智能矿山多元监控信息融合与联动研究

贺耀宜，高文，杨耀，荆诚，朱沙沙，陈醒

（1. 中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

0 引言

国家煤矿安全监察局制定的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》（煤安监函〔2016〕5 号）对安全监控系统多系统融合提出了明确要求：促进安全监控多元数据融合和信息共享，实现紧急情况下的应急联动，提高煤矿安全预警、预报水平[1]。2020 年2 月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》也提出要形成具有全面感知、实时互联、自主学习、协同控制、动态预测能力的一体化、智能化安全生产过程系统[2]。目前，国内几乎所有大型煤矿都装备了较完善的安全生产相关自动化监控系统，对于提升煤矿安全预警水平、提高生产效率发挥了巨大作用。随着煤矿智能化建设不断推进，现有自动化监控系统的缺陷逐步体现出来：① 自动化监控系统类型多，技术路线不统一，且各系统软件相对独立，数据之间没有关联，未实现真正意义上的数据融合与共享。② 近年来陆续建设的矿井综合自动化系统和数字矿山系统试图从应用层面解决数据融合与联动问题，但系统维护复杂度高，在实际生产中难以实施。

针对上述问题，众多学者开展了研究。文献[3]以GIS“一张图”平台为基础，集成生产过程自动化类系统、安全监测监控类系统、辅助生产类系统及业务管理信息化系统等数据，并对接入数据赋予位置属性，依据位置属性对各系统业务数据进行融合与分析。文献[4]通过在地面建立程控调度平台、会话初始协议（Session Initialization Protocol，SIP）服务平台和自动应答平台，实现程控电话、小灵通、扩音电 话、 基 于IP 的 语 音 传 输（Voice over Internet Protocol，VoIP）系统的地面融合，并与安全监控系统、人员定位系统联动。文献[5-6]设计了具有多种通信和传感器接口的综合性融合分站，实现了多系统现场设备的综合数据采集，以及多业务系统在局部区域或跨区域的分站级融合及联动控制。文献[7-8]从煤矿大数据平台架构及数据处理方面剖析了煤矿大数据分析关键技术。文献[9]提出了一种适用于不同底层链路协议的数据交互方法。

从现有研究看，目前主要通过在煤矿井下建立融合分站来解决生产现场数据融合与联动，或在地面建立具有数据融合功能的平台，通过对集成数据进行翻译并建立联动模型来实现现场数据融合与联动，均未形成全矿井从底层感知到地面融合的统一大融合方案，难以通过一套软件实现对井下不同监控数据的融合与联动控制。本文从煤矿安全监控系统多系统融合和煤矿智能化建设要求出发，针对智能矿山多元监控信息融合与联动问题，提出从现场传感设备到边缘融合分站，再到地面融合平台的一体化解决方案，并研发可支持井下人、机、环等监控数据感知→传输→地面集成融合的开放式综合管控平台，实现了矿山多元监控信息融合和现场智能装置协同联动控制功能，还可为大数据分析应用提供分类主题数据服务。

1 矿山多元监控信息融合拟解决的关键问题

（1） 人、机、环等监控数据一体化采集与融合。目前，煤矿自动化监控系统大多为单一类型监控系统，如安全监控系统、人员定位系统、煤流运输控制系统、智能通风系统等。各系统上位机监控软件之间相互独立。矿井综合自动化系统和数字矿山系统主要通过在应用层建立第三方数据通信协议，将数据从各自动化监控系统的上位机传至综合平台。由于不同系统数据在时间、位置和命名规则上不统一，数据之间无法产生关联，需由综合平台对大量数据进行二次翻译。目前，煤炭行业尚未建设有效的自动化监控系统数据一体化采集与融合方案。

