智慧礦山多系統(tǒng)井下融合與應(yīng)急聯(lián)動安全防控技術(shù)探析

鄧巧平

（中鼎國際建設(shè)集團江西礦山隧道建設(shè)有限責任公司，江西南昌330096）

目前，國內(nèi)各大煤礦都建立了監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)，用來保障煤礦的安全生產(chǎn)和工作人員的生命安全，但是這些系統(tǒng)大多獨立運行，而且每個系統(tǒng)的傳感器和安全裝置都是有限的，因此不能進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。各個監(jiān)測類型的系統(tǒng)，盡管應(yīng)用的場境有著較大的差異，但是在結(jié)構(gòu)上基本一致，以燃氣、水、火、頂板、粉塵等常見的煤礦災(zāi)害為例，在礦井中，一般采用“傳感器采集—數(shù)據(jù)集成傳輸—應(yīng)用邏輯控制”的結(jié)構(gòu)，一些傳感器設(shè)備在技術(shù)指標上有類似的需求，但是當前各個傳感器設(shè)備無法共用，數(shù)據(jù)共享困難[1]。另外，礦井的開采深度和強度也在持續(xù)增加，災(zāi)害的發(fā)生也從單一的災(zāi)害類型逐漸演變?yōu)槎酁?zāi)種的藕合，使應(yīng)急響應(yīng)和避險規(guī)劃變得更加困難。

目前，全國主要煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)電力供應(yīng)等系統(tǒng)已經(jīng)在中心站層面上實現(xiàn)了初步融合，但礦井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，感知單元會因為人員、環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)的頻繁變動而產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)從采集單元發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺所需要的時間大大延長，再加上技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)等不可預(yù)測的原因，會造成短時間內(nèi)數(shù)據(jù)大量的集中，造成中央站的卡頓或停機，導(dǎo)致應(yīng)急響應(yīng)的時間推后。為了解決這一問題，本文以邊界協(xié)同控制為研究對象，設(shè)計和研制了一種基于邊界協(xié)同控制的分站，實現(xiàn)了智能礦山安全管理的多系統(tǒng)集成與應(yīng)急聯(lián)動。

1 多系統(tǒng)井下融合必要性

由于礦井內(nèi)各種監(jiān)控設(shè)備的不斷更新和廣泛應(yīng)用，使得礦井的自動化和信息化程度得到了提高。但是，在設(shè)計各種監(jiān)控系統(tǒng)的時候，“智能礦山”的概念和建設(shè)目的都不清楚，各個系統(tǒng)的行標也是彼此獨立的，因此，各個系統(tǒng)都沒有從總體上來考慮，由于只針對某一具體的應(yīng)用，導(dǎo)致在同一個礦井甚至在一個采場中反復(fù)地使用相同或相近的裝備，從而導(dǎo)致了礦山的安全和生產(chǎn)過程的管理日趨復(fù)雜。經(jīng)過對當前煤礦使用的監(jiān)控設(shè)備進行現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要存在以下幾種問題：

（1）傳感層設(shè)備之間由于通訊協(xié)議之間具有差異，影響了數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間的傳遞和共享，存在著指令不能響應(yīng)的危險。由于各個系統(tǒng)彼此獨立，在傳感設(shè)備的邊緣層使用了不同的通訊協(xié)議，使得多個系統(tǒng)的兼容性下降，多個系統(tǒng)的融合度很低，不能進行統(tǒng)一的采集、傳輸、控制和供電。另外，目前大多數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)都是以井下中心平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)各個系統(tǒng)的安全評分標準，或者采用現(xiàn)有的評估方法，建立一個基于礦井安全評估的數(shù)學模型。根據(jù)相關(guān)作業(yè)區(qū)域的環(huán)境指標，估算出工作區(qū)當前的安全等級，并給出相應(yīng)的安全反應(yīng)措施，這種方法的優(yōu)勢是不需要進行太多的邊界運算，它僅依賴于一臺高性能的計算機進行運算和決策，具有很好的結(jié)構(gòu)，但是它的缺點是運行周期太長，并且在網(wǎng)絡(luò)層或者中心站點的平臺發(fā)生故障的時候，不能確保完成所需執(zhí)行的指令。

