基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李建軍，賈東秀，牟曉輝

(1.山東省邱集煤礦有限公司，山東省德州市，253000；(2.國家礦山安全監(jiān)察局山東局監(jiān)察執(zhí)法一處，山東省濟(jì)南市，250000)

0 引言

煤礦安全巡檢作為一項綜合性的檢查制度，對安全生產(chǎn)工作具有積極的督促指導(dǎo)作用。煤礦安全巡檢主要是對生產(chǎn)作業(yè)場所及煤礦井下的采煤、掘進(jìn)、機(jī)電運輸、“一通三防”等類型的人-機(jī)-環(huán)-管等各類風(fēng)險進(jìn)行安全狀況的監(jiān)督巡檢。目前，大部分煤礦的巡檢模式主要是采用定責(zé)、定時、定人、掛牌督導(dǎo)的方式，在定時周期巡檢質(zhì)量管理方面，存在漏檢、超時等問題；在巡檢內(nèi)容方面，現(xiàn)場作業(yè)人員因其僥幸心理驅(qū)使，假檢、不檢、巡檢質(zhì)量差等問題時有發(fā)生，巡檢工作缺乏有效監(jiān)督和規(guī)范，存在空班漏檢等嚴(yán)重違章行為，極易造成較大的安全隱患。

在實際巡檢工作中，對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的安全隱患或者是影響運行的故障性隱患發(fā)現(xiàn)不及時，或者對發(fā)現(xiàn)的隱患問題處置程序復(fù)雜等，以及沒有及時與現(xiàn)有的雙重預(yù)防管控平臺等安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)先對接聯(lián)動，這些現(xiàn)象都會導(dǎo)致隱患排查治理滯后，阻礙了煤礦安全管理工作的正常進(jìn)行。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)實現(xiàn)萬物與網(wǎng)絡(luò)的連接，對連接入網(wǎng)的對象進(jìn)行標(biāo)簽化處理，實現(xiàn)物的智能化管理操作[1-2]?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)可以實現(xiàn)巡檢任務(wù)的個性化定制，通過智能終端自動識別完成巡檢工作，為煤礦巡檢工作的管理和考核提供依據(jù)[3]。

針對目前煤礦巡檢過程中存在的問題和任務(wù)需求，將智能手持終端引入煤礦巡檢監(jiān)測中，設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過硬件和軟件系統(tǒng)的結(jié)合，利用三維GIS技術(shù)、二維碼掃描識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等對煤礦智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和支撐，使巡檢操作和統(tǒng)計管理更加智能化，全面構(gòu)建起煤礦智能移動巡檢平臺。

1 煤礦智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了感知層、傳輸層和應(yīng)用層的3層架構(gòu)體系，實現(xiàn)對煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)場所及煤礦井下的采煤、掘進(jìn)、機(jī)電運輸、“一通三防”等類型的人-機(jī)-環(huán)-管等各類風(fēng)險進(jìn)行安全狀況的監(jiān)督巡檢?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦智能巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)感知層。該層主要是智能終端采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同巡檢類型數(shù)據(jù)的信息交互和實時互聯(lián)，通過收集大量的環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，保障數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和實時性。

(2)傳輸層。該層組建的工業(yè)環(huán)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)等，可更好地滿足海量巡檢數(shù)據(jù)的接入和可抵御信號干擾需求，對多協(xié)議傳輸網(wǎng)管可采取多網(wǎng)協(xié)同、高層協(xié)議向下兼容解析等方式完成井下環(huán)網(wǎng)和感知傳輸網(wǎng)絡(luò)的高效通信，提高數(shù)據(jù)的實時傳輸及數(shù)據(jù)處理能力?；谖⒎?wù)架構(gòu)和人工智能算法構(gòu)建智能數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯快速組態(tài)化構(gòu)建和智能分析。

(3)應(yīng)用層。該層主要根據(jù)需求集成部署在煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺上的各業(yè)務(wù)功能模塊，如檢查項管理、巡檢點管理、任務(wù)管理、統(tǒng)計分析等功能。通過構(gòu)建煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和融合分析，提取有價值信息，為后續(xù)的礦井安全管理提供參考。

