(yīng)急決策和指揮調(diào)度能力[20]。煤礦發(fā)生突發(fā)災(zāi)害事故后，需要監(jiān)管監(jiān)察部門、相關(guān)專家到現(xiàn)場指揮救援，可借助網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息共享技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)等實現(xiàn)異地協(xié)同協(xié)作，保障相關(guān)專家第一時間了解現(xiàn)場情況，方便現(xiàn)場指揮。

監(jiān)管監(jiān)察部門、相關(guān)專家到現(xiàn)場后，在應(yīng)急救援資源基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)線上調(diào)取救援需要的技術(shù)資料，了解應(yīng)急設(shè)備和物資的分布情況，幫助監(jiān)管監(jiān)察部門、相關(guān)專家指揮救援。同時可輔助應(yīng)急救援管理系統(tǒng)根據(jù)事故發(fā)生地點和類型，采用路徑尋優(yōu)算法演算井下工作人員到安全位置的最優(yōu)路徑，實現(xiàn)智能輔助救援。

4 應(yīng)用情況

2022年8月，煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)在陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，全面提高了該礦安全生產(chǎn)的預(yù)控、可控和在控能力。

(1)系統(tǒng)實現(xiàn)煤礦安全風(fēng)險數(shù)據(jù)融合監(jiān)視、煤礦安全態(tài)勢預(yù)測預(yù)警、安全風(fēng)險分級管控、隱患排查治理和輔助應(yīng)急救援等災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)的主要功能，建立的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心能夠在統(tǒng)一時空框架下實現(xiàn)“人-機-環(huán)-管”系統(tǒng)協(xié)同管理。

(2)實現(xiàn)煤礦粉塵、火災(zāi)、水害等災(zāi)害的統(tǒng)一管理。系統(tǒng)采取多個責(zé)任部門、責(zé)任人與責(zé)任領(lǐng)導(dǎo)共同參與業(yè)務(wù)制定和流程審批的線上協(xié)同辦公機制，對各業(yè)務(wù)處理流程的實時狀態(tài)采取公開透明的監(jiān)督辦法，使得在業(yè)務(wù)下發(fā)以及措施計劃等編制審批環(huán)節(jié)能夠進(jìn)行相互監(jiān)督和檢查，提高了業(yè)務(wù)處理效率，減少了少查、漏查、不查等現(xiàn)象。

(3)對日常的業(yè)務(wù)處理過程留痕，將處理結(jié)果自動歸檔并進(jìn)行分類整理和儲存，使得對日常資料的管理更加規(guī)范，減少了漏資料、丟資料的現(xiàn)象，對事故隱患、風(fēng)險管控的日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并繪制了相關(guān)的趨勢圖和餅圖，使礦領(lǐng)導(dǎo)可以直觀、全面地了解實時的煤礦安全管理情況以及個人的工作情況。

5 結(jié)語

煤礦災(zāi)害智能綜合防治系統(tǒng)建設(shè)了以煤礦風(fēng)險為核心，圍繞風(fēng)險辨識-措施落實-風(fēng)險監(jiān)視-評估預(yù)警及異常處置的風(fēng)險狀態(tài)變化鏈，研發(fā)了基于智能礦山總體框架下的安全保障綜合防控應(yīng)用中心，包括安全風(fēng)險數(shù)據(jù)融合監(jiān)視、安全態(tài)勢預(yù)測預(yù)警、安全風(fēng)險分級管控、隱患排查治理、輔助應(yīng)急救援等應(yīng)用模塊，利用自回歸深度學(xué)習(xí)模型、靜態(tài)多層RNN-LSTM深度學(xué)習(xí)模型，融合網(wǎng)格化區(qū)域內(nèi)的水害、火災(zāi)、環(huán)境、礦壓、粉塵及重大風(fēng)險、隱患數(shù)據(jù)，進(jìn)行單一傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)及區(qū)域網(wǎng)格安全指數(shù)評價，并推演出全礦的安全指數(shù)，從而實現(xiàn)了全方位、有效落地的安全風(fēng)險防控機制，為煤礦智能化生產(chǎn)提供了有利保障。