（2）大量投入功能類似的設(shè)備，造成系統(tǒng)功耗增加。目前，各煤礦的監(jiān)控類型都是完全獨立的，各監(jiān)控層次的設(shè)備因協(xié)議和傳輸格式的不統(tǒng)一，導(dǎo)致各設(shè)備只能在現(xiàn)有的系統(tǒng)中獨立運行，不能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)在不用設(shè)備系統(tǒng)中的共享。比如，在同一工作區(qū)，一氧化碳、煙霧、溫度傳感器的技術(shù)指標完全能夠消防監(jiān)測的需要，但由于不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，所以不僅要重新安裝同樣的傳感器，還要將電纜、供電設(shè)施等必要的設(shè)備重復(fù)配置，這樣不僅會增加建設(shè)成本，還會加大維修費用，提高系統(tǒng)的使用難度。另外，目前在礦井中設(shè)置的各個監(jiān)控點并沒有“去重”，而是直接進行了融合，結(jié)果表明，如果不按照規(guī)定進行數(shù)據(jù)的加工，很容易造成能耗難以降低，造成融合后的能耗增加。另外，現(xiàn)有的監(jiān)測分站的設(shè)計多以實現(xiàn)某一系統(tǒng)的功能為主，并未考慮到大量的運算量，而是采用了低功耗、低成本、保量的主控制器。在現(xiàn)有的多個站點中，因為其計算能力的欠缺，對多個系統(tǒng)進行融合時，無法完成大量的邊緣運算，數(shù)據(jù)的收集和處理的數(shù)據(jù)量太大，對系統(tǒng)實時性有很大的影響。

（3）多個系統(tǒng)只在井上融合，對主干環(huán)網(wǎng)的依賴性較高，不能獨立運行。針對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)利用特性和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性，建立了一個基于監(jiān)控、人員定位、廣播等系統(tǒng)的系統(tǒng)，并結(jié)合相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，例如：引導(dǎo)、發(fā)布、供電系統(tǒng)等，建立了礦井“人—機—環(huán)”協(xié)同管控應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案。由于當時技術(shù)和產(chǎn)品規(guī)范的限制，需要將有關(guān)的設(shè)備集成到井上中心站的平臺，目前大多數(shù)礦井設(shè)備生產(chǎn)廠家、科研院所已經(jīng)實現(xiàn)了這一目標，但在實際應(yīng)用過程中，其缺點也隨之顯現(xiàn)出來。在井上融合中，每個系統(tǒng)都占據(jù)了各自的數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)在各個系統(tǒng)中獨立使用，共享難度大，不能在井下實時獲得對方監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)。此外，在與主干網(wǎng)分離后，一旦發(fā)生異常，原有的應(yīng)急反應(yīng)方案將會失效，使其不能獨立工作，由點式管理向面式管理轉(zhuǎn)變實現(xiàn)困難。

因此，在智能化礦井建設(shè)的發(fā)展趨勢下，必須要進一步完善煤礦安全監(jiān)測體系中的“人—機—環(huán)”的綜合管理模式。在礦井智能化的礦井安全控制中，實現(xiàn)了多個系統(tǒng)的集成和應(yīng)急聯(lián)動。

2 基于邊緣協(xié)調(diào)管控技術(shù)的多系統(tǒng)融合與應(yīng)急聯(lián)動

針對目前礦井監(jiān)測與整合后的礦井監(jiān)測與集成的主要問題，采用分布式處理、邊緣計算等技術(shù)，將應(yīng)急聯(lián)動、數(shù)據(jù)分級計算等工作向邊緣子站延伸。這種方式不僅可以在網(wǎng)絡(luò)的邊緣處理各種應(yīng)用程序和各種數(shù)據(jù)，而且還可以實現(xiàn)分站和數(shù)據(jù)中心間進行數(shù)據(jù)流與控制信息的雙向流通，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)壓力，加快信息處理速度，提高分析和判斷能力，從而達到對“云”、“邊”和“端”等多種負荷的配合優(yōu)化。

2.1 邊緣協(xié)調(diào)管控分站技術(shù)

