APP下载

智能矿井安全生产管理信息共享模型研究

2019-09-10王斌王安义

技术与创新管理 2019年6期
关键词:安全管理

王斌 王安义

摘 要:矿井安全生产物联网是煤矿智能化开采与安全管理的关键技术手段之一。针对目前矿井安全生产的各监控管理子系统相互独立造成的信息孤岛和信息共享问题,从信息共享的角度提出了基于融合传输的智能矿井安全生产管理信息共享模型。文章详细阐述了该模型的设计目标、总体架构和关键技术,以信息共享为突破点,从统一编码标识体系、融合无线传输和综合业务应用平台三个层面建立一体化的安全生产管理信息共享模型,解决智能矿井安全生产管理问题各个环节的信息共享问题,为矿井安全管理决策提供信息基础。

关键词:智能矿井;矿井物联网;安全监控信息系统;安全管理

中图分类号:X 924 文献标识码:A 文章编号:1672-7312(2019)06-0703-06

Research on Information Sharing Model of Intelligent

Mine Safety Production Management

WANG Bin,WANG An-yi

(College of Safety Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Abstract:The internet of things in mine safety production is a key technology for intelligent mining and safety management of coal mines.In order to solve the information island problem caused by the independent monitoring and management subsystems of intelligent mine safety production,the information sharing model of converged transmission is proposed from the perspective of data transmission.The article elaborated the fusion transmission architecture,key technologies and design goals of the model,took data sharing as a breakthrough point,established an integrated safety production and management information infrastructure,and solved the problem of information sharing in all aspects of mine safety production management issues.

Key words:intelligent mine;mine internet of things;security monitoring information system;security management

0 引 言

“十二五”期間煤矿安全生产形势持续稳定好转,但随着开采深度增加,煤与瓦斯突出、冲击地压、热害等灾害日益严重,耦合灾害加剧,煤炭企业经营困难导致安全风险加大,百万吨煤死亡率仍高于世界先进国家,经济发展新常态给矿井安全生产带来新问题与新挑战[1-2]。现有的煤矿综合自动化系统实现了各监测系统的集成,但是仍存在感知手段传统单一,缺乏泛在感知网络、统一的通信协议、综合业务平台和信息共享等问题[3-4]。由于煤矿井下环境的复杂性和特殊性,很多关键技术制约着煤矿安全生产物联网的发展,很难实现“机械化换人,自动化减人”的管理目的。

目前,世界发达国家将物联网技术作为抢占新一轮经济科技发展制高点的重大战略之一,我国也将其作为国家重点发展的战略性新兴产业。国务院《“十三五”国家信息化规划》提出:要推动物联网关键技术研发和重点领域的应用示范[5]。《煤矿安全生产“十三五”规划》提出:实施机械化改造升级工程,集成应用物联网、云计算、大数据等技术,提升煤矿安全生产可视化、数字化及智能化水平,到2020年建成30个智慧矿井示范工程,实现智能开采和安全管理。《国家安全监管总局关于推动安全生产科技创新的若干意见》中也明确指出:着力推进“机械化换人、自动化减人”;大力推广防治事故灾害先进技术装备;加快信息技术与安全生产的深度融合,推进物联网等信息技术在矿井等高危行业领域的创新应用[6-8]。国家应急管理部征集的“十四五”应急管理规划重点课题研究方向中也提出总结物联网、大数据等技术在重大灾害事故风险防控中的经验和成果,研究提出国家“十四五”期间风险预测预警工作的发展目标、建设内容和实施路径。

随着国家对煤矿安全生产的日益重视,以及各煤矿企业对提高生产效率增强企业竞争力的需求日益强烈[9]。煤矿有线调度通信、无线通信、应急广播、扩播电话、人员定位系统和工作面设备运行监测等融合的综合通信系统是煤矿安全生产物联网的重要组成部分,是实现煤矿监控和指挥能力的移动化、一体化、快速化和智能化的矿井建设的关键技术手段,已成为煤矿企业信息系统现代化建设和安全管理建设的核心内容[10-11]。

