邢東礦安全監(jiān)控系統(tǒng)多系統(tǒng)地面融合分析與優(yōu)化

靳鵬博

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

邢東礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院生產(chǎn)的KJ83X(A)型煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)于2018年11 底完成升級(jí)改造工作，經(jīng)過試運(yùn)行，現(xiàn)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段。目前安裝有280 余臺(tái)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邢東礦井上井下各個(gè)場所、設(shè)備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

1 多系統(tǒng)概況

1.1 人員定位系統(tǒng)

邢東礦人員定位系統(tǒng)采用北京天一眾合科技有限公司生產(chǎn)的KJ133 型人員定位系統(tǒng)，安全標(biāo)識(shí)號(hào)為MFD090011，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的實(shí)時(shí)定位跟蹤，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的“實(shí)時(shí)雙向無線通訊”?，F(xiàn)井下安裝礦用本安驗(yàn)卡分站2 臺(tái)，礦用本安型讀卡分站6 臺(tái)，礦用本安無線收發(fā)器26 個(gè)，信號(hào)覆蓋主要行人大巷、主要路口、各綜采工作面及掘進(jìn)工作面等重要的人員聚集區(qū)，人員攜帶標(biāo)識(shí)卡通過井下固定位置的定位分站，定位分站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)識(shí)卡的具體位置，并發(fā)送到上傳機(jī)，上傳機(jī)通過軟件顯示人員的實(shí)時(shí)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 應(yīng)急廣播系統(tǒng)

邢東礦應(yīng)急廣播系統(tǒng)采用濟(jì)南華科電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KDW127 型廣播系統(tǒng)，它利用礦井以太網(wǎng)和廣播裝置組成，共有分光器2 臺(tái)，位于1126 車場和進(jìn)風(fēng)斜井底，從分光器通過光纖連接各防爆主音箱KDW127，再由各防爆主音箱通過電纜連接副音箱KDW127，現(xiàn)有主音箱18 臺(tái)，副音箱10 臺(tái)?，F(xiàn)覆蓋760 大巷，進(jìn)風(fēng)斜井，980 大巷，1100 南部采區(qū)、各生產(chǎn)工作面。當(dāng)井下發(fā)生重特大突發(fā)事故時(shí)，調(diào)度指揮中心工作人員通過以擴(kuò)音喊話的方式對(duì)突發(fā)事故地點(diǎn)進(jìn)行疏散和疏導(dǎo)，避免二次事故的再發(fā)生。

邢東礦安全監(jiān)測(cè)、人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)均為獨(dú)立系統(tǒng)，見表1，各系統(tǒng)通信協(xié)議不同不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在發(fā)生突發(fā)事故后需立即撤人的緊急情況下，各系統(tǒng)之間不能實(shí)現(xiàn)互動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能。

表1 多系統(tǒng)融合明細(xì)表Table 1 Multi-system integration details

2 多系統(tǒng)融合要求

針對(duì)全國煤礦存在的普遍問題，國家煤監(jiān)局下發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的通知：要求促進(jìn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控多元融合和信息共享，提高煤礦安全預(yù)測(cè)預(yù)警水平，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息的深度分析和綜合利用。方案要求：“實(shí)現(xiàn)井下有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合、監(jiān)測(cè)監(jiān)控與GIS 技術(shù)的有機(jī)融合。多系統(tǒng)的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。鼓勵(lì)新安裝的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用井下融合方式。在地面統(tǒng)一平臺(tái)上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位、應(yīng)急廣播，如有供電監(jiān)控系統(tǒng)，也應(yīng)融入。其它可考慮融合的系統(tǒng)：視頻監(jiān)測(cè)、無線通信、設(shè)備監(jiān)測(cè)、車輛監(jiān)測(cè)等。”要求：“安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用功能，至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：偽數(shù)據(jù)標(biāo)注及異常數(shù)據(jù)分析；瓦斯涌出、火災(zāi)等的預(yù)測(cè)預(yù)警；大數(shù)據(jù)分析，如多系統(tǒng)融合條件下的綜合數(shù)據(jù)分析等；可與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)檢查分析工具對(duì)接數(shù)據(jù)”。

3 多系統(tǒng)融合方式對(duì)比

3.1 地面融合

通過人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)上位機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)接口（FTP、OPC、以太網(wǎng)口），按照煤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠家提供的系統(tǒng)融合的協(xié)議，開發(fā)數(shù)據(jù)采集及聯(lián)動(dòng)控制接口，實(shí)現(xiàn)地面融合，投資較少，維護(hù)方便，并且井下系統(tǒng)互不影響，通過多系統(tǒng)融合平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)利用，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