2 煤礦智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)煤礦智能巡檢系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，系統(tǒng)可劃分為煤礦統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺、煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)和智能巡檢終端。因此，煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件主要包括后臺管理服務(wù)器、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、計算機(jī)、本安型移動智能終端等。礦用本安型移動智能終端設(shè)備建議采用市場中應(yīng)用比較成熟的智能設(shè)備，其具有良好的工作穩(wěn)定性與技術(shù)服務(wù)支持能力，可保證巡檢工作的有效開展[4]?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)采用人工智能、機(jī)器深度學(xué)習(xí)、圖像識別、路徑自主規(guī)劃及在線控制相融合的以及大數(shù)據(jù)交互引擎技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的智能化巡檢設(shè)備，為系統(tǒng)安全管理提供強(qiáng)有力的信息化手段，實現(xiàn)對巡檢內(nèi)容的實時把控和安全響應(yīng)[5]。煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

煤礦智能巡檢系統(tǒng)軟件開發(fā)內(nèi)容主要包括PC端(管理人員)和巡檢 App端(巡檢人員)組成。

煤礦智能巡檢系統(tǒng)將應(yīng)用功能模塊部署在煤礦數(shù)據(jù)平臺，統(tǒng)一實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析、監(jiān)視和預(yù)警。煤礦智能巡檢系統(tǒng)與煤礦現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，具備實時監(jiān)控、智能識別、巡檢結(jié)果智能分析、智能App端應(yīng)用等功能，采用三維模擬的形式實現(xiàn)GIS巡檢區(qū)域內(nèi)的全景展示[6]。

針對擬開展的智能巡檢區(qū)域或巡檢對象完成數(shù)據(jù)采集，巡檢人員使用手持終端對粘貼的二維碼進(jìn)行掃描后錄入巡檢數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將瓦斯巡檢、通風(fēng)巡檢、設(shè)備巡檢等各類型的巡檢數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器，在巡檢專用GPU服務(wù)器上部署識別軟件，對前端采集的圖像、音頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，最終系統(tǒng)將識別結(jié)果、巡檢數(shù)據(jù)存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，并通過后臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析展示。煤礦智能巡檢系統(tǒng)統(tǒng)一與煤礦雙重預(yù)防管控系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)先對接聯(lián)動，具備實時監(jiān)控、智能識別、智能分析、巡檢報表自動生成等功能。煤礦智能巡檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 煤礦智能巡檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2.2.1 PC端設(shè)計

煤礦智能巡檢系統(tǒng)是一個基于移動互聯(lián)網(wǎng)的云巡檢服務(wù)平臺，系統(tǒng)支持在線巡檢、離線式巡檢等多種應(yīng)用模式，簡單、易用、智能、高效，僅通過礦用本安型移動智能終端、電腦即可有效監(jiān)督巡檢人員是否及時到位，有效避免漏檢情況發(fā)生。PC端功能主要包括定職定責(zé)管理、監(jiān)督檢查管理、驗收閉環(huán)管理、統(tǒng)計分析等。

(1)定職定責(zé)管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)是一個多部門、多人員共同使用的協(xié)同工作平臺，管理人員可以自主設(shè)定巡檢路線、巡檢設(shè)備、巡檢內(nèi)容，配置智能識別對象、智能分析邏輯以及巡檢結(jié)果展示等[7]。

(2)監(jiān)督檢查管理。監(jiān)督和檢查巡檢人員的工作進(jìn)度及質(zhì)量，通過三維GIS可實時查看巡檢人員的工作軌跡，確保巡檢人員到崗到位等，通過技術(shù)手段完成對巡檢人員的監(jiān)督和管理[8]。

(3)驗收閉環(huán)管理。對巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況將自動轉(zhuǎn)入到異常記錄功能中，移動終端和管理后臺都可以查詢到異常信息，異常信息自動上傳到雙重預(yù)防管控系統(tǒng)中，按照隱患進(jìn)行閉合處理，可及時發(fā)現(xiàn)和處理安全問題，有效提高工作效率和安全隱患的管理水平，保障煤礦安全管理工作順利進(jìn)行。

(4)統(tǒng)計分析。系統(tǒng)支持查看巡檢任務(wù)完成狀態(tài)、完成情況的統(tǒng)計分析，支持按日、周、月對巡檢點巡檢數(shù)據(jù)、超限報警數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計分析，支持根據(jù)不同的時間段自動生成某一地點通風(fēng)量的變化曲線，全面掌握各巡檢類型的執(zhí)行率、問題整改率等，并將分析結(jié)果作為風(fēng)險預(yù)警、績效評估等的依據(jù)。煤礦智能巡檢系統(tǒng)PC端界面如圖4所示。