1 矿井安全生产物联网

现代矿井信息化建设的整体规划,一般是以工业以太环网为核心网络的综合信息化系统。矿井安全生产物联网借助于物联网等新技术对矿井安全生产的开采、掘进、运输等各个环节实施感知和监控,是智能矿井信息化建设的新趋势和方向,智能矿井信息平台体系结构如图1所示,该体系结构分别对应的是工业物联网中的感知层、传输层、平台层和应用层。

以矿井开采环节的监控系统为例,采煤工作面是煤矿生产过程中一个动态实时变化的环境,除了放置了大量生产设备以外,现场必须放置安全监测监控系统、人员定位系统及通信设备。工作面作为一个高危生产环境,存在设备多、人员多、环境危的特点,是煤矿安全生产管理的核心所在。而目前工作面的各种监控系统相互独立,碎片化严重,信息共享不足,造成了信息化下的信息孤岛,缺乏一个以信息共享为目标的统一的通信网络和综合业务平台,严重制约着国家安监总局要求的:全国安全监管监察执法、企业在线监测和预警防控等互联互通、资源共享的信息化“一张网”体系进程。矿井复杂环境下人员、设备、基础设施和生产过程的协同管理及综合智能监控是智能矿井安全生产信息化的发展趋势,而信息共享是安全生产信息化实现的重要基础。

近年来国内外学者针对煤矿安全生产信息的信息共享问题开展了诸多探索研究。李晓波针对安全管理“孤岛”问题,以“管理信息共享”为基础,构建“管理共享、人员互动、齐抓共管”的安全管理格局,提出了煤矿企业安全管理对信息共享的现实需求[12]。任建刚和李瑞群研发了针对煤矿各系统矿图的“一张图”系统,实现了生产、机电、安全、地质等煤矿主要专业的在线协同工作以及矿图的集成管理,在煤矿矿图方面实现了信息共享[13]。戚宏亮和张琪探讨了大数据下煤矿安全应急管理标准体系的变化,并以数据标准和数据共享为切入点,提出了煤矿安全应急管理标准体系的完善路径[14]。谭章禄等学者分析了信息共享对现有安全隐患排查的优化策略的重要性[15]。

曾伟针对煤矿井下系统繁多和协议不统一问题,提出了基于软件定义网络的煤矿井下分布式智能网络平台方案以及数据交互方法[16]。

综上所述,信息共享对煤矿安全生产过程监控和企业安全管理都有着重要的实际意义。学者们更多的是提出了信息共享的需求和意义,而对如何实现煤矿物联网的信息共享的研究有待深入,比如信息共享的硬件和软件支撑技术、信息共享的设计目标和模型等问题的研究。

2 “人-机-物-环”感知安全信息的共享模型设计目标

针对矿井各种监控系统相互独立造成的信息孤岛问题,从数据信息流的角度,建立感知安全生产信息共享模型,实现“人-机-物-环”等感知信息的融合、共享,为生产指挥、安全管理、应急调度等决策提供充分的数据信息支撑。工信部“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项和科技部“十三五”期间的国家重点研发计划“云计算和大数据”“公共安全风险防控与技术装备”专项都提出了提升资源汇聚、数据收集、存储管理、分析挖掘和按需服务等能力,实现关键技术核心可控。2019年8月21日由国家煤矿安监局主办的2019世界机器人大会煤矿机器人专题论坛上黄玉治局长提出:跨界合作,大力推进煤矿机器人研发应用,迈向智能化无人少人矿山的新时代。智能矿井信息化建设已经进入与通用信息技术发展并跑阶段。

随着5G技术的商用,智能矿井信息化建设以“云-管-端”为信息服务新架构,以数据为主线,构建5G环境下的新信息基础设施。首先通过软件定义网络的方法在底层屏蔽各系统的硬件和通信协议差异,兼容现有设备和通信协议,形成数据信息流的“管”;其次通过云和边缘计算的结合,构建“云-端”的边缘-云平台架构,形成数据信息流的感知和处理;最后开发支持可横向伸缩的应用软件平台,在统一的平台下形成数据信息流的应用。