（2） 煤矿安全监测监控类数据高效一致性共享。在煤矿智能化建设过程中，陆续建设了各类信息集成融合系统，如综合信息化系统、安全综合预警系统、大数据分析系统等[10]。建设该类系统需获取多种类型数据。目前，大多数煤矿安全监测监控类系统的数据共享程度较低，一般是各系统根据数据需求方的要求提取自身数据进行转换，或通过开放数据库、开放式OPC 协议等共享数据。采用数据转换方式时会产生数据延时，且增加数据提供方的工作量，特别是有多种数据需求时；采用开放数据库或OPC 协议时，由于数据未经过分类处理，需由数据使用者从中筛选，效率较低。

（3） 煤矿自动化监控系统的低代码快速二次开发。目前，煤矿安全监测监控类系统软件大多为各厂家自主研发，因各厂家研发人员水平不一，易造成低水平重复开发现象；过程控制类系统软件大多为工业组态软件，主要用于现场设备不频繁变更的场景，无法适应煤矿安全监测监控类系统中传感设备频繁更换的情况，同时难以实现移动目标监控功能。因此，研发一款适用于煤矿多元数据监控的煤炭行业实时工业组态软件尤为重要。

（4） 矿山设备对象全生命周期一体化监管。目前，煤矿自动化监控系统以监测设备的单一工况或矿井某点的环境参数为主，未实现对设备整体对象信息和矿井作业地点环境参数的全面监管，无法满足大数据分析或设备健康状况判断需求。在煤矿智能化建设背景下，需对设备对象全生命周期的运行工况、固有信息、日常维护记录等进行一体化监管，才能实现更科学的决策。

2 智能矿山多元监控信息融合与联动方案总体架构

随着煤矿智能化建设不断推进，煤矿作业现场环境与生产工况监测传感设备数量大幅增加，产生了大量实时监测数据；井下作业人员和移动车辆配备精确定位模块，产生了大量轨迹数据；作业现场执行/控制装置和交通信号灯对控制的实时性要求也大幅提高。为保证数据采集与处理、控制的时效性，在井下装备具有数据融合与联动控制功能的边缘融合分站。同时，在地面建立多元监控信息开放式综合管控平台，通过对井下边缘融合分站或独立分站进行集中管控，实现对全矿井作业现场各类环境参数、人员/车辆位置与运动轨迹、生产设备运行工况、监控设备位置、应急广播、监控视频等信息的分布式集中监控，并对跨区域关联设备进行联动控制。由此构建的智能矿山多元监控信息融合与联动方案总体架构如图1 所示。

井下作业现场的PLC、智能传感设备、位置服务装置采集数据可就近接入边缘融合分站。边缘融合分站具有多种类型接口，支持多种类型煤矿标准协议，按规则对多元监控信息进行分级处理。对可能产生的联动控制，边缘融合分站直接驱动现场执行/控制装置或通过IP 语音扩播装置联动语音提醒；对于无法就近接入边缘融合分站的现场数据采集设备，可按照传统方式将信息汇集至子系统上位机，再与边缘融合分站同步将信息通过工业网络传输至地面监控中心。地面监控中心基于私有云计算资源配置形成可弹性扩展的计算资源，满足全矿井各类数据采集与处理需求，同时配置具有多元监控信息融合能力的开放式综合管控平台。

3 煤矿井下数据融合与联动控制

在智能矿山多元监控信息融合与联动方案中，为保证地面综合管控平台故障情况下，井下智能传感设备和执行/控制装置能够协同高效运行，并快速执行现场控制指令，设计了边缘融合分站，其可通过现场总线接入人员/车辆精确位置信息、环境参数和设备状态信息，如图2 所示。作为区域综合监控装置，边缘融合分站配置基于轻量级嵌入式实时操作系统的管控平台，并为各类传感设备提供相对独立的数据采集传输通道。管控平台具有多任务执行能力，包括多线程传感数据采集与数据分类处理任务、区域监测数据融合任务、逻辑控制指令执行任务等。

图 1 智能矿山多元监控信息融合与联动方案总体架构Fig. 1 Architecture of multi monitoring information fusion and linkage control scheme for intelligent mine

