蒲 陽(yáng)，寧小亮

(1.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； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“突出”)是一種典型的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，其一旦發(fā)生則會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。我國(guó)在長(zhǎng)期的煤與瓦斯突出防治(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“防突”)實(shí)踐中，探索出了兩個(gè)“四位一體”綜合防突技術(shù)體系，對(duì)于突出防治工作意義重大，其作為一項(xiàng)實(shí)用型技術(shù)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮中，應(yīng)積極探索構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+兩個(gè)‘四位一體’”防突技術(shù)體系，充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)重塑、優(yōu)化兩個(gè)“四位一體”實(shí)現(xiàn)手段，進(jìn)而在防突技術(shù)上取得新的突破。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前存在的主要問(wèn)題在于防突信息化水平嚴(yán)重不足，重要防突參數(shù)仍然采用人工填報(bào)方式管理，不僅制約防突效率的提升，而且給數(shù)據(jù)深度分析帶來(lái)極大不便[1-4]。另外，在2019年頒布實(shí)施的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中，也提出了“鼓勵(lì)突出礦井建立防突信息系統(tǒng)，實(shí)施防突信息化管理”[5]，這也說(shuō)明了防突信息化建設(shè)是大勢(shì)所趨。

筆者以陽(yáng)煤五礦為試驗(yàn)礦井，通過(guò)構(gòu)建礦井防突信息化管理系統(tǒng)，以信息化技術(shù)全面升級(jí)防突數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而提升防突效率、效果，這也是陽(yáng)煤五礦積極響應(yīng)“兩化”深度融合、“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略、智能化礦井建設(shè)的重要舉措[6-11]。

1 防突信息化管理系統(tǒng)構(gòu)建

陽(yáng)煤五礦防突信息化管理系統(tǒng)由硬件支撐體系、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸技術(shù)及防突信息化管理軟件3部分構(gòu)成。硬件支撐體系借助自動(dòng)化、信息化設(shè)備，為防突信息采集、傳輸及分析提供硬件平臺(tái)；數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸技術(shù)通過(guò)構(gòu)建多網(wǎng)融合下的防突信息自動(dòng)傳輸、共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)防突信息跨網(wǎng)絡(luò)快速、穩(wěn)定、安全傳輸及移動(dòng)審批；防突信息化管理軟件采用電腦、手機(jī)客戶(hù)端聯(lián)合運(yùn)行方式，為用戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)、便捷的防突信息分析、查詢(xún)與審批工具。

1.1 硬件支撐體系搭建

硬件設(shè)備是防突信息化的基礎(chǔ)，通過(guò)多種設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，搭建硬件支撐體系，主要支撐數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析等功能的實(shí)現(xiàn)。按照應(yīng)用場(chǎng)所不同，硬件設(shè)備可分為井下設(shè)備、地面設(shè)備。

1.1.1 井下設(shè)備

1)WTC-1型突出參數(shù)測(cè)定儀。該設(shè)備是陽(yáng)煤五礦原有瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀的升級(jí)版，工作原理與原設(shè)備相同，但在數(shù)據(jù)管理的信息化、數(shù)據(jù)上傳的自動(dòng)化及設(shè)備的便攜性方面優(yōu)勢(shì)明顯。使用該設(shè)備可以便捷地將井下測(cè)定的突出參數(shù)自動(dòng)上傳至地面服務(wù)器，從而避免人工填報(bào)模式的種種弊端。

2)井下無(wú)線(xiàn)通訊基站。礦用無(wú)線(xiàn)通訊基站通過(guò)將有線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線(xiàn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋，為瓦斯參數(shù)自動(dòng)上傳提供便利。該設(shè)備采用礦用隔爆兼本安型直流電源供電，即使井下交流電停電，也可以保證基站連續(xù)工作時(shí)間不少于2 h。

1.1.2 地面設(shè)備

1)服務(wù)器。服務(wù)器是具有高速運(yùn)算能力、長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行能力及高負(fù)載能力的計(jì)算機(jī)，在防突信息化管理系統(tǒng)中既是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析中心，同時(shí)也是多網(wǎng)數(shù)據(jù)融合中樞，是硬件設(shè)備的核心。

2)電腦客戶(hù)端。電腦客戶(hù)端是數(shù)據(jù)采集終端，也是信息發(fā)布終端，同時(shí)還是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的主要設(shè)備。在電腦客戶(hù)端運(yùn)行的防突信息化管理軟件，是數(shù)據(jù)維護(hù)、信息發(fā)布與查詢(xún)，以及系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)的主要工具。

