李建軍，賈東秀，牟曉輝

(1.山東省邱集煤礦有限公司，山東省德州市，253000；(2.國家礦山安全監(jiān)察局山東局監(jiān)察執(zhí)法一處，山東省濟南市，250000)

0 引言

煤礦安全巡檢作為一項綜合性的檢查制度，對安全生產(chǎn)工作具有積極的督促指導作用。煤礦安全巡檢主要是對生產(chǎn)作業(yè)場所及煤礦井下的采煤、掘進、機電運輸、“一通三防”等類型的人-機-環(huán)-管等各類風險進行安全狀況的監(jiān)督巡檢。目前，大部分煤礦的巡檢模式主要是采用定責、定時、定人、掛牌督導的方式，在定時周期巡檢質(zhì)量管理方面，存在漏檢、超時等問題；在巡檢內(nèi)容方面，現(xiàn)場作業(yè)人員因其僥幸心理驅(qū)使，假檢、不檢、巡檢質(zhì)量差等問題時有發(fā)生，巡檢工作缺乏有效監(jiān)督和規(guī)范，存在空班漏檢等嚴重違章行為，極易造成較大的安全隱患。

在實際巡檢工作中，對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的安全隱患或者是影響運行的故障性隱患發(fā)現(xiàn)不及時，或者對發(fā)現(xiàn)的隱患問題處置程序復雜等，以及沒有及時與現(xiàn)有的雙重預防管控平臺等安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)先對接聯(lián)動，這些現(xiàn)象都會導致隱患排查治理滯后，阻礙了煤礦安全管理工作的正常進行。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是利用信息網(wǎng)絡技術(shù)、傳感器技術(shù)實現(xiàn)萬物與網(wǎng)絡的連接，對連接入網(wǎng)的對象進行標簽化處理，實現(xiàn)物的智能化管理操作[1-2]?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)可以實現(xiàn)巡檢任務的個性化定制，通過智能終端自動識別完成巡檢工作，為煤礦巡檢工作的管理和考核提供依據(jù)[3]。

針對目前煤礦巡檢過程中存在的問題和任務需求，將智能手持終端引入煤礦巡檢監(jiān)測中，設計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過硬件和軟件系統(tǒng)的結(jié)合，利用三維GIS技術(shù)、二維碼掃描識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等對煤礦智能巡檢系統(tǒng)進行構(gòu)建和支撐，使巡檢操作和統(tǒng)計管理更加智能化，全面構(gòu)建起煤礦智能移動巡檢平臺。

1 煤礦智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了感知層、傳輸層和應用層的3層架構(gòu)體系，實現(xiàn)對煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)場所及煤礦井下的采煤、掘進、機電運輸、“一通三防”等類型的人-機-環(huán)-管等各類風險進行安全狀況的監(jiān)督巡檢。基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)感知層。該層主要是智能終端采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡進行不同巡檢類型數(shù)據(jù)的信息交互和實時互聯(lián)，通過收集大量的環(huán)境數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)并進行處理，保障數(shù)據(jù)的完整性、準確性和實時性。

(2)傳輸層。該層組建的工業(yè)環(huán)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡等，可更好地滿足海量巡檢數(shù)據(jù)的接入和可抵御信號干擾需求，對多協(xié)議傳輸網(wǎng)管可采取多網(wǎng)協(xié)同、高層協(xié)議向下兼容解析等方式完成井下環(huán)網(wǎng)和感知傳輸網(wǎng)絡的高效通信，提高數(shù)據(jù)的實時傳輸及數(shù)據(jù)處理能力?；谖⒎占軜?gòu)和人工智能算法構(gòu)建智能數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)業(yè)務邏輯快速組態(tài)化構(gòu)建和智能分析。

(3)應用層。該層主要根據(jù)需求集成部署在煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺上的各業(yè)務功能模塊，如檢查項管理、巡檢點管理、任務管理、統(tǒng)計分析等功能。通過構(gòu)建煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，對巡檢數(shù)據(jù)進行共享和融合分析，提取有價值信息，為后續(xù)的礦井安全管理提供參考。

