中煤集團安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程建設(shè)

王云泉 王敏

（中國中煤能源集團有限公司，北京 100120）

0 引言

通過煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，將各類傳感器、電纜、電氣設(shè)備等與芯片、寬帶和平臺整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，對煤礦復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的人員、設(shè)備和環(huán)境實時監(jiān)測、監(jiān)控，對人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全條件、管理缺陷等事故致因要素進行超前感知、預(yù)測預(yù)警、處置，是防范事故的重要技術(shù)保障。煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中存在不少問題，主要表現(xiàn)為：一是部分系統(tǒng)未能實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控信息的互通共享，不同廠商和不同建設(shè)時期系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異大，缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議和接入技術(shù)，各單項監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中信息聯(lián)網(wǎng)程度不夠，不能有效流通，形成信息孤島，應(yīng)用效率較低，不能滿足實際需要；二是瓦斯探頭可靠性和人員定位精度差；三是預(yù)警功能不足，缺少實時、在線、連續(xù)的監(jiān)測預(yù)警；四是應(yīng)急救援體系不完善，在救援技術(shù)、裝備、管理以及整體綜合協(xié)調(diào)能力未能實現(xiàn)。為解決上述問題，中煤集團在應(yīng)急管理部指導(dǎo)下，聯(lián)合國家能源集團有限公司開展國家礦井安全監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程建設(shè)。本項目屬于國撥資金支持項目，依據(jù)《財政部關(guān)于下達2014 年戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目第二批中央基建投資預(yù)算（撥款）的通知》（財建〔2014〕1030 號），本項目獲得1 100萬元國撥資金支持。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念與技術(shù)路線

物聯(lián)網(wǎng)即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，就是給所用物體安裝傳感器，通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把每個物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)本身是一個集成的技術(shù)平臺，基本框架包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是各種傳感器組成的傳感網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)層將傳感器獲取的信息通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)平臺；應(yīng)用層包括面向服務(wù)的中間件和具體服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦應(yīng)用中的發(fā)展和推進是一個長期的過程，其各項功能需要通過各種關(guān)鍵技術(shù)來完成實現(xiàn)。國外對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究起步較早，加拿大國際鎳公司對礦井挖掘、運輸?shù)然顒訉嵭辛诉h程控制。美國加州大學(xué)通過“凸規(guī)劃定位算法”對煤礦井下作業(yè)人員定位較高。澳大利亞工業(yè)研究所開發(fā)了礦井四維可視化平臺。在井下無線通信方面，加美德澳煤礦基本上實現(xiàn)了井下無線通信。國內(nèi)外在煤礦物聯(lián)網(wǎng)理論和應(yīng)用都取得了一定的成果，形成了關(guān)于感知礦山建設(shè)的應(yīng)用理論模型，構(gòu)建了感知礦山的開放性模型。對礦山各層次所采用的關(guān)鍵技術(shù)和模型也形成了系統(tǒng)的研究論述，并在一些煤礦進行了示范應(yīng)用，取得了不錯的效果。然而，煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還存在很多問題，如：缺乏高可靠性的傳感器及裝置、數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)安全方法、公共服務(wù)平臺和相關(guān)煤礦物聯(lián)網(wǎng)標準以及信息共享程度不高等問題[2]。

中煤物聯(lián)網(wǎng)示范工程建設(shè)技術(shù)路線是：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對人員、設(shè)備、環(huán)境、管理等信息的有效感知和分析處理，通過各類型傳感器、模塊等信息傳感設(shè)備，將礦山地理、地質(zhì)、安全管理、運輸?shù)劝醇s定的協(xié)議，與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、計算、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代信息管理等與現(xiàn)代采礦技術(shù)緊密相結(jié)合，進行信息交換和通信，實現(xiàn)自動識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，構(gòu)成煤礦人與人、人與物、物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，保證煤礦安全高效生產(chǎn)，實現(xiàn)中煤集團三級企業(yè)之間的互聯(lián)互通和信息共享，同時煤礦安全信息實時傳送入應(yīng)急管理部通信信息中心監(jiān)控平臺。通過示范工程建設(shè)，完善煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用模式，促進煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用，推進煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)專用技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 示范工程建設(shè)

