露天矿山移动式炸药混装车云监控系统

彭华志 陈 飞

（1.霍邱县应急管理局；2.马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

混装车是具备原料运输、炸药混制、炮孔填装的机电一体化设备［1］，其本身属于F1 类重大风险源，即正常运转时可能形成爆炸危险的炸药危险场所。国内外曾多次发生爆炸事故，如1998 年华登科散装炸药混装车发生火灾与连续爆炸事故；2006 年利桑那露天铜矿散装炸药混装车火灾爆炸事故；2013 年江西铅山县永平铜矿采矿场混装车发生爆炸事故，每一起事故都造成了大量的人员与经济损失。混装车一般为独立封闭系统［2］，除操作人员外，几乎不会有其他人员接触，缺少相关安全部门监管，且事故往往具有随机性，没有有效的侦测手段，这导致其安全性得不到保障。随着国家与行业政策对重大风险源日益重视，混装车装备智能化监控是未来发展的趋势。现阶段，基于无线物联网的混装车的云监控系统是一个很好的解决方案，通过借助边缘云与政务云部署，满足监控数据与视频的安全性，实现实时监控预警，符合单点工作的混装车工况特点。

1 云监控系统功能设计

云监控系统功能主要满足炸药混装车日常生产的本质安全监测的需要，以便提前预警潜在风险，约束不安全行为，提高安全生产标准。根据炸药混装车的特点［3］，设计系统功能包括控制系统监测、影像视频监测与安全操作数据监测3个方面内容，能够较为全面地对混装车的安全状态进行监测（图1）。

（1）控制系统监测涉及2 类常见的安全控制问题，一是输药管堵塞造成炸药挤压发生爆炸危险，需重点监测管道压力；另一种是机械无负荷运转，如螺杆泵空转、乳化器干磨等，机械摩擦产生热量，形成热点引发爆炸，需重点监测设备震动与温度等，当监测数据大于预警阈值时，车辆系统产生声光报警，监控系统管理人员应启动预警案机制，从而消除作业风险，阻止事故发生。

（2）视频监控主要分布在控制室与混装车周边，具有红外测温预警功能，当探测区域局部温度过高，如产生火苗情况等，则触发应急消防报警。此外，视频监控设定安全区域人员侦测，工作时对无关人员靠近语音告警，杜绝潜在人员流动风险。

（3）安全操作数据监控将日常安全管理规范化，包括是否穿静电服、有无打火机、有无消防安全隐患等，纳入每天设备启动前检查项目，操作人员一一确认后通过触摸屏勾选，并保存数据，实现安全生产责任制。功能组成如图1所示。

2 云监控系统架构组成

系统架构为系统建设基础，决定系统集成技术组成。监控系统最常用的为经典物联网架构，即由感知层、网络层与应用层组成的3层结构。随着云服务的引入，为了符合其技术特点与建设需要，本云监控系统对基于经典物联网架构进行了改进，形成了包括边缘计算层、网络层、政务云层、应用层的4层架构［4］。

边缘计算层作为底层数据的汇集区，不仅具备感知层通过网络对数据的采集，更重要的是对数据进行清洗、整理与关联。在本系统中，边缘计算层包含前置服务器与网络硬盘录像机，感知范围包括系统关键设备参数、视频与安全操作信息等，通过对数据流筛查与分流，不仅能够将系统检测数据上传与短期存储，还能够优先将系统风险感知关联数据快速接入政务云，供监控系统做深层次的数据应用，为用户决策判断提供依据。

网络层主要实现数据与视频影像信息的安全、快速与保真传送。由于混装车一般为露天工作，很难使用有线传输方式。无线4G 专网是个很好的选择，其网速最高可达到100 Mbps，且基本实现境内数据全覆盖，不仅可以保证监控系统实时性，而且对视频与数据带宽分配后，满足2种数据类型传输且互不干扰。

政务云与普通商业云服务原理相同，只是由于炸药混装车数据管制车辆，需要放在政务云上保证其数据安全。在监控系统中，政务云主要作为数据与视频的存储空间与运行应用系统软件，不仅可以满足海量数据存储，而且由于应用软件配置在云服务器上，其运行更加稳定，响应速度也更快。

应用层即根据系统功能架构设计的监控系统软件平台，主要的功能是实时监测混装车炸药运维安全，对预警信息快速指挥调度，对发生事故的车辆联动救援，将安全风险降到最低。云监控系统拓扑图如图2所示。