3)手機(jī)客戶(hù)端。利用手機(jī)客戶(hù)端可在安卓智能手機(jī)上運(yùn)行防突信息化管理軟件，其主要支撐實(shí)現(xiàn)防突信息的移動(dòng)審批、移動(dòng)查詢(xún)。

4)短信發(fā)布平臺(tái)。其作用是將工作面防突信息以短信形式發(fā)送給相關(guān)人員，這是為保障防突信息及時(shí)、可靠發(fā)布而設(shè)計(jì)的一套冗余設(shè)備，防止由于網(wǎng)絡(luò)故障等原因造成關(guān)鍵信息無(wú)法及時(shí)發(fā)布。

1.2 數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸技術(shù)構(gòu)建

防突信息從井下采集到地面防突信息服務(wù)器，再到云服務(wù)器，過(guò)程涉及井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)、地面辦公網(wǎng)及廣域網(wǎng)之間的跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康氖菍⒏黝?lèi)防突信息上傳至服務(wù)器集中管理，主要有兩種方式：一種是跨網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)于WTC-1型突出參數(shù)測(cè)定儀采集的日常預(yù)測(cè)及鉆孔數(shù)據(jù)，由測(cè)定儀主機(jī)經(jīng)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)基站上傳至地面辦公網(wǎng)絡(luò)防突信息服務(wù)器，為保證網(wǎng)絡(luò)安全，兩局域網(wǎng)之間采用硬件防火墻隔離，數(shù)據(jù)單向傳輸；另一種是辦公網(wǎng)內(nèi)部傳輸，即由電腦客戶(hù)端在局域網(wǎng)內(nèi)將防突措施鉆孔竣工參數(shù)、區(qū)域預(yù)測(cè)及其他觀(guān)測(cè)信息等直接上傳至防突信息服務(wù)器。

1.2.2 云同步服務(wù)構(gòu)建

要實(shí)現(xiàn)防突信息局域網(wǎng)外的移動(dòng)管理，需通過(guò)云同步服務(wù)將數(shù)據(jù)接入廣域網(wǎng)，也就是將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)客戶(hù)端可以實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)的云服務(wù)器。為實(shí)現(xiàn)防突信息云同步，首先對(duì)陽(yáng)煤五礦本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足云同步機(jī)制的要求，主要包括：①建立同步標(biāo)識(shí)字段，并以標(biāo)識(shí)字段為參照實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與云數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)同步更新；②選擇同步內(nèi)容，如指標(biāo)信息、鉆孔信息、班次信息、部分圖件信息等，對(duì)不符合要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；③建立數(shù)據(jù)同步容錯(cuò)機(jī)制，解決同步過(guò)程中可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)適配、同步中斷、數(shù)據(jù)量過(guò)大等問(wèn)題。然后以數(shù)據(jù)表為對(duì)象，建立相關(guān)的檢索標(biāo)識(shí)、內(nèi)容判斷機(jī)制、同步頻率、同步類(lèi)型，以及其他同步依據(jù)形成同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)防突信息服務(wù)器與云服務(wù)器數(shù)據(jù)雙向同步。

1.3 防突信息化管理軟件開(kāi)發(fā)

防突信息化管理軟件分為電腦客戶(hù)端、手機(jī)客戶(hù)端軟件，兩者共享數(shù)據(jù)信息，功能設(shè)置各有側(cè)重：電腦客戶(hù)端軟件側(cè)重?cái)?shù)據(jù)分析、系統(tǒng)維護(hù)；手機(jī)客戶(hù)端軟件側(cè)重防突信息查看、移動(dòng)審批。

1.3.1 電腦客戶(hù)端軟件

電腦客戶(hù)端軟件通過(guò)各項(xiàng)專(zhuān)業(yè)的分析管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)防突信息管理的信息化、規(guī)范化、集約化，主要功能可分為3部分：防突數(shù)據(jù)信息化管理、防突數(shù)據(jù)分析及可視化、系統(tǒng)管理[12-16]。