3.2 井下融合方案

如果采用井下融合的方式，需要在每個(gè)采煤工作面以及掘進(jìn)工作面分別布置一臺(tái)KT508-F 區(qū)域協(xié)調(diào)控制器，通過CAN 總線接口或以太網(wǎng)接口與該區(qū)域的監(jiān)控分站、定位分站以及擴(kuò)播音箱連接，實(shí)現(xiàn)上述3 個(gè)系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)融合、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能。系統(tǒng)井下融合架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)井下融合架構(gòu)Fig.1 Underground fusion architecture of the system

井下區(qū)域協(xié)調(diào)控制器是數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，是實(shí)現(xiàn)井下多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的重要組成設(shè)備。區(qū)域控制器分別與該區(qū)域內(nèi)監(jiān)控分站、人員定位分站以及礦用本安型主音箱通過CAN 總線接口或以太網(wǎng)接口直連，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合聯(lián)動(dòng)。且區(qū)域控制通過以太網(wǎng)接口就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，在上述直連線斷開的情況下，可通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合，提供了冗余的鏈路，提升了系統(tǒng)的可靠性。區(qū)域協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)如圖2所示。

圖2 區(qū)域協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)示意Fig.2 Regional coordination linkages

區(qū)域協(xié)調(diào)控制器的主要功能為接收（并上傳）安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播等各個(gè)系統(tǒng)發(fā)送的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)，并依據(jù)之前設(shè)置好的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，發(fā)送控制命令給相應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)間的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。區(qū)域協(xié)調(diào)控制器采用CAN 總線接口和以太網(wǎng)口兩種通訊接口與聯(lián)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通訊，同時(shí)，制定好2種接口的通訊協(xié)議，接入?yún)^(qū)域協(xié)調(diào)控制器的設(shè)備需要按照協(xié)議向控制器發(fā)送聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)（若接入設(shè)備無法按協(xié)議進(jìn)行修改，也可修改區(qū)域協(xié)調(diào)控制器的通訊程序，以滿足不同情況下的使用要求）。

3.2.1 其他系統(tǒng)配接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備

配接的安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用總線監(jiān)聽和主動(dòng)查詢2 種獲取數(shù)據(jù)方式，區(qū)域協(xié)調(diào)控制器獲取到報(bào)警信息后，發(fā)送控制命令給擴(kuò)播和人員定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。與人員定位系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)播系統(tǒng)的設(shè)備接通訊時(shí)，需使用定制的通訊協(xié)議，以便區(qū)域協(xié)調(diào)控制器及時(shí)發(fā)布聯(lián)動(dòng)指令或獲取2 個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)。正常工作時(shí)，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)依然通過原有方式上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)。同時(shí)，以太網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器應(yīng)具有大容量的本地存儲(chǔ)芯片，可實(shí)現(xiàn)在與上位機(jī)通訊中斷的情況下，在本地存儲(chǔ)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)或其他有用數(shù)據(jù)。

3.2.2 所有系統(tǒng)共同外接一臺(tái)設(shè)備

針對(duì)開放通訊協(xié)議的廠家，可采用總線監(jiān)聽和主動(dòng)查詢2 種獲取數(shù)據(jù)方式，區(qū)域協(xié)調(diào)控制器獲取到報(bào)警信息后，發(fā)送控制命令給擴(kuò)播和人員定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。針對(duì)不開放通訊協(xié)議的廠家，需通過一臺(tái)主站匯總同一區(qū)域內(nèi)所有分站的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)并集中發(fā)送至區(qū)域協(xié)調(diào)控制器。區(qū)域協(xié)調(diào)控制器下發(fā)的聯(lián)動(dòng)命令也通過主站轉(zhuǎn)發(fā)給同一區(qū)域內(nèi)各相關(guān)分站。

3.2.3 設(shè)備對(duì)外接口

區(qū)域協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)了6 塊可插拔的RS485和CAN 可互相轉(zhuǎn)換的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，可實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)與RS485 數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換，所有轉(zhuǎn)換板與主板CPU 間的通訊協(xié)議為固定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（分CAN 和RS485 兩種），該設(shè)計(jì)具備2 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：外接其他系統(tǒng)設(shè)備，需要協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，只需要修改協(xié)議轉(zhuǎn)換板的程序，無需修改主板程序；主板對(duì)外的輸出接口比較靈活，可配置為x（x 范圍0～6） 路CAN 接口和6-x 路RS485 接口，各個(gè)接口可以配置為主通訊接口或子系統(tǒng)接口，也可以配置相互間的中繼功能，以適應(yīng)不同區(qū)域總線接口需求。