3 系统关键技术

3.1 数据采集技术

炸药混装车数据采集为典型的C/S 结构，即服务器—客户机的2 层结构，在这种结构中，服务器对应混装车操作系统客户端主机，能够实现混装工艺全过程控制，具备关键设备参数的实时检测、报警与矫正等比较完整的数据源，具备数据系统外部服务管理的功能。客户机对应监控系统主机，主要实现混装车的安全监控与用户信息交互。

C/S 结构的建立，最重要的是建立数据信道，决定着采集系统的整体性能。在工程上，常见的混装车的数据信道有2种，一种是面向工控软件系统自带的后端数据接口OPC 进行读取，主要原理是通过OPC 的sever 与client通道进行数据传输，继而通过标准开放数据库ODBC对数据进行互连存储，最后汇集到云服务器。其特点在于配置使用方便，二次开发成本低，但由于数据通讯过程涉及软件接口较多，导致实时性略有延迟。另外一种则是面向PLC-DB 直接读取数据，即通过控制器的DB 块通讯，建立数据流通道，存入时序数据库，在接入云服务器。其特点在于现场采集工作简单，数据可靠且可维护性强，但开发成本略高。图3为2种采集方式结构原理。

炸药混装车安全响应时间短，事故危害性大，野外作业环境恶劣，应采用独立可靠的采集方式。相比之下，基于PLC-DB 采集方式则更加适合炸药混装车监控系统数据采集需求。

3.2 云服务技术

云服务技术是通过将系统中的软硬件与网络等资源整合起来，实现数据的计算、存储、处理和共享的一种托管技术，以其便捷性、安全性与可靠性而广泛应用。本监控系统采用边缘云—政务云的服务架构，边缘云是实时性与针对性监控服务的关键，通过将数据与视频信息汇聚在边缘云，同时通过数据库技术对监控信息分类标识，对敏感性数据分层，同时支撑现场报警服务，最后通过时序数据库将监控数据对接政务云。政务云可以实现存储与应用软件统一部署，减少硬件配置与日常运维工作，提高系统整体运行速度，最大程度保证数据安全。

3.3 监控预警技术

炸药混装车安全防范等级高，快速的预警与及时的应对措施可以最大程度上减少事故的发生。传统的安全监管主要依靠车辆工作人员的观察判断，受到很多限制，在实际工作中难以全方位的顾及到各类风险。本系统采用2级监控预警技术，即将同一车辆面向2 个层级监管人员，实现多角度、多频次与多人员的监控方式。一级监控来源于现场管理，工作人员可以通过边缘服务器及时感知预警风险，即将未知风险转变成预知风险，从而对报警信息快速做出反应。第二级为远程云监控，接入矿山调度总控平台，工作人员发生预警信息后，可以第一时间了解情况，调度人员解决风险问题。2 级监控预警对于日常隐患风险发现、应急指挥调度具有重要作用。

4 系统应用实践

随着民爆行业“工业互联网+安全生产”的推进，炸药混装车云监控系统的建设也得到了越来越多的关注。本系统在BCHR-15型号的乳化炸药混装车上进行了改造建设，这款混装乳化炸药车采用DCS 系统集中控制技术，全智能化的计算机控制系统，具备基质泵送、敏化、装填于一体，主要应用在矿山爆破装药机械作业。改造涉及以下内容。

（1）对混装车动力输出系统、基质料仓及输送系统、敏化系统、液压控制系统、电气控制系统、连续装填系统、水气冲洗系统的关键数据基于PLC-DB 方式进行数据采集。

（2）配置感知摄像头、相关传感器与服务器，对相关采集数据进行过滤、清洗与定义，建立各系统风险关联向量集与参数阈，建立边缘云服务。

（3）安装4G无线模块，搭建无线传输网络。

（4）实现政务云存储与应用配置，开发监控软件功能，并通过数据接口对接中控监控平台。

系统上线后，在某爆破现场运行3 个月，不仅带动相关工作人员也积极参与系统风险研究与改进，推动系统不断完善调整，而且很大程度上提高工作人员安全隐患防护意识，受到车辆归属管理单位与爆破矿区的欢迎。

5 结 论

（1）从控制系统监测、影像视频监测与安全操作数据监测3个方面对混装车易发风险进行了分析，提炼了系统关键监控参数，设计出监控系统功能结构，为监控应用软件开发奠定了基础。

（2）基于经典物联网架构进行了改进，形成了包括边缘计算层、网络层、政务云层、应用层的4层架构的云监控系统，更加适应混装车的作业特点，对于系统方案建设与实施具有重要意义。

（3）讨论了面向 OPC 与 PLC-DB 的 2 种数据采集结构的优劣，确定了后者为更好的解决方案；提出构建边缘云—政务云的云服务结构，让监控系统更加智能；提出2 级监控系统的应用，有利于安全监管机制的协同化、多样化与责任化。