2 煤礦智能巡檢系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設計

根據(jù)煤礦智能巡檢系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，系統(tǒng)可劃分為煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺、煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)和智能巡檢終端。因此，煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件主要包括后臺管理服務器、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、計算機、本安型移動智能終端等。礦用本安型移動智能終端設備建議采用市場中應用比較成熟的智能設備，其具有良好的工作穩(wěn)定性與技術(shù)服務支持能力，可保證巡檢工作的有效開展[4]?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)采用人工智能、機器深度學習、圖像識別、路徑自主規(guī)劃及在線控制相融合的以及大數(shù)據(jù)交互引擎技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的智能化巡檢設備，為系統(tǒng)安全管理提供強有力的信息化手段，實現(xiàn)對巡檢內(nèi)容的實時把控和安全響應[5]。煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

煤礦智能巡檢系統(tǒng)軟件開發(fā)內(nèi)容主要包括PC端(管理人員)和巡檢 App端(巡檢人員)組成。

煤礦智能巡檢系統(tǒng)將應用功能模塊部署在煤礦數(shù)據(jù)平臺，統(tǒng)一實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析、監(jiān)視和預警。煤礦智能巡檢系統(tǒng)與煤礦現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，具備實時監(jiān)控、智能識別、巡檢結(jié)果智能分析、智能App端應用等功能，采用三維模擬的形式實現(xiàn)GIS巡檢區(qū)域內(nèi)的全景展示[6]。

針對擬開展的智能巡檢區(qū)域或巡檢對象完成數(shù)據(jù)采集，巡檢人員使用手持終端對粘貼的二維碼進行掃描后錄入巡檢數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡將瓦斯巡檢、通風巡檢、設備巡檢等各類型的巡檢數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌鳎谘矙z專用GPU服務器上部署識別軟件，對前端采集的圖像、音頻等數(shù)據(jù)進行識別，最終系統(tǒng)將識別結(jié)果、巡檢數(shù)據(jù)存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，并通過后臺對數(shù)據(jù)進行智能分析展示。煤礦智能巡檢系統(tǒng)統(tǒng)一與煤礦雙重預防管控系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)先對接聯(lián)動，具備實時監(jiān)控、智能識別、智能分析、巡檢報表自動生成等功能。煤礦智能巡檢系統(tǒng)業(yè)務流程如圖3所示。

圖3 煤礦智能巡檢系統(tǒng)業(yè)務流程

2.2.1 PC端設計

煤礦智能巡檢系統(tǒng)是一個基于移動互聯(lián)網(wǎng)的云巡檢服務平臺，系統(tǒng)支持在線巡檢、離線式巡檢等多種應用模式，簡單、易用、智能、高效，僅通過礦用本安型移動智能終端、電腦即可有效監(jiān)督巡檢人員是否及時到位，有效避免漏檢情況發(fā)生。PC端功能主要包括定職定責管理、監(jiān)督檢查管理、驗收閉環(huán)管理、統(tǒng)計分析等。

(1)定職定責管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)是一個多部門、多人員共同使用的協(xié)同工作平臺，管理人員可以自主設定巡檢路線、巡檢設備、巡檢內(nèi)容，配置智能識別對象、智能分析邏輯以及巡檢結(jié)果展示等[7]。

(2)監(jiān)督檢查管理。監(jiān)督和檢查巡檢人員的工作進度及質(zhì)量，通過三維GIS可實時查看巡檢人員的工作軌跡，確保巡檢人員到崗到位等，通過技術(shù)手段完成對巡檢人員的監(jiān)督和管理[8]。

(3)驗收閉環(huán)管理。對巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況將自動轉(zhuǎn)入到異常記錄功能中，移動終端和管理后臺都可以查詢到異常信息，異常信息自動上傳到雙重預防管控系統(tǒng)中，按照隱患進行閉合處理，可及時發(fā)現(xiàn)和處理安全問題，有效提高工作效率和安全隱患的管理水平，保障煤礦安全管理工作順利進行。

(4)統(tǒng)計分析。系統(tǒng)支持查看巡檢任務完成狀態(tài)、完成情況的統(tǒng)計分析，支持按日、周、月對巡檢點巡檢數(shù)據(jù)、超限報警數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)計分析，支持根據(jù)不同的時間段自動生成某一地點通風量的變化曲線，全面掌握各巡檢類型的執(zhí)行率、問題整改率等，并將分析結(jié)果作為風險預警、績效評估等的依據(jù)。煤礦智能巡檢系統(tǒng)PC端界面如圖4所示。

