煤矿双控信息系统设计及应用*

魏其东，喜珩珺，周立林，韩 安，胡 然

(1.华亭煤业集团有限责任公司，甘肃 平凉 744100；2.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；3.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

0 引言

上述学者关于煤矿双控系统建设均取得了一定的成果，但在系统设计中也不同程度地存在2点问题。一是风险管控与隐患排查治理二者孤立、各成体系；二是风险管控手段单一，缺乏风险管控措施落实手段及缺少对各类业务大数据的挖掘分析，难以用于风险预警分析。基于上述问题，笔者提出构建煤矿双控信息系统，以实现对煤矿安全态势的动态分析。

1 系统业务分析

1.1 风险与隐患二者关系分析

风险是伴随危险源而客观存在的，通过对危险源进行全面辨识，对其可能存在的风险进行评估、分级，根据风险等级、专业等条件制定风险管控措施进行风险管控[10]。当风险管控措施落实不到位，管控措施失效后，就会形成隐患，而隐患是导致事故发生的直接原因，其风险值也将上升。当因风险管控措施失效而产生的隐患闭环治理完成后，危险源再次处于受控状态，风险值也随之降至原先受控水平。风险-隐患一体化管控流程如图1所示。

图1 风险-隐患一体化管控流程Fig.1 Risk-hidden danger integrated control flow chart

1.2 业务概述

系统以风险-隐患一体化管控流程为主线，由隐患为核心的安全管理模式前置为以风险为核心的安全管理模式。通过危险源辨识，风险评估，全面识别煤矿中存在的危险源/危害因素，分类分级明确管控责任，制定管控措施，形成风险清单。围绕风险清单将风险管控工作逐级落实，打通从风险辨识、措施落实、风险监视、异常预警及处置的风险业务状态链。基于风险业务状态链，设计出双控系统业务逻辑关系，如图2所示。

图2 双控系统业务架构Fig.2 Business architecture of double control system

2 系统技术架构及主要功能

2.1 系统架构

按照面向服务的架构(SOA架构)+组件的思想进行设计，以模块化方式构建不同的业务应用，通过门户系统实现统一的身份认证管理，采用标准、完整、灵活的“工作流+表单”方式实现业务流程驱动，并通过统一对外接口进行数据共享与分析，实现“业务高内聚，数据松耦合”的软件架构。系统整体架构分为3层，系统整体架构如图3所示，数据层基于基础运行平台能够灵活对数据进行抽取调用；业务层主要是针对风险管控业务需求点设计逻辑结构，形成业务规则，实现对业务的处理分析；展示层用于业务数据处理结果展示，安全管理人员可通过Web端、移动端App进行交互式访问，实现固定+移动的灵活办公方式。

图3 系统整体架构Fig.3 Overall architecture of the system

系统部署设备由地面服务器、井下工业环网、井下无线传输基站、矿用巡检记录仪、无源地址卡等组成。利用物联网、GIS、RFID等技术，实现井下风险检查记录、隐患登记、消息提醒、通知公告等功能，管理人员可以通过PC端或地面APP移动端查看风险检查、隐患排查等信息。系统硬件部署架构如图4所示。

图4 系统部署架构Fig.4 System deployment architecture

2.2 系统主要功能设计

2.2.1 风险-隐患知识库

风险-隐患知识库为双控系统各业务模块正常的运行的基础，其包含风险库、隐患处置库、风险-隐患关联关系库，3个子库。风险库用于存储已辨识出的风险信息与风险管控责任信息。隐患处置库用于存储隐患描述内容、专业、整改措施、整改资金等信息，其内容来源于煤矿规程措施、规章制度等文件[11-12]。风险-隐患关联关系用于存储风险管控管控措施失效后与可能产生隐患之间的关系，根据煤矿安全领域业务专家理论知识及经验整理而来。

ERP整合了企业的生产、成本、采购、库存、销售、运输、财务、人力资源，使财务在制定资金计划时可以根据其销售模块预测经营性资金流入，根据采购、生产和研发模块预测经营性资金流出，根据人力资源模块预测人力成本支出，从而滚动预测资金盈亏情况，以便提前合理安排资金使用计划或资金筹措计划，确保企业正常经营活动所需的资金量。

2.2.2 班组风险管控

班组风险管控模块将煤矿现场实际工作与系统进行有机结合，实现每班班前作业任务安排、风险告知、风险管控落实、风险管控情况反馈、监督的闭环管理工作。班组风险管控模块将风险管控工作延伸到基层班组，有效保障风险管控措施落实。

2.2.3 风险管控措施落实检查

根据风险-隐患一体化管控流程，因隐患由管控措施失效发展而来，故隐患排查实质上是对风险管控措施的检查，故隐患排查也可纳入风险检查。风险检查分为人工检查与自动检查2种模式。人工检查模式可实现从风险检查计划制定、检查执行、风险异常登记、检查记录分析的全过程信息化管理。当检查人发现管控措施异常时，可直接从风险-隐患知识库中根据风险管控措施与隐患之间建立的对应关系，快速查找到符合现场实际描述的隐患，从而解决风险管控措施失效录入隐患不准确的问题。在隐患录入后，系统根据录入隐患标准查找对应隐患，自动提示建议整改措施、整改资金、整改期限和整改预案信息，在落实确认后按照风险-隐患一体化管控流程，系统提示相关责任人完成整改返单、复查、销号各环节。