1)防突數(shù)據(jù)信息化管理。按照兩個(gè)“四位一體”防突技術(shù)體系的標(biāo)準(zhǔn)，采用專(zhuān)用電子表格，對(duì)各工作面區(qū)域及局部預(yù)測(cè)指標(biāo)、鉆孔參數(shù)等數(shù)據(jù)按時(shí)序、分循環(huán)進(jìn)行管理，可以便捷查詢(xún)?nèi)我夤ぷ髅?、任意時(shí)間區(qū)間內(nèi)的突出預(yù)測(cè)(效檢)或防突措施數(shù)據(jù)。針對(duì)陽(yáng)煤五礦執(zhí)行頻次較高的工作面日常預(yù)測(cè)工作，首先根據(jù)礦井原有紙質(zhì)預(yù)測(cè)表單樣式創(chuàng)建電子表單，并以井上下硬件設(shè)備為支撐，通過(guò)軟件專(zhuān)業(yè)功能實(shí)現(xiàn)日常預(yù)測(cè)表單的自動(dòng)填報(bào)及數(shù)據(jù)云同步，為手機(jī)移動(dòng)審批奠定基礎(chǔ)。

2)防突數(shù)據(jù)分析及可視化。統(tǒng)計(jì)分析實(shí)測(cè)防突數(shù)據(jù)，掌握其時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)于預(yù)測(cè)未知區(qū)域突出危險(xiǎn)性大小意義重大。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)專(zhuān)業(yè)工具，對(duì)防突數(shù)據(jù)的時(shí)空變化規(guī)律、循環(huán)變化規(guī)律、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及防突措施執(zhí)行效果等進(jìn)行多角度全面分析，并以防突大樣圖、步進(jìn)圖、曲線(xiàn)圖、柱狀圖等形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。其中大樣圖以工作面防突時(shí)空關(guān)系為主線(xiàn)，全面反映預(yù)測(cè)(效檢)鉆孔情況、預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)值，以及措施鉆孔施工情況、施工時(shí)間、巷道循環(huán)進(jìn)度等信息；步進(jìn)圖主要反映工作面日常預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)值與工作面推進(jìn)度關(guān)系，圖形能夠直觀(guān)顯示工作面預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)值、工藝類(lèi)型、工作面循環(huán)進(jìn)度、累計(jì)進(jìn)度，以及是否存在指標(biāo)超限、超采超掘等異常狀況等信息；曲線(xiàn)圖主要反映預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)值隨采掘進(jìn)度或時(shí)間的變化規(guī)律；柱狀圖通過(guò)統(tǒng)計(jì)各工作面選定時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)值區(qū)間分布情況，從總體上反映工作面突出危險(xiǎn)性大小。各類(lèi)統(tǒng)計(jì)圖件分別從不同角度，系統(tǒng)反映兩個(gè)“四位一體”執(zhí)行情況，以及工作面突出危險(xiǎn)性大小，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

防突數(shù)據(jù)分析的另一個(gè)重要內(nèi)容是防突措施鉆孔施工效果分析，即根據(jù)鉆孔竣工參數(shù)來(lái)分析鉆孔空間分布，判識(shí)是否存在空白帶或是控制范圍不足等防突措施缺陷[17-20]，從而超前捕捉工作面潛在的突出隱患信息。

3)系統(tǒng)管理。由于防突信息化管理系統(tǒng)運(yùn)行涉及跨網(wǎng)絡(luò)、多臺(tái)設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行，且防突管理本身就是一項(xiàng)精細(xì)化工作，因此必須建立嚴(yán)格的運(yùn)行管理機(jī)制，才能確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行方面，嚴(yán)格規(guī)范操作者權(quán)限、網(wǎng)絡(luò)配置、硬件配置、數(shù)據(jù)上傳設(shè)置、工作面關(guān)聯(lián)等關(guān)鍵控制點(diǎn)信息，保證系統(tǒng)按流程正常穩(wěn)定運(yùn)行。在業(yè)務(wù)流程方面，基于兩個(gè)“四位一體”綜合防突技術(shù)體系，按照“突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)→若超標(biāo)，執(zhí)行消突措施→措施效果檢驗(yàn)→未達(dá)標(biāo)，繼續(xù)執(zhí)行消突措施，直至消除危險(xiǎn)”的管理流程，對(duì)防突信息審批實(shí)行閉環(huán)管理，只有當(dāng)各級(jí)審批人員全部審批通過(guò)以后才能生效，否則，返回重走審批流程。

1.3.2 手機(jī)客戶(hù)端軟件

為實(shí)現(xiàn)防突信息移動(dòng)審批、移動(dòng)查詢(xún)，基于Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了防突信息化手機(jī)客戶(hù)端軟件，可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看突出參數(shù)及其變化規(guī)律、防突措施執(zhí)行情況、瓦斯異常等信息，這不僅是對(duì)突出參數(shù)查閱途徑的擴(kuò)展，更是對(duì)防突智能化管理的技術(shù)革新。手機(jī)客戶(hù)端軟件主要功能包括防突信息審批、防突信息查詢(xún)。

