路培超 唐盛禹 趙 樂(lè)

（光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

當(dāng)前，礦井煤與瓦斯突出事故偶有發(fā)生，其主要原因是防突措施執(zhí)行不到位，這與煤礦防突管理不規(guī)范、防突信息獲取不及時(shí)、防突數(shù)據(jù)分析不足等密切相關(guān)[1-2]。充分利用數(shù)字化、智能化等技術(shù)，構(gòu)建煤礦智能化防突動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)獲取防突措施實(shí)施過(guò)程數(shù)據(jù)，開(kāi)展防突數(shù)據(jù)智能分析，強(qiáng)化防突過(guò)程施工質(zhì)量管控，實(shí)現(xiàn)防突的精細(xì)化、智能化管理。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系[3-4]，按照分層設(shè)計(jì)原則，充分考慮煤礦防突過(guò)程管理需求，建立集信息自動(dòng)采集、無(wú)線傳輸、自動(dòng)分析、可視展示、在線審批等功能的智能化防突動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。

智能感知層，包括工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和校檢作業(yè)過(guò)程中視頻監(jiān)控、鉆孔軌跡、突出參數(shù)測(cè)定、移動(dòng)終端采集和人員位置管理信息等。傳輸網(wǎng)絡(luò)層，作業(yè)區(qū)域構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)防突作業(yè)采集信息的無(wú)線、即時(shí)上傳至地面。智能應(yīng)用層，通過(guò)井下防突作業(yè)數(shù)據(jù)采集、入庫(kù)，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘、AI 視頻分析等支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)防突作業(yè)合規(guī)性分析、鉆孔空白帶分析、突出動(dòng)態(tài)預(yù)警等應(yīng)用管理。通過(guò)建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全運(yùn)維保障體系，保障系統(tǒng)的規(guī)范性、安全性、可靠性。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖

2 基于無(wú)線通信的防突信息采集

2.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

系統(tǒng)采用基于高性能WiFi 寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)接口和通信基站支持組建高速有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)支持語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)傳輸[5-6]。在工作面場(chǎng)景中應(yīng)用，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：（1）覆蓋范圍寬，實(shí)現(xiàn)大范圍寬帶無(wú)線通信，可為語(yǔ)音、視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供強(qiáng)大支撐；（2）擴(kuò)展能力強(qiáng)，具備集成人員定位管理、視頻監(jiān)控管理等相關(guān)功能的能力；（3）無(wú)線通信距離遠(yuǎn)、信號(hào)穿透性強(qiáng)、快速組網(wǎng)，有效減少設(shè)備的部署數(shù)量和建設(shè)成本。

2.2 防突信息無(wú)線采集平臺(tái)建設(shè)

（1）無(wú)線視頻監(jiān)控設(shè)備

工作面防突作業(yè)具有空間受限、照明條件差、粉塵污染、需經(jīng)常移動(dòng)位置等特點(diǎn)。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)采用基于WiFi 寬帶無(wú)線通信的防爆攝像儀[7]，支持視頻信號(hào)無(wú)線傳輸，有效避免線纜鋪設(shè)，方便攝像儀吊掛安裝；采用帶紅外夜視功能的高清攝像儀，可在照明條件差的環(huán)境中正常使用。視頻監(jiān)控圖像可通過(guò)防爆手機(jī)查看，方便隨時(shí)調(diào)整攝像儀安裝位置。通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備，可隨時(shí)查看井下防突作業(yè)過(guò)程，加強(qiáng)防突員監(jiān)督管理，有效杜絕鉆孔造假、數(shù)據(jù)造假等違規(guī)行為。

（2）無(wú)線鉆孔軌跡測(cè)量

考慮到防突作業(yè)工作量大、空間受限等問(wèn)題，系統(tǒng)采用手持式淺孔軌跡儀，具有組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成孔后快速檢測(cè)、軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)可無(wú)線傳輸?shù)揭苿?dòng)終端等特點(diǎn)。探管外形小巧，利用碳纖維桿推送探管進(jìn)行軌跡測(cè)量，能夠在移動(dòng)終端顯示鉆孔測(cè)量軌跡數(shù)據(jù)、二維、三維鉆孔圖。

（3）無(wú)線突出參數(shù)測(cè)定儀

鉆屑指標(biāo)法是工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)或效果檢驗(yàn)的常用方法，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S是關(guān)鍵預(yù)測(cè)參數(shù)，突出參數(shù)測(cè)定儀可以實(shí)現(xiàn)K1值和S值的快速檢測(cè)。系統(tǒng)采用帶WiFi 無(wú)線通信模塊的突出參數(shù)測(cè)定儀[8-9]，自動(dòng)獲取井下IP 地址，接入無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)瓦斯突出參數(shù)無(wú)線上傳，有效提升防突作業(yè)信息填報(bào)的時(shí)效性。

（4）移動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端

通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，支持井下防突作業(yè)數(shù)據(jù)采集、上傳與地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)下發(fā)交互等，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端采集信息的數(shù)據(jù)管理。防突作業(yè)人員可通過(guò)移動(dòng)終端記錄施工過(guò)程數(shù)據(jù)以及接收防突管理信息，自動(dòng)生成防突校檢表單，避免信息多人多次錄入。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端支持按照時(shí)間、地點(diǎn)、區(qū)域等對(duì)防突信息進(jìn)行管理，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。

