智能化视频识别技术在智慧煤矿安全管理中的应用

菅虹燕

（山西省晋神能源有限公司，山西 沂州 036500）

0 引 言

目前我国多数矿井采用的监控系统功能单一，设计也较为简单，通常只具有视频记录功能，可以满足日常监测和数据存储，但在实时智能化预警分析方面还存在一定的差距。监控人员可以调取监测监控记录并进行分析，但通常是事后分析，不能起到超前或者实时预警分析作用，从而使监测监控效果大打折扣。随着信息技术的发展，互联网+、大数据、智能化、图像自动识别技术等的大量应用，智能识别技术越来越受到关注，其潜在的应用使煤矿安全管理产生了巨大的变革[1-3]。

现阶段，在煤矿应用的智能化识别技术已经有了一系列的发展。魏晶[4]分析了定位系统在煤矿安全管理方面存在的不足，设计了智能视频识别系统对人员和车辆进行管理，提高了效率并解决了例如只录虹膜而不下井等安全管理方面的问题，同时也实现了危险区域智能预警。刘东升[5]设计了煤岩智能视频识别系统，采用该系统可以有效识别工作面煤岩情况，使采煤机针对不同的情况进行调整，提高采煤效率、降低损耗，并减少事故的发生。刘浩等对井下作业员工的不安全行文开展了智能视频识别，通过对员工行为的监控、分析，能够提前或者实时对员工不安全行为进行预警，从而避免事故的发生。另外，也有很多研究人员对安全风险分级管控和隐患排查治理开展智能化研究，通过全面的智能化研究开展双预控工作，开创了安全管理的新方法。

煤矿的智能化是下一步的发展趋势[6]，2020年2月，由国家相关部委下发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，给煤矿智能化提供了纲领性的文件，也对下一步的发展方向提供了指导。此次通过对井下煤矿安全管理情况进行分析，将智能化识别系统与视频监测监控系统相融合，同时考虑双预控安全管理系统，设计了本安型信息预警管理系统，可以对井下设备运行状态、重点岗位实时状态以及井下人员身份自动识别功能等进行管理。

1 安全管理概况及智能化设计目标

此次开展应用研究的煤矿已经建立双预控管理体系、安全生产标准化管理体系以及隐患排查治理体系，但3套系统互不统属，造成了数据重复、不能相互利用，运行工作繁杂和管理效率低下等问题。对矿井实际安全管理工作进行总结分析，需将以上3套系统进行融合升级，从而达到安全生产数据统一采集、合并存储、集中分析、分级管控的目的，通过统一管理，实现了安全风险管控、安全生产标准化体系建设、隐患排查治理、隐患智能识别、动态考核等功能，将安全生产数据相互融合，利用数据互相印证，提高了准确性和系统运行效率。

本安型信息管控系统以安全管理信息为对象，以工业4.0、大数据、物联网、智能系统、云计算等先进的信息技术为手段，以先进的系统架构和计算方法为媒介，有效推动智慧矿山相关工作的开展，提高矿井效益、确保风险可控、实现集约管理，建设高效、智能、环保煤矿企业。

2 系统架构设计方案

2.1 系统架构

本安型信息管控系统所处理的源数据主要来自井下现场视频、排查隐患、环境监控以及矿压监测等相关数据，包括结构化数据以及非结构化数据，结构化数据和非结构化数据的存储分别利用Mysql开源数据库和Hbase数据库。

建构风险分析模型对安全风险进行预测，可得到相应的风险分布表。在统一的结构体系上，按照统一的标准规范和维运基础，系统架构可分为6层，如图1所示。

图1 本安信息管控系统架构Fig.1 Intrinsically safe information control system architecture

（1）接入层。本层负责数据接入，主要包括工业监控和安防视频等数据的接入，将系统构建所需要的所有监控数据上传，为系统提供各模块相应的数据。

（2）网络层。提供视频数据传输的必要通道，以互联网和专网为主。系统利用以太网接口等通道直接接入环网。为了确保数据安全并保密，可以利用防火墙或者安全边界等确保数据安全。

（3）数据层。利用大数据分析对非结构化的监控数据开展解译工作，并实时分析接入的结构化数据，对于分析解译的数据开展辨识和预警，同时向相关业务部门提供高价值的数据成果。

