智慧矿山安全防控多系统井下融合与应急联动技术研究

陈 杰

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

全国现有的各大煤矿虽然已经针对安全生产与救援指挥等方面建设了各类监控系统、人员定位管理系统以及通信系统等，但是各系统相互独立，并且由于各类系统的传感层设备种类以及安全设备的数量有限，无法实现相关参数的大样本采集。各监控类系统虽然应用场景不同，但是结构类似，以瓦斯、水、火、顶板、粉尘等煤矿常用灾害监测系统为例，从系统的整体架构[1]来看，通常都是“传感设备采集-数据整合传输-应用逻辑控制”结构，并且对部分传感层设备技术参数要求相近，但目前各个系统传感设备之间没有共用，未实现数据共享[2]。另外随着煤矿开采深度、强度[3]的日益增加，灾害由单一因素向多灾种耦合趋势发展，加剧了应急响应、避险规划的难度。针对上述关键问题，2021 年中下旬，由国家能源局与国家矿山安全监察局印发的《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》[4]文件中针对灾害风险与灾害超前干预、应急救援指挥与避险规划等方向提出智能安全监控系统建设专题，并详细说明了建设内容以及涉及的相关系统。目前国内各大煤矿在井上中心站层面已经实现了安全监控系统、人员管理系统、广播系统、供电系统等系统初级融合[5]，但煤矿井下由于环境复杂，感知单元因为人员、环境参数、设备状态都会不断变化而数据量庞大[6]，导致大量原始数据从采集到传输到中心站平台处理的时效性[7]会逐渐减低、并且因为技术或传输网络等不可预估因素导致大量数据[8]在某一时刻集中的涌现到中心站平台，导致中心站卡顿或宕机，延误应急响应。为此,设计并研发了一款边缘协调管控分站, 基于边缘协调管控分站实现智能矿山安全防控多系统井下融合与应急联动[9-12]。

1 多系统井下融合必要性

因为煤矿现场的各类监测监控设备不断升级与大量使用[13]，提升了煤矿安全生产自动化与信息化水平，促使煤矿不断地向智能化方向[14]发展。与此同时，各类监测监控系统在设计之初，“智能矿山”的概念以及建设目标还未明确，各类系统行标相互独立，导致各系统并非站在安全防控系统的整体高度进行顶层设计，只针对具体应用而设计开发，导致在同一个煤矿甚至同一个工作面中相同或相似的设备不断地重复性建设，煤矿安全生产环境与生产过程管控变得越来越复杂。经过大量的现场调研，各类监测监控系统主要存在以下弊端：

1）传感层设备的协议不统一，原始数据无法共享，存在指令不响应风险[15]。因各系统相互独立，不同系统的传感设备层-边缘层之间采用不同的通信协议，降低了兼容性导致多系统融合程度不高，无法实现传感层设备的统一采集、统一传输、统一控制与集中供电[16]。另外，目前多数系统采用井上中心站平台汇总数据后，根据各类系统的安全评分方法指南或矿上已有的安全评判方法，建立的数学分析模型，分析相关作业区域的环境参数，推算相关作业区域当前的安全程度，确定相关的安全响应措施，此类方法优点在于无需过多的边缘计算，完全依赖高性能主机、结构简单，但弊端在于执行周期长，且当网络层或者中心站平台发生故障时待执行的指令响应得不到保障[17]。