為了保障系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行，需要設(shè)計一種計算能力強、具有多路線場總線、多種通訊協(xié)議的邊緣協(xié)調(diào)管控分站，該分站既能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和邊緣計算，還能夠?qū)崿F(xiàn)安全監(jiān)測。依托多種現(xiàn)場總線，實現(xiàn)對系統(tǒng)中設(shè)備的信息采集，將避險信息及時發(fā)布到引導(dǎo)屏上，并利用該系統(tǒng)實時、精確地播出各監(jiān)控站的警報狀況。利用以太網(wǎng)對控制標識進行預(yù)警，并對其它地區(qū)的數(shù)據(jù)進行采集，從而達到不同地區(qū)的數(shù)據(jù)融合，基于工業(yè)總線和各種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集與控制輸出標準的界面，可以收集不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標準化，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的全部實現(xiàn)，信息采集和信息處理模塊實現(xiàn)分離，數(shù)據(jù)可以長期存儲，確保數(shù)據(jù)完整性。圖1顯示了邊界協(xié)同控制子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 邊緣協(xié)調(diào)管控分站硬件架構(gòu)圖

所述分站包括處理單元、有線通信單元、無線通信單元、數(shù)據(jù)存儲器和人機交互部分。以STM32MP157為主要控制器，計算能力高，接口豐富，主要用于數(shù)據(jù)計算和邏輯運算；有線通信系統(tǒng)由RS485 總線和CAN總線組成，它們的功能是對總線進行數(shù)據(jù)采集，并與導(dǎo)航系統(tǒng)進行通信，以太網(wǎng)絡(luò)的功能是與中心站、人員定位管理系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)之間進行信息的交流的渠道；無線系統(tǒng)包括4G 模組、Lora 無線模塊，用于分站和4G網(wǎng)絡(luò)的通訊以及Lora 無線傳感器的數(shù)據(jù)采集；該數(shù)據(jù)儲存設(shè)備是一個單獨的存儲單元，用以儲存必要數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的配置信息，并能在網(wǎng)路中斷時儲存數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，在網(wǎng)絡(luò)再連接時，根據(jù)具體的運算法則進行數(shù)據(jù)傳送，人機交互系統(tǒng)的組成為紅外遙控裝置和顯示器，確保重要的狀態(tài)信息顯示。該系統(tǒng)采用紅外遙控器和5寸彩色屏幕，以完成必要的信息輸入接口。

在軟件方面，分站要進行大量的數(shù)據(jù)運算，并給出合理的邏輯控制命令，并與定位站、廣播站、中心站進行通信，對報文進行及時的處理。分站中包括兩個核心模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)計算模塊，ARM內(nèi)核的功能是數(shù)據(jù)計算，該模塊開發(fā)的基礎(chǔ)是Linux 操作系統(tǒng)，M4 內(nèi)核功能是數(shù)據(jù)采集，該模塊開發(fā)的基礎(chǔ)是freertos。分站中的大量任務(wù)以多進程的方式完成，在此過程中，大量的數(shù)據(jù)通過共享內(nèi)存的方式在設(shè)備間時間交互，各個處理間通過socket 來傳遞共享內(nèi)存key，在進程中采用多線程的開發(fā)，通過消息隊列進行數(shù)據(jù)傳輸，采用信號量等技術(shù)實現(xiàn)線程同步。為了提升分站系統(tǒng)功能升級的便捷性，還需要給分站添加遠程升級模塊。圖2顯示了邊界協(xié)調(diào)控制分站的數(shù)據(jù)處理軟件的結(jié)構(gòu)。

圖2 邊緣協(xié)調(diào)管控分站數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2 多系統(tǒng)融合技術(shù)

通過RS485 和CAN 等常用的總線接口，通過統(tǒng)一的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)傳送格式，能夠?qū)Ω鞣N傳感層設(shè)備進行統(tǒng)一的采集，并在數(shù)據(jù)鏈路上進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳送。應(yīng)用層采用統(tǒng)一的邏輯控制，數(shù)據(jù)采集準確、穩(wěn)定，控制指令穩(wěn)定可靠、傳輸數(shù)據(jù)格式正確、各設(shè)備間配合密切，響應(yīng)迅速。

邊界協(xié)同控制分站采用一般的現(xiàn)場總線將各系統(tǒng)的傳感器連接起來，但在進行連接之前，必須對各個感應(yīng)器進行統(tǒng)一的編碼，傳感器可以利用該晶片自身的UID 來實現(xiàn)對每個器件的獨特標識，利用該唯一ID 為主要關(guān)鍵標識，對各傳感層裝置進行統(tǒng)一的識別，確保各傳感層的設(shè)備信息能夠由各邊界分站進行統(tǒng)一的采集，由于各分站的數(shù)據(jù)傳送格式是一致的，因此各傳感器裝置都能被其它的系統(tǒng)所辨識。該系統(tǒng)能夠按照需要進行數(shù)據(jù)識別和使用，達到數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸、數(shù)據(jù)共享的目的，同時也可以減少系統(tǒng)的重復(fù)投資，從而降低系統(tǒng)的總體能耗。多個體系整合的原理框圖見圖3。

