基于多系統(tǒng)融合的反風(fēng)演練指揮平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王寶來， 胡開庚， 陳安國， 韓國慶， 袁志金

(開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063018)

0 引言

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井每年都要舉行一次礦井反風(fēng)演練。礦井反風(fēng)演練主要檢驗(yàn)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)反風(fēng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和穩(wěn)定性、有害氣體涌出量、礦井發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)變條件下應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)的響應(yīng)及礦井人員應(yīng)急撤離情況。因此，礦井反風(fēng)演練在積累礦井災(zāi)害預(yù)防和處理經(jīng)驗(yàn)中具有重要的現(xiàn)實(shí)作用。但現(xiàn)有反風(fēng)演練存在以下問題：

(1) 報(bào)警系統(tǒng)和實(shí)時地圖能夠預(yù)警與顯示礦井災(zāi)變條件下的主要信息，但存在響應(yīng)速度慢、反饋災(zāi)變信息不及時等缺點(diǎn)[1-2]。

(2) 主要通風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)集中遠(yuǎn)程控制反風(fēng)，可以縮短通風(fēng)機(jī)防反風(fēng)時間，滿足反風(fēng)量要求，但存在實(shí)時系統(tǒng)與操作平臺之間反復(fù)切換、操作過程復(fù)雜等缺點(diǎn)[3-5]。

(3) 調(diào)度作業(yè)人員可對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與分析，提供給指揮人員決策，滿足反風(fēng)演練的基本要求[6-9]，但缺乏對現(xiàn)場大數(shù)據(jù)的有效綜合分析，指揮人員不能全面了解礦井信息，指揮決策完全依據(jù)現(xiàn)場作業(yè)人員的分析和經(jīng)驗(yàn)判斷，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性[10-12]。

為解決目前煤礦反風(fēng)演練過程中存在的反饋信息不及時、多個實(shí)時系統(tǒng)不融合、數(shù)據(jù)分析效率低和實(shí)時操作不方便等問題，結(jié)合煤礦現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、礦車定位系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等，應(yīng)用大數(shù)據(jù)獲取和分析、GIS等技術(shù)，筆者設(shè)計(jì)了一種基于多系統(tǒng)融合的反風(fēng)演練指揮平臺，在融合多系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)時地圖系統(tǒng)、停送電系統(tǒng)、綜合報(bào)警系統(tǒng)、交互組件系統(tǒng)，通過對反風(fēng)演練過程中多個環(huán)節(jié)的輔助確認(rèn)和遠(yuǎn)程操作，達(dá)到減少反風(fēng)參與人員、提高反風(fēng)作業(yè)效率和安全水平的目的。

1 煤礦反風(fēng)演練過程

反風(fēng)演練分為反風(fēng)前、反風(fēng)中和恢復(fù)正常送風(fēng)3個階段。具體演練過程如下：

(1) 反風(fēng)演練前，各單位將反風(fēng)演練無關(guān)的人員撤出升井，并及時匯報(bào)給指揮部。

(2) 各單位根據(jù)反風(fēng)演練會議的具體停電計(jì)劃對各區(qū)域進(jìn)行停電，并及時匯報(bào)給指揮部。

(3) 參與反風(fēng)演練的人員全部到位，經(jīng)現(xiàn)場指揮確認(rèn)后匯報(bào)給指揮部。

(4) 指揮部下達(dá)反風(fēng)演練開始命令，現(xiàn)場指揮通知作業(yè)人員控制通風(fēng)機(jī)，開始反風(fēng)演練。

(5) 指揮部下達(dá)反風(fēng)演練停止命令，現(xiàn)場指揮通知作業(yè)人員控制通風(fēng)機(jī)，停止反風(fēng)演練并恢復(fù)正常送風(fēng)。

(6) 經(jīng)指揮部同意，現(xiàn)場指揮通知瓦斯排放人員處理瓦斯，并將結(jié)果匯報(bào)給指揮部；通知送電人員逐級恢復(fù)送電，并將結(jié)果匯報(bào)給指揮部。

(7) 經(jīng)指揮部同意，現(xiàn)場指揮組織參與反風(fēng)演練人員有序撤離，反風(fēng)演練結(jié)束。

2 反風(fēng)演練指揮平臺設(shè)計(jì)