图 2 井下数据融合与联动控制Fig. 2 Underground data fusion and linkage control

所有监控对象均定义了唯一标志码，在井下边缘融合分站管控平台和地面开放式综合管控平台中共享，以保证矿井监控对象的唯一性[11]。地面开放式综合管控平台制定多元监控数据融合与联动控制规则，并下发至边缘融合分站管控平台，由边缘融合分站执行所辖区域的人、机、环多元信息综合监测与联动控制。在IP 语音扩播装置中提前存放必要的预案，边缘融合分站可根据联动控制规则驱动相应的预案进行适时播报。

4 地面多元监控信息融合

地面多元监控信息通过开放式综合管控平台融合。平台设计过程中，将各类自动化监控系统的功能和数据处理逻辑进行解耦，拆分成粒度较小的模块，确保通过模块之间的组合可形成较完整的软件；通过对公共技术架构、基础支撑技术、关键数据结构/数据库、业务处理逻辑等共性特征进行梳理，形成可拆、可组合的公用模块单元，通过矿山虚拟总线实现各监控数据交互、融合。建立统一的技术体系、统一的技术架构和数据处理机制，基于矿山对象信息模型实现信息深度融合，是构建开放式综合管控平台的关键。

4.1 统一技术体系

技术体系主要涉及技术栈、煤矿主数据与数据编码[12]、关键数据结构、权限管理、前后端分离的开发模式、数据存储技术与机制、各层级之间数据交互规范、适用于煤矿监控的数据容错机制、数据发布与服务机制等。建立统一的技术体系可确保在同一软件平台下实现多元监控数据与业务的高效有机融合，其主要涉及以下4 个方面。

（1） 建立煤矿主数据和编码标志。对煤矿各类监控系统需要共享、复用的核心数据，如用户权限、设备安装地点、组织机构、人员信息、感知信息、班次设置等进行统一构建及统一编码，以服务的方式提供给相关业务，确保同类数据在所有业务系统中的一致性描述。

（2） 内嵌煤矿各类监控业务处理规则。煤矿井下监控目标中，人、车辆为移动目标；生产过程控制与环境安全监控设备为固定对象，监控数据属于离散类；移动巡检设备为与位置相关的环境安全监控对象，监控数据与时间、位置相关。3 种监控对象数据均有不同的处理规则。作为煤矿多元监控信息融合平台，开放式综合管控平台内嵌涵盖各类监控系统业务的处理规则，可有效适应一平台多业务融合需求。

（3） 构建煤矿数据中台。数据中台用来整合分散在不同“信息孤岛”上的数据，便于快速形成数据服务能力，以适应前端业务变化。煤矿作业现场采集数据量大，以往均由使用者从中筛选所需数据进行应用，效率较低。煤矿数据中台可按照煤矿业务管理或主题数据分析需求，提前对数据（包括实时数据和历史数据）进行抽取、组合，并对数据进行计算逻辑封装， 生成应用程序接口（Application Programming Interface，API），形成主题类数据服务，从而以数据服务驱动煤矿融合业务。

（4） 构建煤矿虚拟软总线。开放式综合管控平台采用面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA）的微服务体系，将任务粒度细化，形成不同业务主题数据提供者。若数据消费者（多元数据融合服务）所需数据量大，则需与每个主题数据提供者通信。为了提高数据交互效率，构建了煤矿虚拟软总线。其可将主题数据提供者作为服务进行注册，且具有命名、寻址、监控管理能力，使得数据消费者通过虚拟软总线查找所需数据提供者并获取数据，同时可将联动控制指令传递给主题数据提供者，提高了多元监控信息融合与联动效率。

4.2 统一技术架构和数据处理机制

对数据采集、处理、存储、发布、应用等环节，以及各环节之间的数据交互、关键数据结构进行统一设计，以挂接通信协议驱动的方式建立数据感知与采集层、数据处理与存储层、数据发布层、数据融合应用层[13-15]，如图3 所示。