圖3 多系統(tǒng)融合框圖

邊緣設(shè)備是本區(qū)域唯一的數(shù)據(jù)融合裝置，它為各個系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)采集、傳輸通道和業(yè)務(wù)邏輯處理，并對各個系統(tǒng)的控制命令進行響應(yīng)。該分站既能對各個系統(tǒng)進行原始數(shù)據(jù)的采集，又能利用各個系統(tǒng)的控制命令，在業(yè)務(wù)層上建立一個統(tǒng)一的界面，并按照從地面中心傳來的邏輯指令，把融合后的實時數(shù)據(jù)傳送到需要的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在突發(fā)事件中進行數(shù)據(jù)的融合和交互，并能在突發(fā)事件時進行系統(tǒng)的邏輯控制。

2.3 應(yīng)急聯(lián)動技術(shù)

通過安全監(jiān)控與監(jiān)控系統(tǒng)的組合，可以啟動應(yīng)急聯(lián)動。比如某個工作面的瓦斯?jié)舛瘸^上限，這樣，安全監(jiān)測系統(tǒng)就會停掉或切斷某些特殊地區(qū)的非安全性設(shè)施，并由精確的人員定位系統(tǒng)，通知現(xiàn)場的人員疏散。緊急廣播系統(tǒng)會播放特定的音頻信號和語音播報，播放指定的警報和疏散路線。應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)工作的原理如圖4所示。

圖4 應(yīng)急聯(lián)動框圖

（1）安全監(jiān)控系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)實現(xiàn)井下融合聯(lián)動。在應(yīng)急廣播終端和分站上，通過UPD的方式，實現(xiàn)各分站與廣播系統(tǒng)進行信息交流，在程序開始后，該分站將接收到的感應(yīng)器的種類、地址等信息進行編譯，并將其傳送至廣播系統(tǒng)。在系統(tǒng)參數(shù)正常的情況下，上位設(shè)備的控制廣播終端進行控制指令的播報，一旦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)甲烷異常的情況，則傳感器的數(shù)據(jù)會通過互聯(lián)接口推送給廣播系統(tǒng)，廣播系統(tǒng)在收到應(yīng)急信息后，應(yīng)急廣播系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)置好的程序，及時地向廣播終端發(fā)送緊急狀態(tài)信息，并利用有線的方式向廣播分機播發(fā)緊急情況。

（2）通過對礦井的監(jiān)控和人員的定位，可以實現(xiàn)井下的融合?；诘V井綜合應(yīng)急通信系統(tǒng)的安全監(jiān)控與人員定位系統(tǒng)，每隔一段時間通過人員和定位分站的通訊精確判斷井下工作人員的位置，利用MQTT 技術(shù)實現(xiàn)了邊緣分站與人的位置的精準定位。MQTT 是一種基于訂購—發(fā)布方式的通訊協(xié)議，該協(xié)議中的定位子站根據(jù)緊急聯(lián)動預(yù)案的要求，將報警訂購請求發(fā)送給已經(jīng)接入的邊緣子站點，由于協(xié)議支持一對多的報文訂閱，所以當邊沿分站所管轄的地區(qū)出現(xiàn)緊急聯(lián)接作業(yè)時，邊沿分站接收到訂購報文的精確人定位分站的信息。邊沿分站信息可以被多個定位分站同時訂購，多個定位分站在接到緊急情況的情況下，可以對所處位置的分站發(fā)出警報。該模型既能減少網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞，又能改善數(shù)據(jù)的實時性。

3 “人—機—環(huán)”應(yīng)急聯(lián)動實現(xiàn)