2.1 平臺總體設(shè)計(jì)

反風(fēng)演練指揮平臺以礦井反風(fēng)演練過程為依據(jù)，采用C/S架構(gòu)，服務(wù)器和客戶端與安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、綜合自動化系統(tǒng)OPC服務(wù)器、電力監(jiān)控系統(tǒng)分站、網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭等配置在同一個工業(yè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)，使得客戶端與服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠利用相應(yīng)的協(xié)議直接通信，服務(wù)器應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時獲取煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、礦車定位系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)有主要通風(fēng)機(jī)編號、電動機(jī)負(fù)荷、軸承溫度、風(fēng)量、風(fēng)壓、效率,水倉水位,各區(qū)域停送電情況,反風(fēng)時間,礦井總進(jìn)風(fēng)、總回風(fēng),各工作面瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃?礦井與采煤工作面反風(fēng)率,主要通風(fēng)機(jī)反風(fēng)效果等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、篩選和加工，完成多系統(tǒng)的融合。在多系統(tǒng)融合基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)時地圖系統(tǒng)、停送電系統(tǒng)、綜合報(bào)警系統(tǒng)、交互組件系統(tǒng)，共同構(gòu)建形成反風(fēng)演練指揮平臺，平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反風(fēng)演練指揮平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology of the anti-wind drill command platform

利用現(xiàn)有的煤礦大數(shù)據(jù)資源構(gòu)建一種多任務(wù)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時響應(yīng)的反風(fēng)演練指揮平臺，平臺人員分布如圖2所示。

調(diào)度指揮員實(shí)時觀察反風(fēng)演練過程的執(zhí)行進(jìn)度和報(bào)警信息，以便快速做出決策。安全監(jiān)測員重點(diǎn)觀測人員位置、瓦斯、風(fēng)量、溫度等數(shù)據(jù)變化情況，并對相關(guān)的監(jiān)測報(bào)警信息進(jìn)行處理。停送電操作員根據(jù)調(diào)度指揮員的要求進(jìn)行遠(yuǎn)程停送電操作，同時對相關(guān)的供電系統(tǒng)報(bào)警信息進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)管理員負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入，以及反風(fēng)演練流程、地圖、監(jiān)測點(diǎn)等多種數(shù)據(jù)的維護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)維員負(fù)責(zé)跟蹤和處理實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)運(yùn)行中的各種系統(tǒng)故障，保證實(shí)時數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)的有效性。

圖2 反風(fēng)演練指揮平臺人員分布Fig.2 Personnel distribution of anti-wind drill command platform

2.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

(1) 數(shù)據(jù)獲取。礦井反風(fēng)演練過程需要實(shí)時獲取多個系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，為提高客戶端數(shù)據(jù)解析的效率，服務(wù)器將獲取的數(shù)據(jù)編譯成統(tǒng)一的格式發(fā)送給客戶端，實(shí)時數(shù)據(jù)獲取關(guān)系如圖3所示。其中，DataSourceDef表示數(shù)據(jù)源；PointDef表示點(diǎn)的定義；PointDataType表示數(shù)字量、模擬量和字符串3種數(shù)據(jù)類型；PointValueDef表示實(shí)時數(shù)據(jù)定義；Quality表示數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖3 實(shí)時數(shù)據(jù)獲取關(guān)系Fig.3 Real-time data acquisition relationship

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括瓦斯?jié)舛取囟?、風(fēng)速、風(fēng)向、負(fù)壓、風(fēng)門開關(guān)等。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)使用WebAPI發(fā)布系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，便于網(wǎng)絡(luò)中其他系統(tǒng)調(diào)用。

人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括人員的基本信息、區(qū)域信息、分站信息、人員位置、人員軌跡、區(qū)域人數(shù)等。平臺服務(wù)器通過OLEDB(Object Linking and Embedding Database,對象中連接嵌入數(shù)據(jù)庫)方式連接人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲取有效數(shù)據(jù)。

礦車定位系統(tǒng)是采用人員定位系統(tǒng)的分站接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，服務(wù)器也通過OLEDB方式連接人員定位系統(tǒng)的分站數(shù)據(jù)庫獲取有效數(shù)據(jù)。