数据感知与采集层主要与边缘融合分站或独立分站、PLC、智能仪表、机器人等现场设备通信，负责采集现场各类人、机、环感知信息，并向现场执行/控制装置发送控制命令。由于煤矿井下数据采集设备分别由不同厂家提供，通信协议不统一，可由厂家开放通信协议或将协议封装为驱动，按照自动化监控系统类型输出统一的数据格式，数据感知与采集层即可通过动态挂接协议驱动方式实现对不同系统的数据采集。该层还支持OPC UA、Modbus TCP 等开放式协议。为了保证通信实时性，采用多线程技术对每类协议驱动进行管理。所有采集数据按照不同类型分别存放至规范化公共基础数据结构，并进行分类标志，便于数据处理。

数据处理与存储层按照环境安全监控、移动目标监控、生产过程控制的不同业务建立相应的处理规则，对公共基础数据结构中的原始数据进行分类处理，形成业务应用所需的规范化数据，将处理后形成的模拟/开关量数据、移动目标位置数据存放至对应数据服务区，并进行分类标志。该层还将通过融合业务规则处理形成的故障、报警类数据存放至故障/报警数据服务区，控制指令存放至控制指令区，并将接收到的由地面监控中心人工发送的控制指令按优先级存放至控制指令区。考虑成本控制，选用MySQL、InfluxDB 等数据库，利用多线程技术和定量分库规则提高数据存储效率。为了避免因断电造成数据不完整，采用Redis 实时数据管理技术进行持久化处理。

数据发布层主要为数据融合应用提供数据源，待发布数据来自数据处理与存储层。由于数据种类多、数量大，需进行分主题组织后发布。该层通过构建开放性数据中台，建立数据共享服务机制，形成专题数据集；通过创建矿山主数据，使矿山各类数据之间产生关联，对各类数据进行深层次有机融合；通过虚拟软总线承载矿山高速实时数据流，并提供数据发布与订阅功能。

数据融合应用层主要提供人机交互功能。平台数据已按照主题通过矿山虚拟软总线进行发布，当第三方需要数据时，只需查询订阅所需数据即可快速获取。采用获取的数据可开发适用于不同场景应用的工业APP，建立以矢量化图形、二三维GIS、数据表单为展示方式的人机交互模式，满足不同岗位人员管理需求[16]。另外，该层还提供对象建模、数据融合与联动控制等功能，满足设备对象数据深度融合需求。

图 3 地面多元监控信息融合统一技术架构Fig. 3 Unitfied technique architecture of multi monitoring information fusion on the ground

4.3 基于矿山对象信息模型的信息深度融合

智能矿山需全面感知、实时互联，实现矿山对象信息透明化。矿山对象信息有的来自传感设备自动采集，有的来自人工采集，需将其融合才能全面反映矿山对象实质。每个矿山对象均有唯一标志码[9]，矿山设备、作业区域等都可作为具有唯一标志的矿山对象。当对象为设备时，其运行状态可通过传感设备获取，设备固有信息及维护记录等通过人工录入或设备管理信息系统获取；当对象为作业区域时，以采煤工作面为例，其信息涉及环境参数、采煤机与液压支架运行状态和位置、巡检人员位置、工作面地质情况等，环境参数、装备运行状态和位置、巡检人员位置可通过传感设备获取，装备固有信息、运维记录、工作面地质情况等通过管理信息系统获取。

通过内置矿山对象自动生成机制，建立带有自定义标签属性、空间位置属性的矿山对象信息模型，融合对象在管理信息系统中的信息，在采掘过程中动态生成矿山对象动静态信息，为实现矿山采掘过程透明化提供数据支撑。