安全生产信息资源共享作为智能矿井信息化建设的重要基础,其模型的设计目标主要包括以下几点。

1)提高生產指挥能力。通信联络系统融合与信息互通,让生产指挥人员能够以快捷有效的手段实现调度指挥,提高管理效率。各生产单位之间也能够用更多样有效的联络方式,协调生产,提高生产效率。

2)提高安全应急能力。煤矿安全生产规程要求在灾难发生的第一时间发出指挥调度命令,有效的组织井下逃生、自救,以最高效的手段保护矿工的生命安全;在煤矿生产管理中引入智能监控的手段,通过信息共享,让调度指挥人员能够在最短的时间,利用多种方式传达指令,解决信息覆盖死角,确保指令有效传达[17]。

3)提高智能矿井信息化建设水平。矿井信息化建设要求各子系统信息共享,数据互通,平台统一。调度通信、无线通信、应急广播、人员定位等都是智能矿井信息化建设的一部分,更是智能监控通信系统的有机组成;通信联络系统从简单的互联互通,到底层的互通与融合,再到操作界面与功能的协调统一,无疑能够发挥多个系统的集群效应,而这都以信息共享为基础。

4)提高安全管理能力。煤矿安全管理信息系统兼具安全风险分级管控和事故隐患排查治理的要求。系统功能主要包括安全风险分级管控、事故隐患排查治理、安全标准化考核、安全决策分析和风险可视化预警等功能。而以信息共享为目标的通信联络平台是煤矿安全管理信息系统的主要信息基础设施,其性能直接影响着管理系统功能的可靠性和稳定性。

5)降低煤矿信息化建设的投资成本。各监控管理系统之间采用统一的平台管理,统一的平台传输,共享的数据接口,互补的功能优势,可有效节约投资,节省运行维护成本,提高设备的利用效率。

3 矿井安全生产管理信息共享模型设计

3.1 总体设计

本着提高矿井生产指挥能力、安全应急指挥能力、安全管理能力和降低投资成本的原则,对煤矿安全生产规程规定的有线语音调度系统、无线通讯系统、应急广播系统、人员定位系统和管理信息系统等进行研究。从可感知的“人-机-物-环”安全生产信息融合传输架构入手,解决现有矿井通信网络组网方式、接入方式、网络架构的各异性与各业务子系统的独立性问题,建立矿井“人-机-物-环”安全生产信息的共享模型,如图2所示。该模型以数据为主线,首先将智能矿井可感知的“人-机-物-环”信息进行统一编码标识,解决异构数据的统一数据规范问题。其次建立基于融合传输网络架构的矿井无线传输平台,解决异构无线网络之间数据融合传输的问题。进而基于边缘计算建立边缘-云的平台层,解决智能矿井感知信息骤增给无线传输和支撑平台带来的影响。最后通过多业务融合通信调度平台和大数据分析平台,提供业务自由裁剪和安全生产态势分析预测预警等。

矿井安全生产物联网的核心工作场景如图3所示。实现工作面割煤机、液压支架工作状态信息的无线数传,并在融合调度平台上实时显示运行状态;同时监控系统融合有线调度、无线通信、语音广播系统、人员定位系统,通过安全生产信息共享模型,在各业务子系统数据层面能实时查看或者调用数据,实现数据信息资源共享,提升煤矿安全生产监控和决策能力。

3.2 关键技术

3.2.1 基于深度学习的不安全行为智能识别方法

智能矿井安全生产系统是由机器程序化完成既定工作流程和机械操作。矿井工作人员的不安全行为对机器的自主操作会造成严重干扰。而人的不安全行为等风险和隐患是以小数据量的形式存在,并不具有大数据的特征,却易形成大的灾害事故[18-20]。矿井监控摄像头一般处理能力较弱,需要利用迁移学习技术,提出小数据样本环境下基于深度学习的不安全行为智能风险识别方法。