（4）应用层。通过数据层的解译，完成实时监控和预警，开展相关信息的查询、制表、打印以及其他后台功能。

（5）表现层。根据需求的不同，可提供大屏展示、微客户端展示等不同的表现形式。

（6）用户层。为不同等级的应用单位以及相关部门提供有针对性的应用功能。

2.2 系统结构

本安型信息管控系统的主要结构包括摄像头、路由器、视频矩阵、监控大屏和服务器等，如图2所示。摄像头作为最重要的输入设备，尽量采用已经安装的摄像头，减少后期改造工程量和投入；在光线不能满足需要的地方尽量采用红外线摄像头；如果监控地点粉尘较大，可采用具有自洁功能的纳米摄像头，提高视频数据的质量。

图2 本安信息管控系统结构示意Fig.2 Structure of intrinsically safe Information Control System

3 系统功能设计

3.1 生产设备运行状态智能化监测

矿井重要生产设备均采用了视频监控，对其运行状态进行智能识别，可以及时发现运行情况、异常情况及存在的隐患，例如皮带运输机严重跑偏、主井架空行人装置未按照指令运行、管道裂纹漏水漏气、皮带运输机空载等，通过及时查清状态并预警，确保设备的正常运转。利用对运动中的物体进行辨识来判断皮带运输机正常运转、空载及停运3种不同的状态。当辨识结果显示设备从正常运转变为空载或者停运状态时，系统会自动录像、截图并预警。

3.2 重点门岗状态智能识别

煤矿井下的重要场所和工业广场重要位置安设摄像头，利用智能识别系统可以通过监测大门的局部特征来确定开、闭状态。其中井下炸药库、安全硐室、中央变电所（水泵房）等重要硐室，在正常情况下大门闭合，为了加强管控，当智能识别系统反馈大门打开，系统自动截图并发送预警信息，提醒工作人员进行管控，以防非法进入或长时间处于不正常状态。矿井主要变电所、绞车房、压风机房等地表重要场所大门通常也是关闭状态，当大门打开后，系统进行智能识别并进行预警。

大门状态智能识别步骤：系统程序定位在大门视频画面上，大门在正常闭合时，标定出门缝位置；当大门打开时，程序自动与未打开时进行实时对比，并下达预设指令。

3.3 入井人员份身智能识别

对入井人员提前采集面部信息，以用于人脸对比，为了提高识别准确率，分别采集人员是否带口罩和安全帽等4种情况，然后入数据库。入井人员身份识别步骤如图3所示。在井下中央变电所、炸药库等重要硐室以及矿领导交接班和无人值守机电硐室等地点安装摄像头，进行动态识别，采用卷积神经网络、支持向量机模型方，法确认入井人员身份，从而实现身份核准和动态考勤等。

图3 入井人员身份智能识别结构Fig.3 Intelligent identification structure of entry personnel

3.4 矿井安全风险分析预警功能

煤矿安全风险分析预警流程如图4所示。生产一线操纵重型装备，空间有限且生产任务重，因此现场风险管控非常重要。本系统对隐患排查数据、监测监控数据、生产数据等进行有机融合，并利用模型对现场进行风险等级评估，同时结合生产人员岗位职责开展分级预警。矿井通过隐患整改复查，实现安全可控；对于重大隐患则需要上报上级公司，进行挂牌督办，消除重大隐患。

图4 矿井安全风险分析预警流程Fig.4 Early warning process of mine safety risk analysis

4 系统的应用

该矿井在开发本安型信息管控系统时就已经排查并建立危险源数据库，实现了矿井安全风险等级动态调整，梳理了矿井从业人员不安全行为1 800余条，分析了专业危险源6 000余项；以风险库为媒介，实现了矿井风险等级评价、危险源辨识、整改措施执行、危险源升（降）级、登记与注销等的流程化管控。智能视频系统包括98个高清视频接入点，井上51个、井下47个。系统实现了问题隐患整改的全流程可视化，智能视频识别具有实时监测预警功能，并能够根据风险等级给出合理的整改措施，从而提高矿井安全管理的时效性和全面性，同时对标准化和流程化进行了规范。

5 结 语

将高清视频智能识别系统与煤矿已经构建完成的双预控系统和视频监测监控系统相融合，设计本安型安全信息管控系统，能够完成生产设备运行状态智能化监测、重点门岗状态智能识别、入井人员身份智能识别、矿井安全风险分析预警等功能，系统实现了问题隐患整改的全流程可视化和数字化。智能视频识别具有实时监测预警功能，并能够根据风险等级给出合理的整改措施，从而提高矿井安全管理的时效性和全面性，同时对标准化和流程化进行了规范。本系统对多维度和多层次的风险信息进行深入挖掘和对比、分析、整理，能够更加全面和高效的实现煤矿安全智能化管理。