2）设备重复投入过多、增大系统功耗。目前各类煤矿已完成建设的监控类系统在井下完全是独立状态，各系统传感层设备因协议与传输格式的不统一，导致各传感设备属于本系统专项设备，不被参数要求相似的系统所共享，比如在同一个作业区域，已布置完毕的安全监控系统一氧化碳、烟雾、温度传感器技术参数不低于火灾监控系统的需求，但是因为不共享，不仅需要再布置完全相同的传感设备，而且响应线缆、供电设施等必要设备重复部署，增加维护成本，提升系统使用难度。此外，现有煤矿各系统已布置的监测点未进行“去重”，直接完成融合，会因为没有按照需要有效减少各节点（各系统的主要传感器）因等待数据处理而造成的能耗损失，增大融合后系统功耗，并且目前各系统的监控分站在设计之初只是针对特有系统进行设计，没有考虑过多的计算能力，使用的主控制器以低功耗、低成本、保量为主、计算能力为辅，不足以实现过多的边缘计算工作，在现有分站进行多系统融合，过多的采集数据量以及计算数据量，会严重影响系统的实时性。

3）多系统仅井上融合，脱离主干环网无法自主工作。根据系统数据使用特点及业务关联度，可以以安全监测监控系统、人员定位系统、广播系统为基础，再加上必要的辅助系统如信息引导发布系统、供电系统，构建煤矿“人-机-环”协同管控应急联动预案。针对此方案，《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》[5]基于当时的技术水平和产品标准的局限，要求相关系统在井上中心站平台层融合，并且大部分煤矿设备生产厂家、科研院所已经实现，但是随着此方案在煤矿的运行，弊端逐渐暴露。井上融合方案中，各系统占用独立数据链路层，无法实现数据共享，无法在井下第一时间获取到彼此监测点的数据与状态。另外在脱离主干网络后，当监测点异常时，原配置的应急响应案例失效，无法自主工作难以从点管理提升为面管理。

综上，需要对智能矿山建设发展趋势下安全防控方向安全监测类系统井下融合及“人-机-环”应急联动方法进行研究。实现智能矿山安全防控多系统井下融合与应急联动。

2 基于边缘协调管控技术的多系统融合与应急联动

综合现有煤矿监控系统及井上融合后的系统存在的关键问题，可采用分布式处理、边缘计算等技术将应急联动、数据分级计算等工作下沉到边缘分站。边缘分站实现不同类型的应用和数据在网络边缘处理，且分站和数据中心之间进行数据流和控制信息流的双向流动，能够有效降低网络压力、提高信息处理和分析决策效率，可实现计算负载“云”、“边”、“端”之间的动态优化均衡。

2.1 边缘协调管控分站技术

通过设计一种计算能力强，具有多种多路现场总线、多种常用通信协议的边缘协调管控分站[18]，使该分站不仅具有安全监控系统分站功能，还具有边缘计算与数据采集能力，通过多种多路现场总线采集多种系统现场设备数据、控制信息引导屏发布避险消息、通过广播系统播放相应监测点报警消息，通过以太网通知（精准）人员定位分站控制识别卡报警，以及跨区域获取其他分站数据，实现了不同区域、多子系统的数据融合，通过多种数据采集及控制输出的工业总线及标准接口，支持不同系统之间数据的集中采集，实现数据存取规范化、标准化，全业务覆盖，数据的采集与业务逻辑分离，支持数据产时间保存，保证数据完整性。边缘协调管控分站硬件架构图如图1。

图1 边缘协调管控分站硬件架构图Fig.1 Hardware architecture diagram of edge coordination and control substation

分站由处理单元、有线通信单元、无线通信单元、数据存储单元及人机交互单元组成，其中处理单元采用高计算能力、常用接口富裕的双核芯片STM32MP157 作为主控，负责数据计算与逻辑处理；有线通信单元由RS485 总线、CAN 总线组成，负责分站所有总线数据采集及信息引导系统通信，以太网接口实现与中心站、精准人员定位管理系统、广播系统等通信；无线通信单元由4G 模组、Lora 无线模块组成，负责实现分站与4G 网络通信及采集Lora无线传感器数据；数据存储单元由nandflash 存储器组成，负责必要的数据及应急联动配置存储，在脱离网络后，可将离线期间实时数据、状态存储，待网络恢复后，结合特制的算法实现数据断点续传；人机交互单元由红外遥控器、5 寸彩色屏组成，实现必要信息输入、界面显示。