3.2.2 矿井安全生产物联网的统一编码标识方法

统一编码标识体系的建立需要梳理矿井安全生产信息采集环节业务信息的种类、特性参数、数据类型,明确分类对象。构建以主题分类框架为主,多属性复分类为辅助的分类体系。基于相关国家信息分类编码标准,建立与矿井安全生产物聯网相匹配的统一编码体系,提出编码唯一标识方法,形成统一数据格式规范,解决信息编码标识体系各异的问题,为一张网建设与智能矿井建设建立数据规范。以本文依托的国家重点研发计划项目中的统一编码标识体系中的主数据为例,项目示范应用单位陕西正通煤业公司及其下研究所、专业化公司和区队的主数据相关业务逻辑图如图4所示。

3.2.3 矿井物联网融合通信网络架构及网络资源建模

融合通信网络架构的建立需要结合矿井安全生产物联网中泛在生产信息感知和多种业务的要求,基于软件定义网络、网络功能虚拟化等新技术,构建基于软件定义网络的有线和无线一体化的物联网通信网络架构模型和优化方案,形成适合煤矿安全生产物联网的业务数据流和控制数据流智能优化方法。建立物理/虚拟网络资源统一表征模型,分别对实体网络设备层和虚拟网络进行描述和统一管理,为泛在安全生产信息的传输技术和多种业务融合的通信平台提供体系支撑。

3.2.4 矿井安全生产信息的无线实时通信技术

结合矿井安全生产物联网中物理环境动态感知和实时控制性能的要求,从信息物理系统的角度提出矿山信息物理系统中信源/信道编码,控制-通信协同优化的采样速率优化及自适应调制方法,基于非正交多路复用的数据链路层和物理层协同优化,无线多跳系统多业务实时传输技术等问题,解决复杂环境下信息物理系统感知数据的实时传输,进而开发支持语音通信、人员定位、视频监控、灾害监测和设备监控等功能的矿井多业务无线实时通信系统。

3.2.5 矿井新型物联网网关设计

在基于软件定义网络的矿井物联网融合通信网络架构下,提出自适应宽带和窄带的物联网网关原型,兼容各种无线网络协议。定义矿井安全生产物联网的各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理、跨域转发、资源映射、数据和控制接口模块,优化软件定义网络控制器的南向和北向接口,设计新型物联网网关。实现无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进行多维度检测和管控,为信息共享提供硬件基础,全面提升矿山安全生产物联网的智能感知与决策能力。

3.2.6 基于边缘计算和云计算的边缘-云平台架构

矿井安全生产物联网安装了大量终端设备采集数据,传输到监控云平台的数据不断增加,网络传输带宽资源消耗非常大。然而云计算平台只是改变了数据处理的形式,却无法实时处理如此庞大的数据集并实时提供响应。边缘计算可以处理和分析更靠近监控生成数据源的数据,并实时响应,而不是通过网络将所有数据发送到云平台并等待云响应。边缘-云平台可以在监控终端进行边缘计算,处理的数据为再次处理和深入分析提供了数据基础,仅对有效信息进行共享,提高矿井安全生产物联网系统的响应速度。

3.2.7 矿井物联网环境下数据共享机制

煤矿企业是落实煤矿安全生产的主体,企业各级安全管理人员的职责不同。丁恩杰等人提出物物互联的“孤岛”式实施方法增大了煤矿感知数据融合的难度并降低了数据的可信度,致使矿山生产很大程度上处于不透明状态[21]。在矿井物联网环境下,自动风险辨识、隐患排查、安全风险分级闭环协同管控机制等在数据层面实现信息共享。需建立一种各方相互制约、共同协作、目标一致、相互补充、职责清楚的信息共享机制,形成信息流控制方法,为煤矿安全管理提供理论和技术支撑。

3.2.8 矿井物联网多业务融合的通信调度平台

勇辉等人针对传统煤矿通信调度平台融合问题,设计了一种由生产调度通信系统为指挥控制平台的煤矿五网融合通信平台[22]。矿井安全生产的语音、视频、定位、状态呈现、集群调度、生产调度、安全生产信息监测等多种业务对数据传输的时延要求不同,结合智能矿井安全生产需求,建立数据优先级指标,提出有线和无线自适应的动态优先级的智能数据调度算法。实现程控语音交换系统、移动通信系统、语音广播系统、人员定位系统(GPS定位、射频识别定位等)等系统之间的统一调度管理。在此基础上,采用面向服务的体系架构,精确定义面向服务架构的接口,建立满足各种业务系统的数据集成架构,开发面向服务的矿井安全生产多业务融合的通信调度平台,对业务的变化进行快速响应与部署。