1)防突信息審批。在手機(jī)端本地存儲(chǔ)支持下，通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)已經(jīng)執(zhí)行區(qū)域驗(yàn)證、局部預(yù)測(cè)或局部效檢的工作面，根據(jù)不同職位審批級(jí)別，進(jìn)行是否允許施工、允許進(jìn)尺、允許實(shí)施措施的審批；對(duì)于已經(jīng)本人審批，但下一審批人在給定時(shí)間內(nèi)未進(jìn)行及時(shí)審批的信息，可以發(fā)送短信進(jìn)行催促提示。在非聯(lián)機(jī)狀態(tài)，也可執(zhí)行審批，即將審批結(jié)果保存于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，手機(jī)端軟件在網(wǎng)絡(luò)連通時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行上傳操作。在審批過(guò)程中，可以通過(guò)手機(jī)查詢(xún)工作面施工信息、工作面循環(huán)信息、工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)詳情、工作面鉆孔施工信息、提請(qǐng)審批的基本情況或?qū)徟庖?jiàn)等信息。

2)防突信息查詢(xún)。手機(jī)客戶(hù)端軟件提供了防突信息圖形、圖表查詢(xún)，其中，圖形查詢(xún)主要類(lèi)型有鉆孔施工圖、預(yù)測(cè)指標(biāo)變化曲線(xiàn)、指標(biāo)值分布直方圖等；圖表查詢(xún)主要類(lèi)型有最新突出預(yù)測(cè)報(bào)表、歷史預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)表、防突信息審批情況列表等。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

陽(yáng)煤五礦防突數(shù)據(jù)信息原采用人工填報(bào)紙質(zhì)表單方式進(jìn)行審批與管理，這種方式主要存在以下不足：①突出預(yù)測(cè)時(shí)效性差，表單填報(bào)、審批耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，管理人員無(wú)法第一時(shí)間獲知工作面突出危險(xiǎn)信息，從而導(dǎo)致錯(cuò)失最佳防突消突時(shí)機(jī)；②突出預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性易受人為因素影響，無(wú)法避免數(shù)據(jù)篡改或是錄入失誤；③缺乏有效的防突措施執(zhí)行效果分析工具，無(wú)法判識(shí)是否存在防突措施空白帶，可能給工作面留下潛在的突出隱患；④防突數(shù)據(jù)信息多以紙質(zhì)表單零散保存，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析不便，難以系統(tǒng)、準(zhǔn)確地把握工作面突出危險(xiǎn)性大小及變化趨勢(shì)。

防突信息化管理系統(tǒng)在陽(yáng)煤五礦應(yīng)用以后，在采掘工作面利用WTC-1型突出參數(shù)測(cè)定儀采集的突出參數(shù)，可以在井下直接上傳至地面防突信息服務(wù)器，并通過(guò)云同步實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)報(bào)表移動(dòng)審批，既大幅壓縮了突出預(yù)測(cè)表單填報(bào)、送審等中間環(huán)節(jié)耗時(shí)(平均減少約70%)，又有效避免了人為因素對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響；此外，通過(guò)系統(tǒng)提供的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)分析及管理工具，可以對(duì)防突信息的時(shí)空變化規(guī)律及防突措施執(zhí)行效果等進(jìn)行全面、綜合分析，并對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)按時(shí)序、分層級(jí)進(jìn)行管理，能夠有效指導(dǎo)礦井防突工作，并為相鄰工作面防突工作提供參考。系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖2和圖3所示。

圖3 防突措施執(zhí)行效果分析界面

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前防突信息化不足導(dǎo)致的諸多問(wèn)題，在陽(yáng)煤五礦構(gòu)建了集硬件支撐體系、數(shù)據(jù)傳輸與云同步機(jī)制、軟件平臺(tái)于一體的防突信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)防突數(shù)據(jù)從獲取、傳輸?shù)椒治?，再到結(jié)果發(fā)布、歸檔存儲(chǔ)的全過(guò)程、全方位的集約化管控。該系統(tǒng)在陽(yáng)煤五礦應(yīng)用以來(lái)，一方面以自動(dòng)化、信息化手段，實(shí)現(xiàn)了防突數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集上傳、移動(dòng)審批，大大提升了防突工作效率；另一方面，采用專(zhuān)業(yè)化的數(shù)據(jù)分析工具，實(shí)現(xiàn)了多元防突數(shù)據(jù)的有效融合、聯(lián)合判識(shí)，突出預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)、及時(shí)，為礦井防突決策提供了有力支撐。