在软件方面，分站需要进行大量的数据计算，生成合理的逻辑控制，同时还要完成与定位分站、广播分站、中心站之间通信,要求处理消息及时[19]。分站芯片中负责数据计算的ARM 内核的软件基于Linux操作系统进行开发,负责实时数据采集任务的是M4内核，软件基于freertos 开发，采用多进程方式实现分站的多任务，有大量数据交互的任务之间采用共享内存方法进行数据交互[20]，各进程之间采用socket传递共享内存key，进程内部采用多线程方式开发，数据传输使用消息队列，线程同步采用信号量等方式。为减少分站的现场升级的难度，还应设计分站远程升级功能[21]。边缘协调管控分站数据处理软件结构图如图2。

图2 边缘协调管控分站数据处理软件结构图Fig.2 Structure diagram of data processing software of edge coordination and control substation

2.2 多系统融合技术

多系统井下融合:通过常用总线接口，如RS485、CAN 等，配合统一的传输协议、数据传输格式，实现将不同类型系统中特点相似传感层设备的统一采集、数据链路层的数据统一传输、应用层的逻辑关系统一控制，达到数据监测有效、逻辑控制可靠、数据传输标准、融合联动、及时响应。

边缘协调管控分站通过常用现场总线将各系统感知层设备进行接入，但是接入之前需要将所有感知层设备进行统一编码，传感层设备可以使用芯片本身的UID 作为统一且唯一的识别码，识别码确保了每台设备具有唯一身份，根据唯一ID 作为主键对所有传感层设备编制统一的识别方法，保证了传感层设备数据可以通过边缘分站统一采集，同时因为边缘分站采用统一的数据传输格式，每个传感器设备可以被其他系统识别，实现了数据可根据需求被其他系统识别、使用，达到了统一传输、数据共享，又因为减少了设备重复投入，降低了整个融合后系统的整体功耗。多系统融合框图如图3。

图3 多系统融合框图Fig.3 Multi-system fusion block diagram

边缘设备作为当前区域内唯一的数据融合设备，为每个系统提供独立的数据采集、传输通道以及业务逻辑处理，执行响应各自系统的控制指令。边缘分站不仅可以采集到各系统的原始数据，还可以通过使用各系统的控制指令建立业务层面的融合接口，根据接收到的地面中心站下发的逻辑关系配置，将融合后的实时数据按需转发给所需系统，实现了子系统之间的数据融合与交互，并且可以在应急响应发生时实现跨系统逻辑控制输出。

2.3 应急联动技术

应急联动由安全监测监控系统触发应急联动控制，如某工作面环境甲烷实时数据超限，此时安全监控系统针对特定区域非本质安全型设备进行断电闭锁，精准人员定位系统通知区域人员紧急撤离，应急广播系统播放特定的音频或是喊话，信息引导发布系统播放指定报警信息及逃生线路指南等。应急联动框图如图4。

图4 应急联动框图Fig.4 Emergency linkage block diagram

1）安全监控系统与广播系统井下融合联动。安全监控系统与广播系统井下融合应急联动进程采用UPD 方式将安全监测系统与广播系统建立信息通信链接，进程启动后分站首先将参与应急联动的传感器类型、地址信息进行编码后发送给广播系统，安全生产情况下广播终端只进行上位机下发的音频播放工作，当触发应急联动时分站将传感器的编码与实时数据、状态通过互联接口推送给广播系统，应急广播系统按照相关协议将信息紧急传送至相关区域广播终端，应急广播终端通过有线方式沟通广播分机，实现紧急信息在应急广播终端及分机上的播报。