電力監(jiān)控系統(tǒng)分站與主站之間采用Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器與現(xiàn)場供電分站直接通信，能夠保障數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸和遠(yuǎn)程停送電控制。

綜合自動化系統(tǒng)OPC服務(wù)器采用標(biāo)準(zhǔn)OPC協(xié)議與平臺服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的獲取。

(2) 數(shù)據(jù)分析。礦井反風(fēng)演練過程中，需分析每個單位和區(qū)域的井下人員數(shù)量、電力監(jiān)控分站的實(shí)時數(shù)據(jù)、重點(diǎn)人員是否到達(dá)待命地點(diǎn)和工作地點(diǎn)、人車的運(yùn)輸過程和通風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

數(shù)據(jù)分析的主要步驟：為每個任務(wù)設(shè)置順序編號和自動確認(rèn)表達(dá)式(由實(shí)時數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)字、字符和數(shù)學(xué)運(yùn)算符號等基本項(xiàng)組成)，形成任務(wù)列表；自動確認(rèn)線程啟動后，運(yùn)用VB腳本技術(shù)，按照順序編號依次計(jì)算判別式結(jié)果，順序編號大的任務(wù)必須在順序編號小的任務(wù)確認(rèn)完成后才能進(jìn)行計(jì)算和確認(rèn)；記錄完成確認(rèn)的任務(wù)，并將其移出任務(wù)列表。

2.3 實(shí)時地圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用GIS的相關(guān)功能對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，建立地圖信息。實(shí)時地圖系統(tǒng)是礦井反風(fēng)演練的重要組成部分，基于GIS原理，以礦井通風(fēng)[13-14]示意圖為背景圖層，增加區(qū)域人員變化、人車位置、風(fēng)向、瓦斯、溫度等數(shù)據(jù)集，通過自動采集和更新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地圖的動態(tài)更新和顯示，直觀地反映井下環(huán)境變化情況。將人員、風(fēng)向、 瓦斯等重要觀測數(shù)據(jù)以圖形化的方式顯示在通風(fēng)系統(tǒng)示意圖上，實(shí)現(xiàn)煤礦的地理信息管理、分析、輔助決策等。

2.4 停送電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

停送電系統(tǒng)以供電系統(tǒng)示意圖為主界面，以開關(guān)操作窗口為用戶遠(yuǎn)程控制窗口，在供電系統(tǒng)上實(shí)時顯示開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)需送電時，先在供電系統(tǒng)示意圖上選中開關(guān)，然后選擇停送電操作工具欄開關(guān)，系統(tǒng)自動計(jì)算停送電線路，并將停送電開關(guān)順序顯示在開關(guān)操作窗口中，操作人員由上到下依次選擇開關(guān)，逐級送電。

2.5 綜合報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合報(bào)警系統(tǒng)具有報(bào)警數(shù)據(jù)生成、報(bào)警數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警規(guī)則設(shè)置3個功能，其中報(bào)警數(shù)據(jù)生成屬于服務(wù)器系統(tǒng)功能，報(bào)警數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警規(guī)則設(shè)置屬于客戶端系統(tǒng)功能。綜合報(bào)警系統(tǒng)通過文本和語音的形式實(shí)時反映平臺和現(xiàn)場發(fā)生的異常信息，并根據(jù)需要啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，有效減少現(xiàn)場事故的發(fā)生。

報(bào)警數(shù)據(jù)生成是將采集的實(shí)時數(shù)據(jù)和報(bào)警規(guī)則進(jìn)行比較，如滿足報(bào)警條件則生成新的報(bào)警記錄，反之則結(jié)束與此規(guī)則相同的報(bào)警記錄。報(bào)警數(shù)據(jù)生成為獨(dú)立的工作線程，按照固定的時間間隔工作。

語音報(bào)警采用微軟語音引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)，只對新發(fā)生的報(bào)警記錄有效，當(dāng)客戶端接收到新的報(bào)警內(nèi)容時，啟動語音報(bào)警線程，將新的報(bào)警內(nèi)容轉(zhuǎn)換為語音輸出。報(bào)警文本以彈窗為載體，以列表形式顯示，當(dāng)報(bào)警內(nèi)容出現(xiàn)變化時，自動彈出報(bào)警窗口，刷新列表，按照時間倒序排列顯示報(bào)警內(nèi)容。