4 结 语

智能矿井安全生产管理信息共享模型是以“十三五”期间国家重点研发计划项目中相关技术为基础,从信息共享的角度出发,提出了模型设计的目标、总体架构和关键技术。该模型在感知层建立了编码标识体系,在传输层透明了通信设施底层的网络传输设备的硬件差异性,在业务平台应用层兼容了各个业务子系统,一体化解决了煤矿各信息子系统的信息共享问题。矿井安全生产物联网通过将矿井生产状态信息互联,实现一机多用、一目了然、一呼万应,形成具有高联动性的应急、生产指挥调度管理系统,提高安全生产管理能力。

参考文献:

[1]张雅萍.沖突管理模式对矿工不安全行为的作用机制及效率评价[D].

太原:太原理工大学,2018.

[2]武晓娟.煤炭行业将严控职业危害[N].中国能源报,2016-05-05(005).

[3]姚建铨,丁恩杰,张 申,等.感知矿山物联网愿景与发展趋势[J].工矿自动化,2016,42(09):1-5.

[4]孙彦景,左海维,钱建生,等.面向煤矿安全生产的物联网应用模式及关键技术[J].煤炭科学技术,2013,41(01):84-88.

[5]董楚楚.无线传感器网络面向低功耗的MAC协议及跨层优化研究[D].北京:中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院),2017

[6]国家安全监管总局出台关于推动安全生产科技创新的若干意见[J].中国安全生产科学技术,2016,12(11):23.

[7]《单班入井超千人矿井科技减人工作方案》印发[J].中国安全生产科学技术,2017,13(02):106.

[8]李永成,李水生.浅谈煤化工企业的安全管理[J].石化技术,2018,25(07):277.

[9]季利佳.基于WiFi和ZigBee技术的无线通信及人员定位系统在矿山的应用[J].电子世界,2016(14):184.

[10]张旭平,赵甫胤,孙彦景.基于物联网的智慧矿山安全生产模型研究[J].煤炭工程,2012(10):123-125.

[11]王国法,赵国瑞,任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报,2019,44(01):34-41.

[12]李晓波.管理信息共享是良方[J].现代职业安全,2017(12):61.

[13]任建刚,李瑞群.煤矿“一张图”系统开发及应用[J].煤炭工程,2018,50(11):63-66.

[14]戚宏亮,张 琪.大数据下煤矿安全应急管理标准体系研究[J].煤炭经济研究,2018,38(10):84-87.

[15]谭章禄,孙晓韦,邱硕涵.基于数据挖掘的煤矿安全隐患排查管理平台研究[J].煤炭技术,2018,37(10):160-163.

[16]曾 伟.分布式智能网络平台的研究与设计[J].煤矿安全,2018,49(11):96-98+102.

[17]曹婷婷.基于SIP的无线多媒体数字集群网关的研究与实现[D].南京:南京邮电大学,2013.

[18]曹庆仁,杨笑冰,曹 明,等.员工安全参与行为对事故的影响作用研究[J].中国安全科学学报,2018,28(11):1-7.

[19]李 爽,刘海洋,杨 勇.基于矿工不安全行为的煤矿安全预测评价模型[J].煤矿安全,2017,48(08):242-245.

[20]李 爽,毛吉星,贺 超.安全管理中危险源辨识的顶层设计与体系设计[J].煤炭经济研究,2017,37(07):59-64.

[21]丁恩杰,胡青松.矿山物联网顶层设计思路[J].物联网学报,2018,2(01):69-75.

[22]勇 辉,涂兴子,向 阳,等.煤矿五网融合通信平台技术的研究与实施[J].煤矿机电,2016(02):61-64.

(责任编辑:韩 莉)

猜你喜欢

安全管理
浅谈煤矿安全管理的创新
论加强建筑施工安全管理的措施
浅谈现代汽车检测技术与安全管理