煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)自診斷方法研究

許 金，何 橋

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造明確規(guī)定安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具備自診斷和自評估功能，診斷和評估的內(nèi)容包括傳感器定位未標(biāo)校提醒、傳感器的設(shè)置及定義和模擬量傳感器的工作狀態(tài)等[1-2]。當(dāng)前針對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的合規(guī)性，主要采用人工檢查的方式進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)的評估方法和高效的診斷工具。為此，在分析煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)法律法規(guī)的基礎(chǔ)上，提出并開發(fā)了一種基于多元信息評估的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括礦井監(jiān)控系統(tǒng)GIS 與可視化展現(xiàn)模塊、合規(guī)性量化評判模型、分析評判服務(wù)程序共3 個(gè)部分。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化與可視化展現(xiàn)模塊主要為基于開源組件開發(fā)的礦井GIS 模塊，用于煤礦巷道、傳感器等矢量化和評判結(jié)果的展現(xiàn)；合規(guī)性評判分析模型主要為基于相關(guān)規(guī)程建立的評判準(zhǔn)則與量化方法；合規(guī)性評判分析服務(wù)程序用于實(shí)時(shí)分析評判，并將評判結(jié)果傳遞給礦井GIS 模塊。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)圖形化與可視化展現(xiàn)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析評判的基礎(chǔ)。通過程序自動(dòng)識(shí)別與人工輔助的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化，基于二三維GIS 技術(shù)將煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)布置圖轉(zhuǎn)換為軟件可識(shí)別的點(diǎn)、線、面等元素，實(shí)現(xiàn)礦井巷道、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、工作區(qū)域及相互的空間位置關(guān)系的矢量化。

1）搭建GIS 模塊。GIS 模塊主要由Openlayers、Geoserver、postGIS 和postgresql 等組件完成[3-4]。Postgresql 主要保存巷道和設(shè)備等轉(zhuǎn)換的點(diǎn)、線等元素信息，postGIS 用于分析計(jì)算各元素之間的拓?fù)潢P(guān)系等，geoserver 用于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)布置矢量圖的渲染與重構(gòu)，openlayer 主要用于Web 端數(shù)據(jù)的傳遞與發(fā)送。

2）礦井巷道數(shù)字化。礦井巷道數(shù)字化主要通過GIS 模塊提供的人工交互界面，基于礦井真實(shí)CAD人工繪制而成，并標(biāo)注巷道名稱、類型、用途、斷面尺寸、進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、所屬工作面等信息。巷道繪制完成時(shí)，GIS 模塊會(huì)自動(dòng)通過巷道的相交關(guān)系，提取巷道的端點(diǎn)與拐點(diǎn)，生成巷道拓?fù)潢P(guān)系。為確保巷道繪制的完整，系統(tǒng)內(nèi)置了礦井開采基礎(chǔ)巷道類型的個(gè)數(shù)。

3）監(jiān)測設(shè)備的圖元化與位置標(biāo)注。對安全監(jiān)控系統(tǒng)分站、交換機(jī)、甲烷傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)不同的圖標(biāo)，通過手動(dòng)拖拽的方式綁定到巷道相應(yīng)位置。當(dāng)設(shè)備綁定到巷道時(shí)，GIS 模塊會(huì)自動(dòng)計(jì)算距離設(shè)備最近的巷道，自動(dòng)消除人為因素造成的設(shè)備未標(biāo)注在巷道上的誤差。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判模型

2.1 評判指標(biāo)及準(zhǔn)則

基于《煤礦安全規(guī)程》、AQ 6201—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求、AQ 1029—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，整理了煤礦安全監(jiān)控自診斷評判指標(biāo)[5-8]，自診斷指標(biāo)體系如圖1。

1）設(shè)備安裝個(gè)數(shù)。設(shè)備安裝個(gè)數(shù)指的是相關(guān)規(guī)程規(guī)定的地點(diǎn)或區(qū)域需要安裝不同類型傳感器的個(gè)數(shù)是否滿足要求。評判的算法流程圖如圖2。首先根據(jù)法律法規(guī)，整理需要安裝傳感器的巷道、地點(diǎn)，及傳感器類型、個(gè)數(shù)要求，建立安裝個(gè)數(shù)準(zhǔn)則庫。在此基礎(chǔ)上通過GIS 模塊，查找出需要評判的巷道、地點(diǎn)及綁定的傳感器數(shù)據(jù)。最后根據(jù)準(zhǔn)則庫，依次判斷是否合規(guī)。

