煤矿安全监控系统自诊断方法研究

2021-02-05许金，何桥

煤矿安全 2021年1期

许金，何桥

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

煤矿安全监控系统升级改造明确规定安全监控系统必须具备自诊断和自评估功能，诊断和评估的内容包括传感器定位未标校提醒、传感器的设置及定义和模拟量传感器的工作状态等[1-2]。当前针对煤矿安全监控系统的合规性，主要采用人工检查的方式进行，缺乏系统的评估方法和高效的诊断工具。为此，在分析煤矿安全监控系统相关法律法规的基础上，提出并开发了一种基于多元信息评估的煤矿安全监控系统合规性评判系统。系统主要包括矿井监控系统GIS 与可视化展现模块、合规性量化评判模型、分析评判服务程序共3 个部分。监控系统数字化与可视化展现模块主要为基于开源组件开发的矿井GIS 模块，用于煤矿巷道、传感器等矢量化和评判结果的展现；合规性评判分析模型主要为基于相关规程建立的评判准则与量化方法；合规性评判分析服务程序用于实时分析评判，并将评判结果传递给矿井GIS 模块。

1 煤矿安全监控系统图形化与可视化展现

煤矿安全监控系统的数字化是实现自动分析评判的基础。通过程序自动识别与人工辅助的方式实现监控系统的数字化，基于二三维GIS 技术将煤矿安全监控系统布置图转换为软件可识别的点、线、面等元素，实现矿井巷道、监控系统设备、工作区域及相互的空间位置关系的矢量化。

1）搭建GIS 模块。GIS 模块主要由Openlayers、Geoserver、postGIS 和postgresql 等组件完成[3-4]。Postgresql 主要保存巷道和设备等转换的点、线等元素信息，postGIS 用于分析计算各元素之间的拓扑关系等，geoserver 用于整个监控系统布置矢量图的渲染与重构，openlayer 主要用于Web 端数据的传递与发送。

2）矿井巷道数字化。矿井巷道数字化主要通过GIS 模块提供的人工交互界面，基于矿井真实CAD人工绘制而成，并标注巷道名称、类型、用途、断面尺寸、进风、回风、所属工作面等信息。巷道绘制完成时，GIS 模块会自动通过巷道的相交关系，提取巷道的端点与拐点，生成巷道拓扑关系。为确保巷道绘制的完整，系统内置了矿井开采基础巷道类型的个数。

3）监测设备的图元化与位置标注。对安全监控系统分站、交换机、甲烷传感器、温度传感器、风速传感器设计不同的图标，通过手动拖拽的方式绑定到巷道相应位置。当设备绑定到巷道时，GIS 模块会自动计算距离设备最近的巷道，自动消除人为因素造成的设备未标注在巷道上的误差。

2 煤矿安全监控系统合规性评判模型

2.1 评判指标及准则

基于《煤矿安全规程》、AQ 6201—2019 煤矿安全监控系统通用技术要求、AQ 1029—2019 煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范等相关规范标准，整理了煤矿安全监控自诊断评判指标[5-8]，自诊断指标体系如图1。

1）设备安装个数。设备安装个数指的是相关规程规定的地点或区域需要安装不同类型传感器的个数是否满足要求。评判的算法流程图如图2。首先根据法律法规，整理需要安装传感器的巷道、地点，及传感器类型、个数要求，建立安装个数准则库。在此基础上通过GIS 模块，查找出需要评判的巷道、地点及绑定的传感器数据。最后根据准则库，依次判断是否合规。

2）工作面传感器安装达标。工作面包括采煤工作面和掘进工作面，其作为煤矿安全生产的最重要的场所，其位置的环境参数监测对于煤矿安全防控具有重要的意义。

图1 自诊断指标体系Fig.1 Self-diagnosis index system

图2 安装个数评判流程图Fig.2 Flow chart of installation number evaluation

3）设备安装到位。设备安装到位指的是采掘工作面的瓦斯传感器T0、T1、T2等安装距离是否符合规定。需要借助具备自主定位功能的传感器实现，从监控系统中获取数据来判定。

4）门限配置。该指标指的是监控系统中传感器的报警、断电、复电门限配置时候符合规定。首先根据规定整理出门限配置准则库，并存入数据库。然后根据监控系统中传感器实际门限配置情况进行判定。

5）传感器量程。由于不同量程的传感器监测精度和范围不一样，不同瓦斯等级的矿井和不同地点对传感器量程有不同要求。首先根据GIS 模块和煤矿瓦斯等级，获得需要安装高低浓度或全量程的传感器地点，然后根据规定进行判定。