自2014 年開始，截至2020 年年底，中煤集團先后在平朔集團井工一礦、井工三礦、大屯公司姚橋煤礦和中天合創(chuàng)公司葫蘆素煤礦、平朔集團總部、大屯公司總部和集團公司總部開展煤礦安全監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)示范工程建設(shè)，建設(shè)資金總投入9 億9 438.28 萬元?，F(xiàn)已建成了激光測距指向、35 kV 變電所溫度在線、壓風供水監(jiān)控系統(tǒng)、高精度人員定位系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)改造、激光甲烷測定、國家平臺數(shù)據(jù)對接等32個子系統(tǒng)和集成，構(gòu)建了縱向貫穿煤礦井上下作業(yè)現(xiàn)場→煤礦調(diào)度指揮中心→二級企業(yè)調(diào)度指揮中心→中煤集團調(diào)度指揮中心→應(yīng)急管理部信息中心等5 個層面，橫向涵蓋安全監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、通信聯(lián)絡(luò)（含應(yīng)急廣播）、風水管網(wǎng)監(jiān)測、礦山壓力在線、機電設(shè)備監(jiān)測、運輸監(jiān)控、工業(yè)視頻和應(yīng)急處置等9 個要素的安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)，使安全監(jiān)管實現(xiàn)橫向全覆蓋、縱向全貫通，提高了煤礦監(jiān)管能力和應(yīng)急處置水平。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

示范工程建設(shè)中，率先對激光指向測距、設(shè)備智能監(jiān)控和人員高精準定位、甲烷高可靠性監(jiān)測、數(shù)據(jù)高可靠性傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)開展研究并取得突破，其中激光指向測距、設(shè)備高智能監(jiān)控技術(shù)和應(yīng)用分布式激光甲烷為核心的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)等三項技術(shù)填補了行業(yè)空白。

3.1 激光指向技術(shù)

激光測距儀系統(tǒng)激光指向與測距實時監(jiān)控系統(tǒng)，由地面主機、信息交互接口、傳輸分站、激光指向測距儀以及傳輸線纜等組成。激光指向測距儀包括激光發(fā)射器、激光接收器、激光指向模塊、激光測距模塊、中央控制單元、通信模塊、時間控制模塊和為上述各模塊供電的電源模塊。該系統(tǒng)還可以設(shè)有攝像機和無線控制裝置。激光指向測距儀安裝在掘進工作面、采煤工作面監(jiān)控采掘進度；安裝在擋水墻、密閉墻附近監(jiān)控變形量；系統(tǒng)安裝后在線實時測量并自動上傳數(shù)據(jù)。在巷道貫通安全距離監(jiān)控方面，當安全距離到達設(shè)定的數(shù)值時，系統(tǒng)能夠與報警設(shè)備連接，實現(xiàn)自動報警提示，發(fā)出停止掘進命令，要求停止掘進，實現(xiàn)安全預(yù)警功能，避免事故發(fā)生。該技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高日常測量、收尺效率在1 萬倍以上，提高測量精度在100 倍以上。

3.2 高精度人員定位技術(shù)

為適應(yīng)煤礦井下重點區(qū)域作業(yè)人員限員、礦領(lǐng)導(dǎo)井下帶班管理和緊急情況撤人的需要，根據(jù)煤礦實際需要采用KJ1070 高精確定位管理系統(tǒng)代替舊人員定位系統(tǒng)，采用無線載波通信技術(shù)(UWB)，數(shù)據(jù)傳輸速率高，穿透能力強，截獲能力低，定位精度高，定位誤差從10 m 縮小到不超過0.3 m，虹膜唯一性檢測，可精準開展井下作業(yè)地點人數(shù)計算、礦領(lǐng)導(dǎo)帶班軌跡核查。該系統(tǒng)具有重點區(qū)域超員設(shè)置、出/入?yún)^(qū)域總數(shù)及人員、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置操作記錄、分站數(shù)據(jù)存儲功能、入井超員告警、入?yún)^(qū)超員告警以及長時間靜止告警，極大地提高了井下對作業(yè)人員管理水平和應(yīng)急處理能力。