自动检查是从地点的维度将管控措施与地点下传感器测点建立起逻辑关系，当传感器测点报警时，即说明该条管控措施失效，根据风险-隐患知识库，系统自动录入一条与之关联的隐患信息，进入隐患治理流程。同时以事件的形式将此信息推送给相关责任人。

2.2.4 风险融合监视

该模块将实时监测、视频监控、人工检查、现场管理数据以风险为核心进行融合监视，直观地反映现场风险管控状况。以接入的各类数据作为风险预警指标，通过构建预警模型，对风险态势进行分级预警，并利用GIS等技术，将风险实时评估预警等级展示在二维地图上。当风险出现异常时，系统以安全事件的形式通过PC端、移动端将信息推送给相关责任人员，从而实现风险全天候监视。

2.2.5 风险异常处置

风险异常处置是在发现管控措施失效后、保障风险重新处于受控状态的重要监管手段。当风险异常时，根据风险预警模型，可通过系统追溯到风险异常的原因，相关风险负责人可将通过系统将风险异常处置措施及现场整改情况，通过文字、图像、语音、视频等形式反馈给相关领导。

2.2.6 决策分析

针对风险-隐患一体化管控过程中产生的各类业务数据进行分析。包括风险检查计划执行情况分析、管控措施失效频次分析、重复隐患分析、重大隐患分析等。通过分析，帮助用户找出管控过程中存在的不足，辅助管理者决策。

2.2.7 综合分析应用

煤矿各信息化系统中，彼此独立、各自孤岛，未能被有效利用[13-15]。为反映矿井在安全管理过程中的风险态势，通过集成双控、人员定位、安全监控等系统业务数据，构建风险纵向趋势研判模型。用户通过查看风险态势值，了解全矿风险管控情况，从而辅助管理者决策。

3 风险纵向趋势研判模型

3.1 指标体系

为及时了解矿井生产过程中风险态势，充分利用煤矿大数据，提出构建煤矿风险纵向对比指标体系，见表1。集成双控、安全监测、人员定位等系统数据，建立煤矿风险纵向趋势研判模型。

3.2 风险纵向对比

为反映风险的动态变化、累积性等特征，将连续一段时间内的数据作为一个周期，对各个周期内的风险进行对比，以综合判定风险的当前状态和发展趋势。由于各个周期内的风险需要两两进行对比，不便于实际操作，因此需要构造一个基准参考对象，每个周期内的数据只需与参考对象进行对比即可。具体操作时需首先构造理想指标集，所谓理想指标集是所有指标值都处于最佳位置，即式(1)

(1)

表1 煤矿风险纵向对比指标体系Table 1 Vertical comparison index system of coal mine risk

式中，k为指标个数；m为第m个指标；n为第m个指标的所有取值个数。由于本模型用于煤矿管理人员了解并掌握风险的变化趋势，因此针对各个指标，可人为通过软件执行设置一个最优值集合，系统默认使用最近3年数据的最优值。

然后，构建当前周期矩阵与理想对象的同一度矩阵。当前周期内各指标对象与理想对象中相应指标的相似度构成了同一度矩阵各指标对象与理想对象的相似度按式(2)计算得到

(2)

接着，采用层次分析法确定各指标的权重，各矿根据实际条件可通过软件设置各指标的权重。按式(3)计算当前指标值集与理想指标集的相似度I

(3)

模型综合集成安全监测、人员定位、双控系统的数据，对煤矿风险的变化态势进行分析。西北某矿为低瓦斯矿井，核定产能为400 Mt，设置的最优值集合为S理想={1，800，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0，0，0，1，0}，评定的各指标的权重为W={0.058,0.069,0.073,0.056,0.087,0.046,0.037,0.046,0.047,0.098,0.034,0.035,0.038,0.039,0.082,0.079,0.076}，表2为西北某矿连续6个月的风险态势I值计算结果。

表2 某矿连续6个周期风险纵向对比结果Table 2 Vertical comparison results of risk during six consecutive cycles in a mine

3.3 结果分析

从各指标分析来看，指标瓦斯报警次数X10、风速报警次数X12、有害气体报警次数X13从1月到6月变化较大，且均从3月开始急剧变化。通过实地调查发现，从3月开始，该矿基本完成复工工作，由于之前的停工，造成某些地点有毒有害气体积聚。故从3月复工起要重点关注有毒有害气体相关风险管控。从I值分析来看，该矿风险管控情况最好的为1月和2月，这与企业的停工停产有关。相比之下，风险等级在3月和4月较高，需加强安全管理。到当前周期截止，风险整体表现较为平稳，但是呈现一定程度的下滑，需加强风险管控力度。

4 结论

(1)以风险为核心，建立了风险-隐患知识库，设计了风险-隐患一体化管控流程。打通了风险辨识、措施落实、风险监视、异常分析及预警的风险业务状态链，在对标的基础上，丰富了煤矿风险管控手段，帮助管理人员动态掌握风险管控、隐患排查工作开展情况。

(2)结合双控系统数据、安全监测数据、人员定位数据、自动化生产过程数据等，基于过程数据，建立了煤矿风险纵向趋势研判模型，并将模型应用在实际案例中。实践表明，该模型对于提高企业安全管理水平及工作效率具有重要意义。