報(bào)警規(guī)則決定報(bào)警的顯示內(nèi)容和報(bào)警發(fā)生的條件，其數(shù)據(jù)保存在后臺數(shù)據(jù)庫中，在客戶端進(jìn)行設(shè)置。

2.6 交互組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為便于查詢和顯示與地圖相關(guān)聯(lián)的信息，提高系統(tǒng)的交互性能，設(shè)計(jì)了基于MEF(Managed Extensibility Framework,托管可擴(kuò)展框架)技術(shù)的交互組件，如圖4所示。通過交互組件，可快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻調(diào)用、區(qū)域人員查看、實(shí)時數(shù)據(jù)獲取、人員位置搜索、人員軌跡查詢等功能，有效提高了參與反風(fēng)演練人員的工作效率。

圖4 交互組件接口Fig.4 Interface of interactive components

對于遠(yuǎn)程視頻調(diào)用、區(qū)域人員查看、實(shí)時數(shù)據(jù)曲線等組件，使用時需先在地圖上選擇圖形，然后選擇工具欄中組件對應(yīng)的圖標(biāo)，進(jìn)而查看結(jié)果；而對于人員位置搜索、人員軌跡查詢等組件，可直接選擇工具欄中的組件圖標(biāo)，彈出操作窗口，完成命令輸入，顯示結(jié)果。

交互組件能夠?qū)崿F(xiàn)與地圖中“攝像頭”圖層的圖形交互，圖層屬性表能夠保存訪問網(wǎng)絡(luò)視頻所需的參數(shù)。該組件也可實(shí)現(xiàn)與地圖中“區(qū)域人員”圖層的圖形交互，圖層屬性表能夠保存測點(diǎn)編碼，作為參數(shù)傳遞給組件。

交互組件可與區(qū)域人員、瓦斯、一氧化碳、溫度等多個圖層進(jìn)行圖形交互，每個圖層中均用測點(diǎn)編碼屬性作為參數(shù)傳遞給組件。組件使用多線程技術(shù)從服務(wù)器獲取相應(yīng)實(shí)時數(shù)據(jù)，使用GDI+進(jìn)行繪圖。

交互組件能夠?qū)崿F(xiàn)人員定位系統(tǒng)功能，即通過工號或姓名查詢?nèi)藛T信息。組件查詢結(jié)果為主從結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，主表顯示人員信息，從表顯示軌跡數(shù)據(jù)。

3 反風(fēng)演練指揮平臺應(yīng)用

基于多系統(tǒng)融合的反風(fēng)演練指揮平臺已在開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司呂家坨礦反風(fēng)演練中得到應(yīng)用，反風(fēng)演練過程中，指揮平臺自動提示反風(fēng)演練執(zhí)行步驟。

反風(fēng)演練指揮平臺運(yùn)行界面如圖5所示。界面左側(cè)顯示實(shí)時地圖，右側(cè)顯示實(shí)時瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。實(shí)時地圖顯示風(fēng)向、區(qū)域人數(shù)、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、溫度、人車位置、重點(diǎn)人員位置等實(shí)時信息,反風(fēng)前的正常風(fēng)向用綠色箭頭表示，反風(fēng)風(fēng)向用紅色箭頭表示。瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)按從大到小排列，便于工作人員查看。

圖5 反風(fēng)演練指揮平臺運(yùn)行界面Fig.5 Operation interface of anti-wind drill command platform

反風(fēng)演練過程中的多數(shù)確認(rèn)工作不再需要人員到現(xiàn)場進(jìn)行，由反風(fēng)演練指揮平臺自動確認(rèn)即可滿足要求。對于部分無法由系統(tǒng)自動確認(rèn)完成的步驟需要工作人員手動確認(rèn)。當(dāng)所有預(yù)案執(zhí)行完后，工作人員將預(yù)案的執(zhí)行流程生成日志，保存在文本文件中。