圖4 煤礦智能巡檢系統(tǒng)PC端界面

2.2.2 App端設(shè)計

根據(jù)煤礦實際巡檢工作的業(yè)務(wù)場景及需求，巡檢App端具體功能主要分為巡檢質(zhì)量控制、巡檢路線自動提醒、巡檢過程管理等功能。

(1)巡檢質(zhì)量控制。系統(tǒng)使用引導(dǎo)式錄入方式，通過直觀的界面展示將巡檢信息固化，引導(dǎo)巡檢人員完成巡檢任務(wù)。在巡檢過程中全程實時統(tǒng)計巡檢進(jìn)度，在未完成巡檢的情況下標(biāo)紅提示，杜絕巡檢員漏檢、不檢等情況的發(fā)生。巡檢App端界面如圖5所示。

圖5 巡檢App端界面

(2)巡檢路線自動提醒。通過本安型移動智能終端與二維碼的配合應(yīng)用，促使巡檢人員按照集團(tuán)公司和煤礦的有關(guān)規(guī)定以及按順序、按時、按點進(jìn)行巡檢，在完成一個巡檢點之后，自動提醒下一個巡檢點，避免巡檢順序出錯。

(3)巡檢過程管理。在巡檢過程中，未到達(dá)巡檢點時禁止錄入信息，通過巡檢路線指定及指定位置彈出任務(wù)的方式，將巡檢任務(wù)固化到位置點，必須在到達(dá)指定巡檢位置后，才可錄入巡檢數(shù)據(jù)，為保證檢測效果，系統(tǒng)規(guī)定數(shù)據(jù)提交時間。

(4)巡檢信息自動上傳與聯(lián)動。手持終端在井下無線網(wǎng)絡(luò)通暢的情況下，可以與PC端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，自動生成相關(guān)巡檢類型的臺賬報表?？梢酝ㄟ^文字、拍照、短視頻等方式快速上報巡檢異常，并自動同步到雙重預(yù)防管控等安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，按照隱患進(jìn)行閉合處理。

(5)巡檢記錄與警示。針對未按時完成的巡檢工作，系統(tǒng)根據(jù)后臺設(shè)置的巡檢頻次短信提醒巡檢人員和管理人員。平臺服務(wù)器可以根據(jù)告警信息的緊急等級結(jié)合告警規(guī)則向相關(guān)人員發(fā)送告警信息[9]。

(6)換位履職管理。安全巡檢聯(lián)動保障與雙重預(yù)防管控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，及時提醒巡檢過程中已存在的隱患信息，保障巡檢人員安全巡檢。

3 煤礦智能巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺具備數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等功能。數(shù)據(jù)引擎提供了CSV、TXT、文件文檔、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等云存儲數(shù)據(jù)，并針對不同的應(yīng)用場景提供HBase、Hive 和 HDFS這3種存儲方式。煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺不僅為 SparkSQL 分析、RDD、DataFrame和 DataSet 等提供數(shù)據(jù)接口，而且為機(jī)器學(xué)習(xí)提供決策樹快速構(gòu)建、回歸算法以及貝葉斯算法等常見分類和模型構(gòu)建。煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺提供餅狀圖、柱狀圖、雷達(dá)圖、曲線圖以及位置分布等接口，使計算分析結(jié)果能夠直觀地進(jìn)行可視化展示。在煤礦大數(shù)據(jù)分析平臺上，建立風(fēng)險庫、隱患庫、預(yù)測預(yù)警規(guī)則庫等，基于靜態(tài)數(shù)據(jù)、流式數(shù)據(jù)等計算框架，對煤礦人員、設(shè)備、環(huán)境的偏離情況等進(jìn)行不間斷實時分析計算和預(yù)測[10]。

3.2 三維GIS技術(shù)

煤礦智能巡檢系統(tǒng)采用了相關(guān)GIS技術(shù)處理巷道、巡檢點、巡檢線路的相關(guān)展示和計算。針對巡檢工作可視化單一、缺乏與地理信息集成等問題，利用 GIS技術(shù)將實時巡檢信息集成在三維地圖上，展示巡檢的實時工作進(jìn)程以及異常點位的動態(tài)情況等，實現(xiàn)了對巡檢工作的遠(yuǎn)程綜合實時監(jiān)控。

結(jié)合GIS技術(shù)，巡檢系統(tǒng)可以輔助管理分布在井下的巡檢點和巡檢人員，管理人員可在GIS地圖上靈活繪制路線，系統(tǒng)自動生成最優(yōu)路線建議，支持維護(hù)與巡檢路線相關(guān)的異常信息自動識別并預(yù)警。煤礦智能巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下人員實時定位，并在三維模型中即時更新。同時可查看巡檢點在GIS地圖上的空間分布位置，根據(jù)巡檢點的顏色判斷巡檢完成狀態(tài)，查看巡檢人員的實時位置及巡檢軌跡回放，并且能夠及時準(zhǔn)確地將井下人員分布信息、人員運動軌跡等反映到調(diào)度中心，以便能更加合理地調(diào)度和管理，同時也為應(yīng)急救援提供精準(zhǔn)的人員定位數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)聯(lián)動技術(shù)