安全監(jiān)視、精確的人員位置定位、緊急廣播、信息發(fā)布是安全聯(lián)動控制的核心內(nèi)容。這些系統(tǒng)位于同一個礦井，甚至同一工作面，系統(tǒng)之間需要完成的功能包括數(shù)據(jù)信息的交互和操作指令的傳遞和執(zhí)行，所以就對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳遞速度提出了較高的要求。應(yīng)急聯(lián)動包括安全生產(chǎn)狀態(tài)、異常預(yù)警狀態(tài)和生產(chǎn)失控狀態(tài)三個階段，分別從不同的危險程度出發(fā)，對相應(yīng)的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的人員和設(shè)備進行不同層次的應(yīng)急預(yù)案。3個狀態(tài)下的相應(yīng)的緊急預(yù)案如表1所示。

表1 應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案表

分站由中心站軟件（或板載式HMI接口）監(jiān)控參數(shù)信息、并發(fā)布相關(guān)控制指令。該系統(tǒng)對各控制區(qū)的主要大氣參數(shù)（如甲烷、CO、風速、風向）進行了實時監(jiān)測，監(jiān)控人員狀態(tài)，并將采煤機、掘進機、風機、帶式輸送機等重要設(shè)備的運行情況，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳送形式傳送給中央控制中心，若該時刻站點與骨干網(wǎng)分離，將收集到的數(shù)據(jù)根據(jù)“變值變態(tài)”的原則和時間戳共同存儲在板載NandFlash，等到通訊功能正常后重新傳遞數(shù)據(jù)。

當傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)不超過系統(tǒng)的安全閾值，且風速的采集結(jié)果，風向采集結(jié)果，一氧化碳的采集的數(shù)據(jù)低于報警閾值時，且工作人員的定位信息與分站傳輸?shù)男畔⒁恢聲r，在此期間，所有重要裝置操作的各項指標均在標準之內(nèi)，不采取任何措施防治風險，系統(tǒng)保持正常工作狀態(tài)；當一組或多組環(huán)境參數(shù)（可配置）超過警戒值但是還沒有超出上限時，進入異常警報應(yīng)急控制狀態(tài)。各分站負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的設(shè)備操作，增強對各區(qū)域環(huán)境指標的收集，增加通風量，并及時通知有關(guān)部門進行設(shè)備巡視和檢修；當環(huán)境參數(shù)的實時值超過上限時，進入不受控制的緊急報警狀態(tài)。分站將關(guān)閉該地區(qū)的非關(guān)鍵安全設(shè)施，不斷增加供氣，同時，一旦某個位置出現(xiàn)甲烷異常現(xiàn)象，則系統(tǒng)會立即進行通報，通報的內(nèi)容包括甲烷的濃度值，異常位置的具體坐標，然后通過分站向該處發(fā)出對應(yīng)的控制指令，向有關(guān)的位置聲卡發(fā)出聲光報警、震動報警、信息引導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)出撤離信號和撤離路徑，在此期間，若網(wǎng)絡(luò)正常，則由中央站軟件根據(jù)GIS地圖和相關(guān)人員信息，確定疏散路線，通過精準的指令信息引導(dǎo)相關(guān)人員撤離，在環(huán)境參數(shù)恢復(fù)正常時，閉鎖會自動轉(zhuǎn)為正常工作狀態(tài)，恢復(fù)安全生產(chǎn)模式。

4 結(jié)語

根據(jù)智能化礦井建設(shè)的發(fā)展趨勢，安全監(jiān)控類系統(tǒng)的井下融合與從“人—機—環(huán)”的新需求出發(fā)，對礦井常見的監(jiān)測系統(tǒng)功能、融合方法和突發(fā)事件的聯(lián)動機制進行了研究，同時，根據(jù)全國能源局、各地煤監(jiān)局近日印發(fā)的智慧礦井建設(shè)規(guī)劃，對煤礦的安全管理工作進行了新的闡述，在邊緣協(xié)同控制子站的基礎(chǔ)上，將多個礦井的安全控制系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，從而達到了應(yīng)急聯(lián)動的目的。該系統(tǒng)的多系統(tǒng)融合與應(yīng)急聯(lián)動方案實施，使得井下多系統(tǒng)有效融合的問題得到了高效的解決，實現(xiàn)了具有設(shè)備采集信息能夠在不同設(shè)備之間共享，又能統(tǒng)一傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸層，統(tǒng)一控制邏輯控制層，并能在沒有主機管控的情況下，實現(xiàn)對多系統(tǒng)的監(jiān)控、廣播、信息引導(dǎo)、發(fā)布等功能。井下精密的人員位置管理體系為井下職工提供了安全保障，滿足了礦井智能化趨勢下安全控制體系的發(fā)展目標和意義。