反風(fēng)演練指揮平臺實(shí)現(xiàn)的實(shí)時地圖及對多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，從人員、設(shè)備、環(huán)境等方面真實(shí)有效地反映了礦井現(xiàn)場實(shí)際情況，通過對數(shù)據(jù)接口、報(bào)警、預(yù)案的管理和配置，能夠應(yīng)用于礦井各種實(shí)際災(zāi)害狀態(tài)下的搶險(xiǎn)救災(zāi)過程。

反風(fēng)演練指揮平臺提供了瓦斯實(shí)時監(jiān)測列表，將各區(qū)域的瓦斯實(shí)時數(shù)據(jù)從大到小排列，方便調(diào)度指揮人員及時查看瓦斯數(shù)據(jù)，提前作出安排，避免現(xiàn)場瓦斯積聚。當(dāng)瓦斯達(dá)到報(bào)警值時，平臺顯示報(bào)警窗口，并進(jìn)行語音播報(bào)。

反風(fēng)演練指揮平臺提供了井下水位監(jiān)測列表，將各泵房水位集中顯示，水位達(dá)到報(bào)警值時進(jìn)行語音報(bào)警，方便調(diào)度指揮員及時安排人員處理，避免井下積水。

停送電系統(tǒng)界面如圖6所示。左側(cè)為供電系統(tǒng)，綠色表示開關(guān)為閉合狀態(tài)，紅色表示斷開狀態(tài)，紅色線路為系統(tǒng)根據(jù)工作人員選擇的目標(biāo)開關(guān)自動計(jì)算的送電路線。右側(cè)為停送電操作界面，開關(guān)依據(jù)送電路線排列，并顯示實(shí)時狀態(tài)。送電時，工作人員從上往下依次選中，進(jìn)行送電操作，開關(guān)由紅變綠表示送電成功；停電時，需從下向上依次完成操作。

通過分析計(jì)算供電系統(tǒng)示意圖開關(guān)連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了停送電線路搜索，能夠直觀地將停送電開關(guān)進(jìn)行分級顯示；通過與供電分站直接通信，實(shí)現(xiàn)了停送電遠(yuǎn)程操作，特種作業(yè)人員能夠通過平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程停送電操作，提高了停送電效率。

反風(fēng)演練指揮平臺積累了大量的反風(fēng)演練數(shù)據(jù)，為反風(fēng)演練過程的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考，能夠幫助決策者更加合理地調(diào)度資源、安排現(xiàn)場參與人員。

4 結(jié)論

(1) 基于多系統(tǒng)融合的反風(fēng)演練指揮平臺以礦井反風(fēng)演練過程為依據(jù)，采用C/S架構(gòu)，將平臺服務(wù)器和客戶端與煤礦現(xiàn)有系統(tǒng)服務(wù)器配置在同一個工業(yè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)，使得服務(wù)器和客戶端與各系統(tǒng)能夠利用相應(yīng)的協(xié)議直接通信，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)有效獲取煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、礦車定位系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、篩選和加工，完成多系統(tǒng)的融合。

圖6 停送電系統(tǒng)界面Fig.6 Interface of power outages and transmission system

(2) 實(shí)時地圖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地圖的動態(tài)更新和顯示，直觀地反映井下環(huán)境變化情況；停送電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了供電線路自動搜索和遠(yuǎn)程停送電功能，保障停送電的可靠性與安全性；綜合報(bào)警系統(tǒng)通過文本和語音的形式實(shí)時反映平臺和現(xiàn)場發(fā)生的異常信息，并根據(jù)需要啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，有效減少現(xiàn)場事故的發(fā)生；通過交互組件，客戶端可快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻調(diào)用、區(qū)域人員查看、實(shí)時數(shù)據(jù)獲取、人員位置搜索、人員軌跡查詢等功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的可視化顯示，有效提高了參與反風(fēng)演練人員的工作效率。

(3) 應(yīng)用效果表明，該平臺可減少參與反風(fēng)演練的人員數(shù)量，提高停送電效率，保證演練過程安全可靠，可應(yīng)用于礦井各種實(shí)際災(zāi)害狀態(tài)下的搶險(xiǎn)救災(zāi)。