5 智能矿山多元监控信息融合与联动应用

智能矿山多元监控信息融合与联动方案具有煤炭行业自动化监控系统实时在线组态能力，实现了煤矿人、机、环监控类系统共性技术功能复用。基于该方案，可快速开发安全监控系统/过程控制系统等独立软件平台、一体化安全生产综合监测与控制平台、智能矿山综合管控平台。

（1） 基于智能矿山多元监控信息融合与联动方案的安全监控系统/过程控制系统等独立软件平台开发。智能矿山多元监控信息融合与联动方案内嵌煤矿专业通信驱动协议集（也可挂接非标驱动协议）和人、机、环等监控系统的业务处理规则、数据存取管理机制，满足矿山安全监控系统、人员定位系统、车辆位置跟踪系统、生产过程控制系统的快速开发与应用需求。

基于该方案开发的移动目标监控系统如图4 所示。由于开放式综合管控平台内置人员定位、辅助运输车辆等移动目标监控的业务处理规则、数据存储服务、数据发布服务、智能报表、二三维GIS 组件等，所以只需挂接不同厂家的驱动协议即可快速形成移动目标监控系统，并快速开发定制功能。

图 4 基于智能矿山多元监控信息融合与联动方案开发的移动目标监控系统Fig. 4 Mobile target monitoring system based on multi monitoring information fusion and linkage control scheme for intelligent mine

（2） 基于智能矿山多元监控信息融合与联动方案的一体化安全生产综合监测与控制平台开发。通过内嵌的煤矿专业通信驱动协议集，实现对矿山自动化监控系统，如安全监控系统、人员定位系统、车辆位置跟踪系统、生产过程控制系统等的统一数据采集、处理、计算与存储，并基于统一时间和坐标体系，实现数据融合监测、分级预警与远程联动控制，满足矿山安全生产综合监测监控应用需求。

基于该方案开发的采煤工作面安全综合预警系统如图5 所示，其融合了工作面信息、采煤机运行状态、顶板压力、有害气体、火灾和水害信息、作业人员位置信息等，实现了采煤工作面安全综合预警。

图 5 基于智能矿山多元监控信息融合与联动方案开发的采煤工作面安全综合预警系统Fig. 5 Integrated safety alarming system for mining face based on multi monitoring information fusion andlinkage control scheme for intelligent mine

（3） 基于智能矿山多元监控信息融合与联动方案的智能矿山综合管控平台开发。通过统一主数据、数据治理与管理组件，集成融合矿山各类自动化监控系统数据，构建煤炭工业大数据管理中心，内置消息组件、任务调度、事件驱动、工作流驱动、二三维GIS 等业务组件，形成具有全面感知、实时互联、在线分析、联动控制、精准运维的智能矿山综合管控平台，保障矿山安全生产高效运行。

6 结论

（1） 为实现智能矿山多元监控信息融合，需解决人、机、环等监控数据一体化采集与融合，安全监测监控类数据高效一致性共享，自动化监控系统的低代码快速二次开发，以及矿山设备对象全生命周期一体化监管等问题。

（2） 在提出的智能矿山多元监控信息融合与联动方案中，井下信息融合与联动控制以边缘融合分站为核心，对所有监控对象定义唯一标志码，实现井下人、机、环多元信息的综合监测与联动控制；地面多元监控信息融合以开放式综合管控平台为核心，内嵌多种煤炭行业通信驱动协议集，以多协议驱动挂接方式对煤矿现场各类传感设备进行数据采集和分类处理，同时配备独立低延时的控制指令下发机制，通过矿山主数据、虚拟总线等技术实现煤矿多元监控信息融合与联动控制。

（3） 智能矿山多元监控信息融合与联动方案包括煤矿监测、控制、位置服务、二三维GIS、工作流引擎等基本功能组件，融合了煤矿各类自动化监控系统的共性基础支撑技术。基于该方案可快速开发环境安全监控类、移动目标定位类、煤流运输控制类等自动化监控系统的独立软件平台，一体化安全生产综合监测与控制平台，智能矿山综合管控平台，形成行业级的实时工业组态软件。