2）安全监控系统与人员定位系统井下融合联动。安全监控系统与人员定位系统井下融合应急联动通信进程以间隔周期与精准人员定位分站进行通信，边缘分站与精准人员定位分站之间可采用MQTT 协议，MQTT 是订阅-发布模式的通信协议，按照协议规则人员定位分站根据应急联动预案需求向已连接的边缘分站发送报警订阅请求，边缘分站收到订阅请求后，在本分站管辖的区域内发生应急联动操作时，实时向网络中的已订阅消息的精准人员定位分站发布信息，因为该协议是支持一对多消息订阅的，边缘分站消息可同时被多台定位分站订阅，通过订阅发布方式，多台定位分站可以在接收到应急预案响应消息后，及时对定位分站信号辐射区域内的人员进行报警，这种模式不仅减轻了网络信息传输负载，还提高了数据传输实时性。

3 “人-机-环”应急联动实现

安全监测监控、精准人员定位、应急广播、信息引导发布等系统是参与联动控制的主要系统，并且都处在同一煤矿，甚至同一个工作面，涉及信息的双向交互以及控制指令的单向下发、执行，要求较高的实时性、可靠性。应急联动由正常安全生产状态、异常预警状态以及停产不可控等3 种状态组成，从每种状态风险严重性角度对相关监测监控区域内的人员、设备进行不同层度的预案处理。3 种状态对应相关应急预案见表1。应急联动流程图如图5。

图5 应急联动流程图Fig.5 Emergency linkage flow chart

表1 应急联动预案表Table 1 Emergency linkage plan table

通过中心站软件（或板载HMI 接口）对分站进行监测参数、控制逻辑配置。分站实时采集控制区域内主要环境参数（如甲烷、一氧化碳、风速风向等）、人员信息以及采煤机、掘进机、风机、带式输送机等主要设备的运行状态，根据统一的数据传输格式上传中心站，如果此时分站脱离主干网络，将采集到的数据按照“变值变态”原则与时间戳共同存储在板载NandFlash，待通信恢复后再做长传处理。

当环境甲烷传感器的当前实时数据小于预警值、风速风向传感器数据正常，区域内一氧化碳传感器实时值低于预警值时，并且配置区域人员与通过人员定位分站传输过来的人员信息相符，区域内主要设备的运行参数正常，此时不进行风险管控，进行安全生产；当环境参数1 个或多个（可配置）实时数据高于预警值，但低于上限报警值，此时进入异常预警应急管控状态。分站将控制该区域内设备运行速度，同时加快环境参数采集频率，加大供风量，同时立即通知相关人员进行巡检风险排查及设备维护；当环境参数实时数据高于上限报警，此时进入停产不可控应急管控状态。分站将对区域内所有非本质安全设备进行断电闭锁，持续加大供风，同时通过广播系统播报异常状态的甲烷信息如安装地点、当前数据、状态等，控制精准人员定位分站通知相关定位卡进行声光报警、震动提示，启动信息引导系统提示撤离指示以及避险规划路径，并且如果此时网络正常，中心站软件可以根据GIS 地图及相关人员消息确认人员撤离情况，实现避险规划、精准广播，当环境参数传感器恢复正常后，相关闭锁自动解除，应急联动转为安全生产状态。

4 结 语

针对智能矿山建设发展趋势下安全防控方向安全监测类系统井下融合及“人-机-环”应急联动需求，通过研究井下常用监控类系统的业务特点、融合方法与应急联动策略，结合国家能源局、各地煤监局近期下发的智能矿山建设方案中对安全防控建设建议，设计并研发了一款边缘协调管控分站，基于边缘协调管控分站实现智能矿山安全防控多系统井下融合与应急联动。多系统融合方法和应急联动预案有效的解决了限制多系统井下融合的关键问题，不仅实现了业务特点相近系统的传感层设备统一采集、网络传输层的统一传输、逻辑控制层的统一控制，还实现了在脱离主干环网、无主机管控调度条件下，安全监测监控系统、广播系统、信息引导发布系统、精准人员定位管理系统在井下的应急联动，达到了提升了现场作业人员的安全，符合智能矿山趋势下的安全防控系统发展目标与意义。