防突信息無(wú)線采集平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用ASP.NET Web Form 技術(shù)架構(gòu)，Microsoft Visual Studio 作為開(kāi)發(fā)工具，SQL Server 2016 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理工具，構(gòu)建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件主要設(shè)計(jì)功能模塊如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件主要功能模塊圖

3.1 防突數(shù)據(jù)智能分析

系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)挖掘、AI 視頻分析等技術(shù)，結(jié)合煤礦日常防突動(dòng)態(tài)管理方法，開(kāi)展防突作業(yè)過(guò)程合規(guī)性分析、防突校檢鉆孔空白帶分析、突出敏感指標(biāo)預(yù)警分析及突出危險(xiǎn)性趨勢(shì)預(yù)警等。

（1）防突作業(yè)合規(guī)性分析

基于AI 視頻分析技術(shù)，重點(diǎn)捕捉鉆桿的運(yùn)動(dòng)軌跡特征、人員著裝狀態(tài)特征和瓦斯異常動(dòng)力現(xiàn)象特征，建立異常視頻畫(huà)面的特征庫(kù)，通過(guò)AI 深度學(xué)習(xí)算法，形成完整的異常特征信息庫(kù)；隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的增多，智能識(shí)別的準(zhǔn)確率和速度得到不斷提升；能夠?qū)πz鉆孔深度是否符合要求、防突員是否正確佩戴安全帽、作業(yè)過(guò)程是否存在瓦斯異常動(dòng)力現(xiàn)象等狀況進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)。

（2）防突鉆孔空白帶分析

系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過(guò)防突鉆孔多維度、一體化信息管理，將鉆孔施工參數(shù)、校檢指標(biāo)、鉆孔軌跡、視頻監(jiān)控等信息進(jìn)行系統(tǒng)性管理，利用系統(tǒng)構(gòu)建的工作面模型，根據(jù)采集的鉆孔施工與軌跡測(cè)定信息，實(shí)現(xiàn)防突作業(yè)鉆孔自動(dòng)上圖，防突措施竣工圖自動(dòng)生成；通過(guò)實(shí)際鉆孔與設(shè)計(jì)鉆孔偏差分析，實(shí)現(xiàn)鉆孔覆蓋煤體區(qū)域空白帶自動(dòng)分析。

（3）突出預(yù)警動(dòng)態(tài)分析

系統(tǒng)根據(jù)日常突出參數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的變化特征[10]，通過(guò)捕捉突出參數(shù)忽大忽小、急劇增加等變化信息，結(jié)合AI 視頻識(shí)別的瓦斯異常動(dòng)力現(xiàn)象，綜合工作面采掘信息、煤層瓦斯地質(zhì)信息、安全監(jiān)控系統(tǒng)信息等進(jìn)行研判，及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出異常風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)煤礦日常防突綜合預(yù)警管理。

3.2 可視化圖形與報(bào)表分析

系統(tǒng)采用防突管理“一張圖”的可視化工具，實(shí)現(xiàn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、效果檢驗(yàn)和循環(huán)進(jìn)尺等信息的動(dòng)態(tài)展示。根據(jù)防突鉆孔參數(shù)，自動(dòng)生成防突措施竣工圖；通過(guò)曲線圖、折線圖、柱狀圖等方式展示工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)；多視角、直觀展現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)指標(biāo)和主體數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)防突信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的深度融合，并打通與瓦斯防治相關(guān)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通道。

3.3 防突信息采集與融合

系統(tǒng)基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在工作面區(qū)域內(nèi)覆蓋，支持防突作業(yè)過(guò)程中鉆孔軌跡、視頻監(jiān)控圖像、突出參數(shù)測(cè)定、井下記錄的防突信息獲取，實(shí)現(xiàn)防突過(guò)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、信息錄入、存儲(chǔ)、及時(shí)上傳與管理，有利于煤礦即時(shí)掌握防突作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)支持Excel 表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入與管理，方便煤礦現(xiàn)有的防突數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入系統(tǒng)，減少人員錄入信息的工作量。

3.4 防突過(guò)程精細(xì)化管理

防突過(guò)程管理模塊實(shí)現(xiàn)工作面防突基礎(chǔ)信息管理、在線流轉(zhuǎn)審批等功能，主要內(nèi)容包括工作面位置、長(zhǎng)度、巷道參數(shù)、煤層厚度、開(kāi)采工藝等基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置；局部綜合防突措施施工過(guò)程從局部預(yù)測(cè)、防突措施等防突信息進(jìn)行精細(xì)化管理；按照局部防突工作流程，開(kāi)展防突信息動(dòng)態(tài)采集、防突參數(shù)智能化分析、循環(huán)圖表自動(dòng)生成等；基于權(quán)限管理和表單審批規(guī)則，可在線發(fā)起防突表單的流轉(zhuǎn)、審批流程；實(shí)現(xiàn)對(duì)各工作面局部綜合防突措施的精細(xì)化管理。

4 結(jié)語(yǔ)

充分利用數(shù)字化、信息化技術(shù)，開(kāi)展煤礦智能化防突動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)防突信息動(dòng)態(tài)采集、無(wú)線傳輸、自動(dòng)分析、可視化展示的系統(tǒng)功能架構(gòu)；構(gòu)建基于WiFi 的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、軌跡測(cè)量、突出參數(shù)測(cè)定、移動(dòng)應(yīng)用等信息的動(dòng)態(tài)采集；針對(duì)性開(kāi)展系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)日常防突信息的精細(xì)化、可視化管理；有效降低防突信息采集、數(shù)據(jù)分析、流程審批的工作量，為礦井防突過(guò)程管理提供智能化手段。