2）工作面?zhèn)鞲衅靼惭b達(dá)標(biāo)。工作面包括采煤工作面和掘進(jìn)工作面，其作為煤礦安全生產(chǎn)的最重要的場所，其位置的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測對于煤礦安全防控具有重要的意義。

圖1 自診斷指標(biāo)體系Fig.1 Self-diagnosis index system

圖2 安裝個(gè)數(shù)評判流程圖Fig.2 Flow chart of installation number evaluation

3）設(shè)備安裝到位。設(shè)備安裝到位指的是采掘工作面的瓦斯傳感器T0、T1、T2等安裝距離是否符合規(guī)定。需要借助具備自主定位功能的傳感器實(shí)現(xiàn)，從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)來判定。

4）門限配置。該指標(biāo)指的是監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的報(bào)警、斷電、復(fù)電門限配置時(shí)候符合規(guī)定。首先根據(jù)規(guī)定整理出門限配置準(zhǔn)則庫，并存入數(shù)據(jù)庫。然后根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器實(shí)際門限配置情況進(jìn)行判定。

5）傳感器量程。由于不同量程的傳感器監(jiān)測精度和范圍不一樣，不同瓦斯等級(jí)的礦井和不同地點(diǎn)對傳感器量程有不同要求。首先根據(jù)GIS 模塊和煤礦瓦斯等級(jí)，獲得需要安裝高低濃度或全量程的傳感器地點(diǎn)，然后根據(jù)規(guī)定進(jìn)行判定。

6）控饋關(guān)系定義完善?？仞侁P(guān)系的定義是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)斷電控制的基礎(chǔ)。根據(jù)規(guī)定整理出需要定義控饋關(guān)系的傳感器與分站，然后根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判定。

7）實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)。實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量占比。按照下式計(jì)算。

式中：us為實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)合規(guī)性指數(shù)；x 為非故障設(shè)備數(shù)量；y 為設(shè)備總數(shù)。

8）控饋異常?？仞佉恢率呛饬棵旱V安全監(jiān)測系統(tǒng)控制有效的最重要指標(biāo)。采用實(shí)時(shí)控饋異常記錄和歷史控饋異常記錄來綜合衡量監(jiān)控系統(tǒng)的控制有效能力。

9）斷電控制時(shí)長指數(shù)。相關(guān)規(guī)程規(guī)定監(jiān)控系統(tǒng)本地?cái)嚯娍刂撇粦?yīng)超過2 s，異地控制斷電不應(yīng)超過2 個(gè)巡檢周期。由于本地控制時(shí)間難以獲取，這里直接采用異地控制斷電指數(shù)來衡量。統(tǒng)計(jì)最近30 d 的斷電控制記錄，計(jì)算滿足要求的記錄占比。控饋記錄為0 得滿分。

式中：ud為斷電控制時(shí)長合規(guī)性指數(shù)；m 為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)合規(guī)記錄數(shù)；n 為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)斷電控制記錄。

10）甲烷傳感器定期調(diào)校。監(jiān)控設(shè)備必須定期調(diào)校，定期調(diào)校主要根據(jù)程序自動(dòng)識(shí)別，根據(jù)規(guī)定，調(diào)校主要過程為：調(diào)校零點(diǎn)（范圍控制在0.009%～0.03%），達(dá)到斷電值（持續(xù)時(shí)間大于90 s），恢復(fù)到原始值。據(jù)此建立傳感器調(diào)校判定流程如下[9]：①通過Sql 語句查詢出超過或達(dá)到2.0%的報(bào)警數(shù)據(jù)；②判斷報(bào)警開始時(shí)間刻前5 min 內(nèi)數(shù)據(jù)是否存在零點(diǎn)；③判斷超過2.0%的值持續(xù)時(shí)間是否大于90 s；④整個(gè)報(bào)警持續(xù)時(shí)間不大于5 min。以上要求均符合，則判定為調(diào)校合規(guī)，否則判定為非調(diào)校（含調(diào)校不合規(guī)）。

11）監(jiān)控日報(bào)查看指數(shù)。根據(jù)規(guī)定，煤礦調(diào)度人員，應(yīng)該每天至少查看1 次監(jiān)控日報(bào)，由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄監(jiān)控日報(bào)、曲線等的查看記錄。該指標(biāo)評方法為，統(tǒng)計(jì)最近30 d 的的監(jiān)控日報(bào)查看情況。

