煤礦隱患行為智能監(jiān)察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張柳 趙德偉 康亞偉

摘? 要：從2000年我國(guó)建立煤礦安全監(jiān)察體制開始，全國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)逐年好轉(zhuǎn)，成績(jī)顯著?；诖?，該文主要對(duì)煤礦智能隱患監(jiān)察的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究，推動(dòng)煤礦智能隱患監(jiān)察手段的變革，進(jìn)一步保障人員的生命安全，希望能為我國(guó)的煤礦業(yè)發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：煤礦;智能隱患監(jiān)察;AI模型

中圖分類號(hào)： TD76? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

蔣莊煤礦隸屬于山東能源棗礦集團(tuán)，地處美麗的微山湖東畔，地里位置優(yōu)越，水陸交通便利。礦井于1979年12月動(dòng)土興建，1989年6月建成投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)能力150萬(wàn)t/年，核定生產(chǎn)能力275萬(wàn)t/年。30年春華秋實(shí)、風(fēng)雨兼程，礦井現(xiàn)已發(fā)展成為集煤炭生產(chǎn)、洗選加工、熱電聯(lián)產(chǎn)、機(jī)械制造、精細(xì)化工、生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)為一體的國(guó)有綜合效益型現(xiàn)代化礦井。

1 煤礦智能隱患監(jiān)察

1.1 煤礦規(guī)模化生產(chǎn)，導(dǎo)致安全監(jiān)管困境

2018年1月5日，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)煤炭企業(yè)兼并重組轉(zhuǎn)型升級(jí)的意見(jiàn)》，指出：“通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制、經(jīng)濟(jì)手段、法治辦法，促進(jìn)煤炭企業(yè)加快兼并重組和上下游深度融合發(fā)展，大幅提高煤礦規(guī)?；?、集約化、現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。到2020年底，爭(zhēng)取在全國(guó)形成若干個(gè)具有較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的億噸級(jí)特大型煤炭企業(yè)集團(tuán)，發(fā)展和培育一批現(xiàn)代化煤炭企業(yè)集團(tuán)?！焙喜⒅蟮拿旱V，以集團(tuán)方式管理，管理水平隨之提升，但是所管轄的生產(chǎn)范圍變大，作業(yè)區(qū)域變多，管理難度不斷增大。

以核定年生產(chǎn)能力275萬(wàn)t/年的蔣莊煤礦為例，該礦屬于中型煤礦企業(yè)，井田面積36.463 km2。該礦為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患問(wèn)題，避免事故發(fā)生，在煤礦井下的重點(diǎn)區(qū)域，建設(shè)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控相機(jī)達(dá)到300余臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了井下重點(diǎn)場(chǎng)所全覆蓋。在井上建設(shè)了調(diào)度指揮中心，該中心采取24 h值班制，安全管理值班人員實(shí)時(shí)盯著各重點(diǎn)位置，監(jiān)控各作業(yè)過(guò)程，一旦發(fā)生隱患，遠(yuǎn)程電話通知井下，以期及時(shí)消除隱患

1.2 煤礦對(duì)智能的需求

需求較為碎片化，特定碎片化的應(yīng)用算法和應(yīng)用在很大程度上缺乏通用性、單點(diǎn)成本高，難以規(guī)?；?，且多數(shù)應(yīng)用交付復(fù)雜，部署周期長(zhǎng)，算法迭代慢。實(shí)際應(yīng)用涉及產(chǎn)品、施工、算法優(yōu)化、信息系統(tǒng)打通、業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)型等環(huán)節(jié)，整體周期長(zhǎng)，需求無(wú)法快速變現(xiàn)，應(yīng)用部署后，算法無(wú)法快速迭代更新。為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)用AI開放平臺(tái)和相關(guān)智能硬件，以輔助應(yīng)用快速落地。