根據(jù)邢東礦生產(chǎn)情況，邢東礦自2001年開始投產(chǎn)至今，為投產(chǎn)多年的大型礦井，目前井下各系統(tǒng)均已經(jīng)建設(shè)完畢，當(dāng)選用井下融合多系統(tǒng)的方式，需要邢東礦聯(lián)系協(xié)調(diào)人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播廠家，開放通訊協(xié)議，或者重新建立一套人員定位系統(tǒng)和應(yīng)急廣播系統(tǒng)再實(shí)現(xiàn)重新協(xié)議融合。根據(jù)分析可知地面融合比井下融合人力簡單、物力較少、建設(shè)周期短、操作過程容易、花費(fèi)資金較少，綜合比較利弊后決定邢東礦多系統(tǒng)融合方式采用地面融合方式實(shí)施開展。

4 邢東礦多系統(tǒng)融合方案

邢東礦系統(tǒng)融合采用地面方式，融合的系統(tǒng)包含：安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)，本次邢東礦多系統(tǒng)融合還對(duì)供電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了融合，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心對(duì)井下各個(gè)變電所的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視監(jiān)測(cè)等功能。本次融合主要采用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)配備的多系統(tǒng)融合模塊和GIS平臺(tái)模塊來實(shí)現(xiàn)，如圖3。

圖3 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多系統(tǒng)融合GIS 平臺(tái)展示Fig.3 Display of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

4.1 多系統(tǒng)融合

針對(duì)邢東礦各系統(tǒng)屬于不同廠家的現(xiàn)狀，選取地面融合方法，采用軟件開發(fā)平臺(tái)，通過制定標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議函數(shù)，達(dá)到各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)獲取的目的。

KJ83X(A)型數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)GIS 平臺(tái)通過數(shù)據(jù)接口獲取人員定位系統(tǒng)某區(qū)域（讀卡機(jī)位置） 人員位置信息和工作狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示；通過數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)應(yīng)急廣播報(bào)警通知人員撤離；通過數(shù)據(jù)接口能夠獲取主要供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的饋電狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在GIS 平臺(tái)上采用不同的顏色進(jìn)行顯示。

4.2 多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

KJ83X(A)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器或斷電區(qū)域具有與人員定位系統(tǒng)讀卡機(jī)ID 綁定設(shè)置，當(dāng)發(fā)生某區(qū)域數(shù)據(jù)超限、斷電報(bào)警，可以通過數(shù)據(jù)接口下發(fā)到人員定位系統(tǒng)讀卡機(jī)或應(yīng)急廣播系統(tǒng)設(shè)備，進(jìn)行人員危險(xiǎn)通知或語音報(bào)警；當(dāng)人員進(jìn)入井下禁區(qū)，GIS 平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示，并通過應(yīng)急廣播系統(tǒng)進(jìn)行提示。

4.3 系統(tǒng)GIS 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)融合GIS 平臺(tái)通過多圖層疊加設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集成展示，融合后，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)將其它系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為系統(tǒng)之間的互動(dòng)做好準(zhǔn)備，獲取不同系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)后，根據(jù)實(shí)際的需要，對(duì)不同系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)，并設(shè)定觸發(fā)的條件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的互動(dòng)提示或報(bào)警，如圖4和圖5所示。

圖4 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多系統(tǒng)融合GIS 平臺(tái)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)示意Fig.4 Emergency linkage indication of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

圖5 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多系統(tǒng)融合應(yīng)急聯(lián)動(dòng)命令下達(dá)示意Fig.5 Safety monitoring system multi-system integration emergency linkage command issued instructions

通過多系統(tǒng)的融合后，采用大數(shù)據(jù)分析可改變以往“被動(dòng)”監(jiān)控的狀態(tài)，主動(dòng)對(duì)監(jiān)控信息進(jìn)行智能分析，消除偽數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯涌出、火災(zāi)等突發(fā)事件的預(yù)測(cè)預(yù)警，達(dá)到事前預(yù)警、有效監(jiān)視，把事件的發(fā)生消滅在萌芽階段。

多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能的條件、參數(shù)和應(yīng)急方案由邢東礦根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。聯(lián)動(dòng)條件觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)不斷發(fā)出警告聲音，并彈出對(duì)話框由安全監(jiān)測(cè)值班人員確認(rèn)是否發(fā)出聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)，值班人員確定后，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)方案進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)甲烷或一氧傳感器達(dá)到規(guī)定的報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案下發(fā)撤人命令。

5 結(jié)語

依據(jù)國家下達(dá)的升級(jí)改造技術(shù)方案要求，需要對(duì)人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)行多系統(tǒng)融合，以提高煤礦安全預(yù)測(cè)預(yù)警水平。邢東礦采用地面融合的方式實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的多系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)在瓦斯超限時(shí)，通過應(yīng)急廣播系統(tǒng)播放撤離信息，通過人員定位系統(tǒng)發(fā)送撤離信號(hào)，通過供電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)供電情況，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)互動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能，保證了邢東礦職工人身安全。