式中：uj為監(jiān)控日報(bào)查看合規(guī)性指數(shù)；tx為查看記錄至少為1 次的天數(shù)；ty為統(tǒng)計(jì)周期，這里取30。

12）歷史監(jiān)測狀態(tài)指數(shù)。該指標(biāo)主要用來衡量監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行程度。主要統(tǒng)計(jì)最近主要統(tǒng)計(jì)最近一段時(shí)間，監(jiān)控設(shè)備的故障時(shí)長占比，基于監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。

式中：ul為歷史監(jiān)測狀態(tài)合規(guī)指數(shù)；k 為傳感器個(gè)數(shù)；ts為故障時(shí)長，s。

13）監(jiān)測值長時(shí)間變化較小。為確保傳感設(shè)備能正常監(jiān)測井下環(huán)境參數(shù)，檢測是否通過人為作弊的方式影響環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確性，通過監(jiān)測值長時(shí)間變化值指數(shù)衡量監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行合規(guī)性。通過西南地區(qū)高瓦斯及瓦斯突出礦井研究得到，80%的環(huán)境瓦斯監(jiān)測濃度在12 h 會(huì)發(fā)生變化，1 d 不變的占比降低為11%左右，3 d 不變的監(jiān)測點(diǎn)約為8%，7 d 不變的瓦斯監(jiān)測點(diǎn)占比約為2.73%，15 d 不變的瓦斯監(jiān)測點(diǎn)降低為0.47%。對于采掘工作面、主回風(fēng)巷等地點(diǎn)，99.9%的傳感器會(huì)在30 min 發(fā)生變化。對于安裝在此類地點(diǎn)的傳感器，選取1 h 為限來判定，其他地點(diǎn)的傳感器，選取15 d 為限判定。

14）平臺(tái)組件。主要包括雙擊熱備狀態(tài)、主備數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)狀態(tài)、主備WCF 狀態(tài)、磁盤空間和CPU 運(yùn)行情況等。該數(shù)據(jù)直接從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取。

2.2 綜合評估

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判的目的一方面使督促煤礦加強(qiáng)系統(tǒng)系統(tǒng)使用于管理規(guī)范，另一方面是幫助煤礦了解掌握煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)以及系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢。因此這里主要采用縱向評估的方式。具體步驟如下[10]：

1）設(shè)置各指標(biāo)的最優(yōu)合規(guī)值，理論上完全達(dá)標(biāo)或合規(guī)即為最優(yōu)值。當(dāng)為越大越優(yōu)型指標(biāo)，取最大值為最優(yōu)值。當(dāng)為越小越優(yōu)型指標(biāo)，取0 為最優(yōu)值，或取最近一段時(shí)間內(nèi)所有樣本中的最小值為最優(yōu)值。

2）計(jì)算各指標(biāo)的當(dāng)前合規(guī)指數(shù)SHGi。當(dāng)前合規(guī)指數(shù)直接根據(jù)數(shù)據(jù)按照評判準(zhǔn)則計(jì)算而得。

3）計(jì)算各指標(biāo)的當(dāng)前合規(guī)指數(shù)SHGi與最優(yōu)指數(shù)SZYi的相似度Sxsi。

4）確定各指標(biāo)的權(quán)重。綜合利用層次分析法和熵值法確定各評判指標(biāo)權(quán)重，按照各取0.5 方法得到綜合權(quán)重。

5）計(jì)算綜合相似度IZH，確定預(yù)警等級(jí)。

式中:Wi為第i 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

基于.NET 平臺(tái)，開發(fā)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)合規(guī)性評判軟件，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要通過WCF 接口從監(jiān)控系統(tǒng)中心站獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊具體分為數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊和數(shù)據(jù)處理子模塊。預(yù)處理子模塊主要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則校驗(yàn)、去噪等。數(shù)據(jù)處理子模塊主要依據(jù)評判準(zhǔn)則對其進(jìn)行評判。評判結(jié)果通過GIS 模塊進(jìn)行展現(xiàn)，合規(guī)性軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 合規(guī)性軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of compliance evaluation software

4 結(jié) 語

提出了一種基于相關(guān)法律法規(guī)的煤礦安全合規(guī)性評判指標(biāo)、準(zhǔn)則及方法，并基于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)了相應(yīng)的軟件和程序。開發(fā)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)自診斷方法能實(shí)時(shí)對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的合規(guī)性進(jìn)行分析，對煤礦監(jiān)測監(jiān)控管理人員和監(jiān)管監(jiān)察相關(guān)人員快速掌握礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況具有重要的參考價(jià)值。