2 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)原則共有5點(diǎn)。1）先進(jìn)性。采用基于深度學(xué)習(xí)的視頻智能識(shí)別的技術(shù)，利用AI開放平臺(tái)進(jìn)行算法快速訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)隱患的智能分析。2） 穩(wěn)定性。系統(tǒng)選擇了井下特定攝像機(jī)，在獲取清晰圖像的同時(shí)，采用了深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)隱患進(jìn)行識(shí)別，保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。3）? 實(shí)用性。以業(yè)務(wù)流程梳理為依據(jù)，選擇相應(yīng)點(diǎn)位安裝智能相機(jī)，且平臺(tái)基于B/S架構(gòu)開發(fā)軟件平臺(tái)，便于不同人員根據(jù)權(quán)限查看不同結(jié)果。4） 集成性。系統(tǒng)的高度集成一方面可以有效減少系統(tǒng)的故障點(diǎn)，有利于系統(tǒng)的實(shí)施與運(yùn)維，另一方面系統(tǒng)集成可以有效實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)設(shè)備多種功能，提高信息處理效率，避免過(guò)度建設(shè)，以適應(yīng)業(yè)務(wù)未來(lái)的發(fā)展要求。5）? 可拓展性。平臺(tái)軟件可拓展性：采用模塊化設(shè)計(jì)，支持功能的模塊化升級(jí)，還可與其他平臺(tái)作數(shù)據(jù)對(duì)接[1]。

3 煤礦智能安全隱患監(jiān)察的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概述

通過(guò)AI開放平臺(tái)訓(xùn)練各類隱患智能識(shí)別算法，并將算法加載到專用智能設(shè)備，智能設(shè)備將結(jié)果上傳平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)報(bào)警邏輯，實(shí)現(xiàn)隱患的報(bào)警和報(bào)警處理。

3.2 應(yīng)用架構(gòu)

井下安全隱患識(shí)別是需要整合多個(gè)異構(gòu)管理子系統(tǒng)，以網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，為多個(gè)“信息孤島”提供協(xié)同合作的統(tǒng)一平臺(tái)，建立一套高集成、高智能化的管理機(jī)制，滿足統(tǒng)一的配置管理、數(shù)據(jù)共享、功能聯(lián)動(dòng)和業(yè)務(wù)優(yōu)化等系統(tǒng)需求。

3.3 應(yīng)用功能

主要應(yīng)用、主要功能包括3點(diǎn)。1） AI模型管理。AI模型管理主要提供AI模型下載、模型管理、模型下發(fā)、AI分析任務(wù)下發(fā)等功能，通過(guò)高級(jí)參數(shù)配置，也可提供AI模型的自動(dòng)下載、設(shè)備模型自動(dòng)升級(jí)、素材自動(dòng)上傳的功能。2）? 行為監(jiān)管。行為監(jiān)管模塊是C/S客戶端，提供報(bào)警事件接收、圖片查看的功能，可批量對(duì)報(bào)警圖片進(jìn)行正報(bào)、誤報(bào)判定，并填寫處理意見(jiàn)和責(zé)任單位。3）? 視頻監(jiān)控。平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)前端編碼設(shè)備、后端存儲(chǔ)設(shè)備、中心傳輸顯示設(shè)備、解碼設(shè)備的集中管理和業(yè)務(wù)配置，提供視頻監(jiān)控、錄像回放、解碼上墻、圖片查詢等應(yīng)用。

4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 核心設(shè)備

4.1.1 井下相機(jī)

圖像的采集是分析的基礎(chǔ)，只有確保畫面清晰，才能進(jìn)行有效分析。但是井下普遍存在光線昏暗、光污染（頭燈、手電、火車燈、衣服反光條）、溫差大等問(wèn)題，導(dǎo)致圖像模糊，達(dá)不到分析的要求。

使用井下專用攝像機(jī)，主要解決3個(gè)問(wèn)題。1）強(qiáng)光抑制功能：避免礦工頭燈、環(huán)境照明等引起的強(qiáng)光影響。2）密封性問(wèn)題：密封性不好會(huì)引起攝像機(jī)內(nèi)部起霧，導(dǎo)致畫面模糊，井下專用相機(jī)會(huì)設(shè)置2個(gè)腔體，解決密封性差的問(wèn)題。3）AI分析功能：部分型號(hào)具有AI功能，可直接下載AI開放平臺(tái)相關(guān)算法。