近年來，我國5G技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)管理中的廣泛應(yīng)用為巡檢過程中的實時通信提供了重要的技術(shù)支撐。目前，常用的通信技術(shù)包括可見光無線通信技術(shù)、Mesh技術(shù)、無線保真技術(shù)等[11]。依據(jù)PDCA循環(huán)理論，煤礦安全巡檢發(fā)現(xiàn)的隱患數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)實時上傳至雙重預(yù)防管控等安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能聯(lián)動控制，形成巡檢感知-決策處置定時-驗收合格的閉環(huán)式運行模式，全面提升礦井災(zāi)害防治系統(tǒng)的安全保障能力和機(jī)電設(shè)備的正?？煽窟\行。

4 應(yīng)用效果

2022年10月，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能巡檢系統(tǒng)在邱集煤礦投入使用。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，真正實現(xiàn)了邱集煤礦12個巡檢員、300多個巡檢點巡檢工作的全流程智能管理以及瓦斯、粉塵、防爆門、密閉墻等多種類巡檢工作的一體化管理，有效解決了空檢漏檢隱患、不按計劃巡檢、巡檢數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范、應(yīng)急處置查證困難等問題。

(1)解決了巡檢人員未檢、漏檢、不檢等問題，通過PC端與App端的配合應(yīng)用，設(shè)置不按預(yù)制巡檢要求即無法完成巡檢的限制，系統(tǒng)層層把關(guān)提醒，避免漏檢、不檢。

(2)規(guī)范人員巡檢路線，通過移動智能終端與二維碼的配合應(yīng)用，GIS地圖自動記錄人員的巡檢路線，促使人員按有關(guān)規(guī)定按時、按點、按線路進(jìn)行巡查，以便發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時解決。

(3)巡檢數(shù)據(jù)充分利用，利用本安型移動智能終端實現(xiàn)井下記錄一次，井上自動生成各類臺賬報表，并對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析、預(yù)警，推進(jìn)信息化與安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)的融合，避免重復(fù)記錄，提升工作效率，降低監(jiān)管難度。

(4)趨勢分析支撐領(lǐng)導(dǎo)決策，對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，全面掌握各類型的任務(wù)執(zhí)行率、漏檢率、問題整改率等，并將分析結(jié)果作為風(fēng)險預(yù)警、績效評估的依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)礦山物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)融合促進(jìn)了新型信息處理方式的發(fā)展[12]，煤礦智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)能有效加快現(xiàn)場突發(fā)情況的響應(yīng)速度，降低人工巡檢工作強(qiáng)度和危險系數(shù)。目前，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對巡檢相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，但對未來趨勢風(fēng)險的預(yù)估準(zhǔn)確度有待提高，后期將根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)，提高瓦斯巡檢、通風(fēng)巡檢、設(shè)備巡檢等相關(guān)未來趨勢風(fēng)險的預(yù)估準(zhǔn)確度，以指導(dǎo)煤礦智能巡檢。

(2)煤礦智能巡檢系統(tǒng)在邱集煤礦的深度應(yīng)用解決了煤礦的空檢漏檢隱患、不按計劃巡檢、巡檢數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范、應(yīng)急處置查證困難等問題。但是隨著科技的進(jìn)步，針對煤礦智能巡檢的要求也越來越高。目前，傳統(tǒng)的攝像、讀數(shù)及遠(yuǎn)程傳輸?shù)妊矙z方式已滿足不了煤礦巡檢需求，未來需將機(jī)器視覺、智能AI等新興技術(shù)應(yīng)用到煤礦智能巡檢系統(tǒng)中，完善智能巡檢識別算法，助力煤礦巡檢工作智能化開展。

(3)煤礦智能巡檢系統(tǒng)的研究與應(yīng)用響應(yīng)了國家提出“建設(shè)數(shù)字化礦山”的要求，為煤礦井下安全巡檢管理提供了新的方法，可基本解決煤礦巡檢人員履職管理、巡檢數(shù)據(jù)應(yīng)用的難題，對夯實礦山安全基礎(chǔ)管理、推進(jìn)信息化與安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)深度融合、保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。