圖4 煤礦智能巡檢系統(tǒng)PC端界面

2.2.2 App端設計

根據(jù)煤礦實際巡檢工作的業(yè)務場景及需求，巡檢App端具體功能主要分為巡檢質(zhì)量控制、巡檢路線自動提醒、巡檢過程管理等功能。

(1)巡檢質(zhì)量控制。系統(tǒng)使用引導式錄入方式，通過直觀的界面展示將巡檢信息固化，引導巡檢人員完成巡檢任務。在巡檢過程中全程實時統(tǒng)計巡檢進度，在未完成巡檢的情況下標紅提示，杜絕巡檢員漏檢、不檢等情況的發(fā)生。巡檢App端界面如圖5所示。

圖5 巡檢App端界面

(2)巡檢路線自動提醒。通過本安型移動智能終端與二維碼的配合應用，促使巡檢人員按照集團公司和煤礦的有關(guān)規(guī)定以及按順序、按時、按點進行巡檢，在完成一個巡檢點之后，自動提醒下一個巡檢點，避免巡檢順序出錯。

(3)巡檢過程管理。在巡檢過程中，未到達巡檢點時禁止錄入信息，通過巡檢路線指定及指定位置彈出任務的方式，將巡檢任務固化到位置點，必須在到達指定巡檢位置后，才可錄入巡檢數(shù)據(jù)，為保證檢測效果，系統(tǒng)規(guī)定數(shù)據(jù)提交時間。

(4)巡檢信息自動上傳與聯(lián)動。手持終端在井下無線網(wǎng)絡通暢的情況下，可以與PC端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，自動生成相關(guān)巡檢類型的臺賬報表?？梢酝ㄟ^文字、拍照、短視頻等方式快速上報巡檢異常，并自動同步到雙重預防管控等安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，按照隱患進行閉合處理。

(5)巡檢記錄與警示。針對未按時完成的巡檢工作，系統(tǒng)根據(jù)后臺設置的巡檢頻次短信提醒巡檢人員和管理人員。平臺服務器可以根據(jù)告警信息的緊急等級結(jié)合告警規(guī)則向相關(guān)人員發(fā)送告警信息[9]。

(6)換位履職管理。安全巡檢聯(lián)動保障與雙重預防管控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)等系統(tǒng)進行聯(lián)動，及時提醒巡檢過程中已存在的隱患信息，保障巡檢人員安全巡檢。

3 煤礦智能巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺具備數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等功能。數(shù)據(jù)引擎提供了CSV、TXT、文件文檔、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等云存儲數(shù)據(jù)，并針對不同的應用場景提供HBase、Hive 和 HDFS這3種存儲方式。煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺不僅為 SparkSQL 分析、RDD、DataFrame和 DataSet 等提供數(shù)據(jù)接口，而且為機器學習提供決策樹快速構(gòu)建、回歸算法以及貝葉斯算法等常見分類和模型構(gòu)建。煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺提供餅狀圖、柱狀圖、雷達圖、曲線圖以及位置分布等接口，使計算分析結(jié)果能夠直觀地進行可視化展示。在煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺上，建立風險庫、隱患庫、預測預警規(guī)則庫等，基于靜態(tài)數(shù)據(jù)、流式數(shù)據(jù)等計算框架，對煤礦人員、設備、環(huán)境的偏離情況等進行不間斷實時分析計算和預測[10]。

3.2 三維GIS技術(shù)

煤礦智能巡檢系統(tǒng)采用了相關(guān)GIS技術(shù)處理巷道、巡檢點、巡檢線路的相關(guān)展示和計算。針對巡檢工作可視化單一、缺乏與地理信息集成等問題，利用 GIS技術(shù)將實時巡檢信息集成在三維地圖上，展示巡檢的實時工作進程以及異常點位的動態(tài)情況等，實現(xiàn)了對巡檢工作的遠程綜合實時監(jiān)控。