3.3 建立了物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控平臺

葫蘆素煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控平臺包括：井下環(huán)境安全狀況感知的信息采集、消息調(diào)度，智能專家業(yè)務(wù)分析，多種方式的可視化安全監(jiān)控，基于電子圖紙、系統(tǒng)圖的可視化動態(tài)業(yè)務(wù)評價，現(xiàn)場感知體系的自動發(fā)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)拓撲，歷史數(shù)據(jù)與曲線分析以及二級公司、集團公司數(shù)據(jù)交換等主要業(yè)務(wù)功能。尤其是定制化開發(fā)具有系統(tǒng)導(dǎo)航圖、設(shè)備運行狀態(tài)圖、區(qū)域安全評價圖，利用物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備自動感知設(shè)備、發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，不需要到現(xiàn)場、地面多次配置即可以對監(jiān)控現(xiàn)場的狀況一目了然、完全掌握，既避免了人工配置導(dǎo)致的可能錯誤，又可以快速精準處理故障設(shè)備，大大減少了人員實施、維護和故障排除時的往來奔波，對于優(yōu)化生產(chǎn)資源和生產(chǎn)力具有十分現(xiàn)實的意義。

3.4 率先應(yīng)用分布式激光甲烷為核心的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)

葫蘆素煤礦采掘工作面及重要區(qū)域建設(shè)了以分布式激光甲烷為核心的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井甲烷氣體高精度測定，與采用載體催化元件的甲烷傳感器相比，具有自動校準、標校周期長、抗干擾能力強、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。目前，分布式激光甲烷監(jiān)測探頭創(chuàng)新示范通過該項目,已向全國煤礦做了推廣應(yīng)用。分布式激光甲烷探頭具有無源瓦斯監(jiān)測功能，激光傳感器穩(wěn)定期大于180 天，可以實現(xiàn)5 000 m以上長距離的監(jiān)測。

3.5 新型安監(jiān)聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)與方法

該傳輸系統(tǒng)包括用于實時采集礦端數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心采集系統(tǒng)，將礦端數(shù)據(jù)傳輸給安監(jiān)管理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)中心采集系統(tǒng)包括：系統(tǒng)環(huán)境配置單元，數(shù)據(jù)訪問器，內(nèi)存隊列管理器，異步文件處理器，數(shù)據(jù)分發(fā)器，數(shù)據(jù)加解密、壓縮解壓處理器和線程管理單元。不需要部署客戶端程序，運行維護簡單。該傳輸系統(tǒng)與方法，既能進行數(shù)據(jù)的加密和壓縮，保證數(shù)據(jù)的安全性，又能大文件拆分上傳，減少數(shù)據(jù)丟失。該方法已獲發(fā)明專利。專利名稱：“一種新型的安監(jiān)聯(lián)網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)及辦法”，證書號：第2803287 號。

4 經(jīng)濟效益和社會效益顯著

1）減災(zāi)增效。激光甲烷傳感器能將瓦斯數(shù)據(jù)準確、快速傳到地面，并能發(fā)出預(yù)警信息，避免瓦斯事故發(fā)生；CO 傳感器及溫度傳感器能及時將煤層自燃氧化的信息傳至地面，并能發(fā)出預(yù)警信息，避免火災(zāi)事故發(fā)生。

2）減人增效。中煤集團通過物聯(lián)網(wǎng)示范工程建設(shè)，實現(xiàn)井下及地面現(xiàn)場的少人值守、無人值守，平朔井工一礦等示范礦井在煤炭生產(chǎn)、機電、運輸、通風、皮帶等部門達到減崗增效，生產(chǎn)效率大幅度提高，煤礦安全高效躍上了一個新臺階。

3）社會效益突出。物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)全面提升煤礦安全保障能力和應(yīng)急處置能力，同時，對改變煤礦員工的生產(chǎn)作業(yè)條件，提高煤礦的社會地位，樹立煤礦行業(yè)和員工的新形象，保障國家能源安全，促進社會進步有著重要的作用，社會效益十分明顯。

5 小結(jié)

中煤集團物聯(lián)網(wǎng)在平朔集團井工一礦等4 個示范礦應(yīng)用以來效果明顯，已在中煤集團61 處生產(chǎn)礦全面得到應(yīng)用推廣，建議進一步應(yīng)用推廣。但是，中煤集團物聯(lián)網(wǎng)示范工程還存在隱蔽致災(zāi)因素監(jiān)控不到位、激光指向測距技術(shù)應(yīng)用少等問題，下一步希望繼續(xù)完善，以不斷提升煤礦監(jiān)管水平和應(yīng)急處置能力。