4.1.2 智能NVR

智能NVR采用嵌入式設(shè)計(jì)，集成高性能GPU模塊，集IPC接入、存儲(chǔ)、管理、控制于一體，可加載深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自定義智能分析，提升監(jiān)控視頻價(jià)值，服務(wù)安防大數(shù)據(jù)時(shí)代。智能NVR既可作為NVR進(jìn)行本地獨(dú)立工作，也可聯(lián)網(wǎng)組成一個(gè)強(qiáng)大的安全防范系統(tǒng)[2]。

4.2 煤礦隱患行為智能監(jiān)察平臺(tái)

4.2.1 組建邏輯架構(gòu)

該平臺(tái)基于“統(tǒng)一軟件技術(shù)架構(gòu)”的先進(jìn)理念設(shè)計(jì)，采用業(yè)務(wù)組件化技術(shù)，滿足平臺(tái)在業(yè)務(wù)上的彈性擴(kuò)展。該平臺(tái)適用于全行業(yè)行為智能監(jiān)管業(yè)務(wù)，對(duì)各系統(tǒng)資源進(jìn)行了整合和集中管理，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一部署、統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度。該平臺(tái)核心開發(fā)了AI模型管理服務(wù)、行為監(jiān)管應(yīng)用服務(wù)、行為監(jiān)管客戶端3個(gè)組件。

4.2.2 視頻監(jiān)控

4.2.2.1 實(shí)時(shí)預(yù)覽

視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽即對(duì)監(jiān)控實(shí)時(shí)畫面的預(yù)覽，包括基礎(chǔ)視頻預(yù)覽、視頻參數(shù)控制、視圖模式的預(yù)覽，平臺(tái)與監(jiān)控點(diǎn)所在的攝像機(jī)對(duì)講通道的實(shí)時(shí)對(duì)講、批量廣播以及對(duì)具備云臺(tái)能力的監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)云臺(tái)控制[3]。

4.2.2.2 錄像回放

錄像回放用于對(duì)歷史視頻錄像的查詢、定位、播放、錄像流控、片段下載等應(yīng)用。

4.2.2.3 事件查詢

事件聯(lián)動(dòng)是煤礦隱患行為智能監(jiān)察系統(tǒng)的事件樞紐。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵資源點(diǎn)配置事件規(guī)則及其聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)一些生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況的告警通知，方便管理人員快速進(jìn)行處置。支持模板方式進(jìn)行事件規(guī)則的配置，支持客戶端、錄像、抓圖、短信、郵件等多種聯(lián)動(dòng)方式。

4.2.3 行為監(jiān)管

行為監(jiān)管主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容。1）事件監(jiān)控。生產(chǎn)過(guò)程中檢測(cè)到的異常情況會(huì)在事件監(jiān)控中實(shí)時(shí)展示，可以對(duì)有權(quán)限的區(qū)域或者資源進(jìn)行統(tǒng)一查看。支持通過(guò)行為類型進(jìn)行篩選展示實(shí)時(shí)報(bào)警;支持切換卡片模式或者列表模式進(jìn)行報(bào)警查看;支持查看當(dāng)天所有的報(bào)警以及所有歷史未處置的報(bào)警;支持在接收到實(shí)時(shí)報(bào)警時(shí)進(jìn)行聲音提示;支持報(bào)警閃爍;支持查看事件的基本信息，查看事件發(fā)生地點(diǎn)的實(shí)時(shí)圖像、歷史錄像，查看事件發(fā)生時(shí)的抓圖;支持用戶對(duì)事件進(jìn)行處置。2）事件檢索。用戶已經(jīng)完成處置的事件可以在事件檢索中進(jìn)行查詢。用戶可以按照行為類型、事件發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、處置意見(jiàn)、處置人員進(jìn)行過(guò)濾查詢[4]。3）違規(guī)行為統(tǒng)計(jì)。違規(guī)行為統(tǒng)計(jì)中支持對(duì)用戶處置為正報(bào)的報(bào)警進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并用圖表展示，以便用戶可以更加直觀地了解生產(chǎn)環(huán)境中異常事件的發(fā)生情況。支持按照事件發(fā)生地點(diǎn)對(duì)異常事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示;支持按照日期對(duì)異常事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示;支持按照行為類型對(duì)異常事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示;支持自定義事件范圍異常事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示。