結(jié)合GIS技術(shù)，巡檢系統(tǒng)可以輔助管理分布在井下的巡檢點和巡檢人員，管理人員可在GIS地圖上靈活繪制路線，系統(tǒng)自動生成最優(yōu)路線建議，支持維護與巡檢路線相關(guān)的異常信息自動識別并預警。煤礦智能巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下人員實時定位，并在三維模型中即時更新。同時可查看巡檢點在GIS地圖上的空間分布位置，根據(jù)巡檢點的顏色判斷巡檢完成狀態(tài)，查看巡檢人員的實時位置及巡檢軌跡回放，并且能夠及時準確地將井下人員分布信息、人員運動軌跡等反映到調(diào)度中心，以便能更加合理地調(diào)度和管理，同時也為應急救援提供精準的人員定位數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)聯(lián)動技術(shù)

近年來，我國5G技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)管理中的廣泛應用為巡檢過程中的實時通信提供了重要的技術(shù)支撐。目前，常用的通信技術(shù)包括可見光無線通信技術(shù)、Mesh技術(shù)、無線保真技術(shù)等[11]。依據(jù)PDCA循環(huán)理論，煤礦安全巡檢發(fā)現(xiàn)的隱患數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡實時上傳至雙重預防管控等安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能聯(lián)動控制，形成巡檢感知-決策處置定時-驗收合格的閉環(huán)式運行模式，全面提升礦井災害防治系統(tǒng)的安全保障能力和機電設備的正?？煽窟\行。

4 應用效果

2022年10月，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)在邱集煤礦投入使用。通過該系統(tǒng)的應用，真正實現(xiàn)了邱集煤礦12個巡檢員、300多個巡檢點巡檢工作的全流程智能管理以及瓦斯、粉塵、防爆門、密閉墻等多種類巡檢工作的一體化管理，有效解決了空檢漏檢隱患、不按計劃巡檢、巡檢數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范、應急處置查證困難等問題。

(1)解決了巡檢人員未檢、漏檢、不檢等問題，通過PC端與App端的配合應用，設置不按預制巡檢要求即無法完成巡檢的限制，系統(tǒng)層層把關(guān)提醒，避免漏檢、不檢。

(2)規(guī)范人員巡檢路線，通過移動智能終端與二維碼的配合應用，GIS地圖自動記錄人員的巡檢路線，促使人員按有關(guān)規(guī)定按時、按點、按線路進行巡查，以便發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時解決。

(3)巡檢數(shù)據(jù)充分利用，利用本安型移動智能終端實現(xiàn)井下記錄一次，井上自動生成各類臺賬報表，并對巡檢數(shù)據(jù)進行自動分析、預警，推進信息化與安全生產(chǎn)業(yè)務的融合，避免重復記錄，提升工作效率，降低監(jiān)管難度。

(4)趨勢分析支撐領(lǐng)導決策，對巡檢數(shù)據(jù)進行深入分析，全面掌握各類型的任務執(zhí)行率、漏檢率、問題整改率等，并將分析結(jié)果作為風險預警、績效評估的依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)礦山物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)融合促進了新型信息處理方式的發(fā)展[12]，煤礦智能巡檢系統(tǒng)應用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)能有效加快現(xiàn)場突發(fā)情況的響應速度，降低人工巡檢工作強度和危險系數(shù)。目前，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對巡檢相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進行了分析，但對未來趨勢風險的預估準確度有待提高，后期將根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)，提高瓦斯巡檢、通風巡檢、設備巡檢等相關(guān)未來趨勢風險的預估準確度，以指導煤礦智能巡檢。

(2)煤礦智能巡檢系統(tǒng)在邱集煤礦的深度應用解決了煤礦的空檢漏檢隱患、不按計劃巡檢、巡檢數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范、應急處置查證困難等問題。但是隨著科技的進步，針對煤礦智能巡檢的要求也越來越高。目前，傳統(tǒng)的攝像、讀數(shù)及遠程傳輸?shù)妊矙z方式已滿足不了煤礦巡檢需求，未來需將機器視覺、智能AI等新興技術(shù)應用到煤礦智能巡檢系統(tǒng)中，完善智能巡檢識別算法，助力煤礦巡檢工作智能化開展。

(3)煤礦智能巡檢系統(tǒng)的研究與應用響應了國家提出“建設數(shù)字化礦山”的要求，為煤礦井下安全巡檢管理提供了新的方法，可基本解決煤礦巡檢人員履職管理、巡檢數(shù)據(jù)應用的難題，對夯實礦山安全基礎(chǔ)管理、推進信息化與安全生產(chǎn)業(yè)務深度融合、保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。