6）控馈关系定义完善。控馈关系的定义是实现监控系统断电控制的基础。根据规定整理出需要定义控馈关系的传感器与分站，然后根据实际的数据进行初步判定。

7）实时监测状态。实时统计当前煤矿安全监控系统正常运行的设备数量占比。按照下式计算。

式中：us为实时监测状态合规性指数；x 为非故障设备数量；y 为设备总数。

8）控馈异常。控馈一致是衡量煤矿安全监测系统控制有效的最重要指标。采用实时控馈异常记录和历史控馈异常记录来综合衡量监控系统的控制有效能力。

9）断电控制时长指数。相关规程规定监控系统本地断电控制不应超过2 s，异地控制断电不应超过2 个巡检周期。由于本地控制时间难以获取，这里直接采用异地控制断电指数来衡量。统计最近30 d 的断电控制记录，计算满足要求的记录占比。控馈记录为0 得满分。

式中：ud为断电控制时长合规性指数；m 为统计周期内合规记录数；n 为统计周期内断电控制记录。

10）甲烷传感器定期调校。监控设备必须定期调校，定期调校主要根据程序自动识别，根据规定，调校主要过程为：调校零点（范围控制在0.009%～0.03%），达到断电值（持续时间大于90 s），恢复到原始值。据此建立传感器调校判定流程如下[9]：①通过Sql 语句查询出超过或达到2.0%的报警数据；②判断报警开始时间刻前5 min 内数据是否存在零点；③判断超过2.0%的值持续时间是否大于90 s；④整个报警持续时间不大于5 min。以上要求均符合，则判定为调校合规，否则判定为非调校（含调校不合规）。

11）监控日报查看指数。根据规定，煤矿调度人员，应该每天至少查看1 次监控日报，由监控系统自动记录监控日报、曲线等的查看记录。该指标评方法为，统计最近30 d 的的监控日报查看情况。

式中：uj为监控日报查看合规性指数；tx为查看记录至少为1 次的天数；ty为统计周期，这里取30。

12）历史监测状态指数。该指标主要用来衡量监控系统稳定运行程度。主要统计最近主要统计最近一段时间，监控设备的故障时长占比，基于监控系统历史数据计算获得。

式中：ul为历史监测状态合规指数；k 为传感器个数；ts为故障时长，s。

13）监测值长时间变化较小。为确保传感设备能正常监测井下环境参数，检测是否通过人为作弊的方式影响环境参数的准确性，通过监测值长时间变化值指数衡量监控设备的运行合规性。通过西南地区高瓦斯及瓦斯突出矿井研究得到，80%的环境瓦斯监测浓度在12 h 会发生变化，1 d 不变的占比降低为11%左右，3 d 不变的监测点约为8%，7 d 不变的瓦斯监测点占比约为2.73%，15 d 不变的瓦斯监测点降低为0.47%。对于采掘工作面、主回风巷等地点，99.9%的传感器会在30 min 发生变化。对于安装在此类地点的传感器，选取1 h 为限来判定，其他地点的传感器，选取15 d 为限判定。

14）平台组件。主要包括双击热备状态、主备数据库实时状态、主备WCF 状态、磁盘空间和CPU 运行情况等。该数据直接从监控系统中获取。

2.2 综合评估

煤矿安全监控系统合规性评判的目的一方面使督促煤矿加强系统系统使用于管理规范，另一方面是帮助煤矿了解掌握煤矿安全监控系统当前的状态以及系统运行态势。因此这里主要采用纵向评估的方式。具体步骤如下[10]：

1）设置各指标的最优合规值，理论上完全达标或合规即为最优值。当为越大越优型指标，取最大值为最优值。当为越小越优型指标，取0 为最优值，或取最近一段时间内所有样本中的最小值为最优值。

2）计算各指标的当前合规指数SHGi。当前合规指数直接根据数据按照评判准则计算而得。

3）计算各指标的当前合规指数SHGi与最优指数SZYi的相似度Sxsi。

4）确定各指标的权重。综合利用层次分析法和熵值法确定各评判指标权重，按照各取0.5 方法得到综合权重。

5）计算综合相似度IZH，确定预警等级。

式中:Wi为第i 个指标的权重。

3 软件实现

基于.NET 平台，开发了煤矿安全监控系统合规性评判软件，包括数据采集模块、数据分析处理模块和数据传输与存储模块。数据采集模块主要通过WCF 接口从监控系统中心站获取监测数据。数据分析模块具体分为数据预处理子模块和数据处理子模块。预处理子模块主要对采集的数据进行规则校验、去噪等。数据处理子模块主要依据评判准则对其进行评判。评判结果通过GIS 模块进行展现，合规性软件功能结构如图3。