4.2.4 平臺(tái)特色

平臺(tái)特色主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容。1） 組件化。統(tǒng)一軟件技術(shù)架構(gòu)以組件化方式構(gòu)成系統(tǒng)，集成了消息中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、分布式緩存、應(yīng)用容器、事件分發(fā)、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備接入、存儲(chǔ)接入、短信接入、郵件接入等各類服務(wù)，由各個(gè)組件承載相關(guān)服務(wù)能力，提供平臺(tái)及支撐組件的各種功能需求。2）可深縮性。平臺(tái)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模和應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了各服務(wù)的水平擴(kuò)展能力，尤其是設(shè)備接入、流分發(fā)、流存儲(chǔ)、事件、數(shù)據(jù)庫(kù)等關(guān)鍵服務(wù)。3）可維護(hù)性。平臺(tái)界面設(shè)計(jì)人性化，采用B/S管理，使系統(tǒng)管理和維護(hù)更方便快捷。4）多層次的安全設(shè)計(jì)。平臺(tái)從設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用多個(gè)層面考慮各類安全防護(hù)點(diǎn)，并采用多種安全控制策略。設(shè)備層面：訪問(wèn)存儲(chǔ)設(shè)備、前端設(shè)備等各類設(shè)備均需通過(guò)設(shè)備的身份認(rèn)證才能訪問(wèn)。網(wǎng)絡(luò)層面：訪問(wèn)平臺(tái)支持https訪問(wèn)，敏感數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一經(jīng)過(guò)安全認(rèn)可的加密方式加密后傳輸，對(duì)非本地局域網(wǎng)的外網(wǎng)通過(guò)映射少量端口即可訪問(wèn)平臺(tái)。主機(jī)層面：通過(guò)操作系統(tǒng)防火墻控制非平臺(tái)使用端口的訪問(wèn)。

4.3 AI開放平臺(tái)

4.3.1 數(shù)據(jù)集管理

系統(tǒng)支持訓(xùn)練數(shù)據(jù)集創(chuàng)建、修改、刪除和查看功能，用戶可以創(chuàng)建多個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來(lái)支撐不同的模型訓(xùn)練。系統(tǒng)支持從瀏覽器一次上傳多張訓(xùn)練圖片至訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，支持重命名或刪除訓(xùn)練圖片。用戶上傳的數(shù)據(jù)加密后保存在存儲(chǔ)空間中。

4.3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)注

系統(tǒng)支持快速標(biāo)注訓(xùn)練圖片類別或標(biāo)注訓(xùn)練圖片中的物體位置、名稱，并將標(biāo)注的標(biāo)簽保存。系統(tǒng)支持對(duì)一個(gè)圖片中的多個(gè)物體分別標(biāo)注標(biāo)簽，一張圖片最多支持16種不同類別的標(biāo)簽。

4.3.3 模型訓(xùn)練

系統(tǒng)支持一鍵訓(xùn)練模型，支持選擇應(yīng)用類型、模型版本和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。其中，應(yīng)用類型包括云端推理服務(wù)和邊緣端IPC、NVR分析服務(wù)。訓(xùn)練開始時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示預(yù)計(jì)結(jié)束時(shí)間。訓(xùn)練時(shí)間與訓(xùn)練圖片數(shù)量有關(guān)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)量越大，訓(xùn)練時(shí)間越長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該項(xiàng)目的探索，形成全礦區(qū)高效、自律、精準(zhǔn)的安全防范意識(shí)，推動(dòng)煤礦智能隱患監(jiān)察手段的變革，進(jìn)一步保障人員生命安全。

參考文獻(xiàn)

[1]馬瑞孚.寧夏煤礦事故規(guī)律及防范對(duì)策研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2018.

[2]任曉聰.我國(guó)煤礦安全規(guī)制研究[D].沈陽(yáng)：遼寧大學(xué)，2018.

[3]郭尚彬.甘肅省煤礦安全監(jiān)管研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2016.

[4]郭啟光.中國(guó)煤礦安全規(guī)制俘獲研究：形成機(jī)理、雙重影響與治理效果[D]. 大連：東北財(cái)經(jīng)大學(xué)，2016.