智慧矿山多系统井下融合与应急联动安全防控技术探析

邓巧平

（中鼎国际建设集团江西矿山隧道建设有限责任公司，江西南昌330096）

目前，国内各大煤矿都建立了监控系统、人员定位系统、通讯系统，用来保障煤矿的安全生产和工作人员的生命安全，但是这些系统大多独立运行，而且每个系统的传感器和安全装置都是有限的，因此不能进行大规模的数据采集。各个监测类型的系统，尽管应用的场境有着较大的差异，但是在结构上基本一致，以燃气、水、火、顶板、粉尘等常见的煤矿灾害为例，在矿井中，一般采用“传感器采集—数据集成传输—应用逻辑控制”的结构，一些传感器设备在技术指标上有类似的需求，但是当前各个传感器设备无法共用，数据共享困难[1]。另外，矿井的开采深度和强度也在持续增加，灾害的发生也从单一的灾害类型逐渐演变为多灾种的藕合，使应急响应和避险规划变得更加困难。

目前，全国主要煤矿的安全监控系统、人员管理系统、广播系统电力供应等系统已经在中心站层面上实现了初步融合，但矿井内环境复杂，感知单元会因为人员、环境和设备状态的频繁变动而产生海量的数据，导致数据从采集单元发送到数据平台所需要的时间大大延长，再加上技术、网络等不可预测的原因，会造成短时间内数据大量的集中，造成中央站的卡顿或停机，导致应急响应的时间推后。为了解决这一问题，本文以边界协同控制为研究对象，设计和研制了一种基于边界协同控制的分站，实现了智能矿山安全管理的多系统集成与应急联动。

1 多系统井下融合必要性

由于矿井内各种监控设备的不断更新和广泛应用，使得矿井的自动化和信息化程度得到了提高。但是，在设计各种监控系统的时候，“智能矿山”的概念和建设目的都不清楚，各个系统的行标也是彼此独立的，因此，各个系统都没有从总体上来考虑，由于只针对某一具体的应用，导致在同一个矿井甚至在一个采场中反复地使用相同或相近的装备，从而导致了矿山的安全和生产过程的管理日趋复杂。经过对当前煤矿使用的监控设备进行现场调查发现，主要存在以下几种问题：

（1）传感层设备之间由于通讯协议之间具有差异，影响了数据在不同设备之间的传递和共享，存在着指令不能响应的危险。由于各个系统彼此独立，在传感设备的边缘层使用了不同的通讯协议，使得多个系统的兼容性下降，多个系统的融合度很低，不能进行统一的采集、传输、控制和供电。另外，目前大多数的监测系统都是以井下中心平台为基础，根据各个系统的安全评分标准，或者采用现有的评估方法，建立一个基于矿井安全评估的数学模型。根据相关作业区域的环境指标，估算出工作区当前的安全等级，并给出相应的安全反应措施，这种方法的优势是不需要进行太多的边界运算，它仅依赖于一台高性能的计算机进行运算和决策，具有很好的结构，但是它的缺点是运行周期太长，并且在网络层或者中心站点的平台发生故障的时候，不能确保完成所需执行的指令。

（2）大量投入功能类似的设备，造成系统功耗增加。目前，各煤矿的监控类型都是完全独立的，各监控层次的设备因协议和传输格式的不统一，导致各设备只能在现有的系统中独立运行，不能够实现参数在不用设备系统中的共享。比如，在同一工作区，一氧化碳、烟雾、温度传感器的技术指标完全能够消防监测的需要，但由于不能实现数据共享，所以不仅要重新安装同样的传感器，还要将电缆、供电设施等必要的设备重复配置，这样不仅会增加建设成本，还会加大维修费用，提高系统的使用难度。另外，目前在矿井中设置的各个监控点并没有“去重”，而是直接进行了融合，结果表明，如果不按照规定进行数据的加工，很容易造成能耗难以降低，造成融合后的能耗增加。另外，现有的监测分站的设计多以实现某一系统的功能为主，并未考虑到大量的运算量，而是采用了低功耗、低成本、保量的主控制器。在现有的多个站点中，因为其计算能力的欠缺，对多个系统进行融合时，无法完成大量的边缘运算，数据的收集和处理的数据量太大，对系统实时性有很大的影响。

（3）多个系统只在井上融合，对主干环网的依赖性较高，不能独立运行。针对系统的数据利用特性和业务关联性，建立了一个基于监控、人员定位、广播等系统的系统，并结合相应的辅助系统，例如：引导、发布、供电系统等，建立了矿井“人—机—环”协同管控应急联动预案。由于当时技术和产品规范的限制，需要将有关的设备集成到井上中心站的平台，目前大多数矿井设备生产厂家、科研院所已经实现了这一目标，但在实际应用过程中，其缺点也随之显现出来。在井上融合中，每个系统都占据了各自的数据链路层，数据在各个系统中独立使用，共享难度大，不能在井下实时获得对方监测数据和状态。此外，在与主干网分离后，一旦发生异常，原有的应急反应方案将会失效，使其不能独立工作，由点式管理向面式管理转变实现困难。

因此，在智能化矿井建设的发展趋势下，必须要进一步完善煤矿安全监测体系中的“人—机—环”的综合管理模式。在矿井智能化的矿井安全控制中，实现了多个系统的集成和应急联动。

2 基于边缘协调管控技术的多系统融合与应急联动

针对目前矿井监测与整合后的矿井监测与集成的主要问题，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向边缘子站延伸。这种方式不仅可以在网络的边缘处理各种应用程序和各种数据，而且还可以实现分站和数据中心间进行数据流与控制信息的双向流通，从而可以降低网络压力，加快信息处理速度，提高分析和判断能力，从而达到对“云”、“边”和“端”等多种负荷的配合优化。

2.1 边缘协调管控分站技术

为了保障系统高效、稳定运行，需要设计一种计算能力强、具有多路线场总线、多种通讯协议的边缘协调管控分站，该分站既能够实现数据采集和边缘计算，还能够实现安全监测。依托多种现场总线，实现对系统中设备的信息采集，将避险信息及时发布到引导屏上，并利用该系统实时、精确地播出各监控站的警报状况。利用以太网对控制标识进行预警，并对其它地区的数据进行采集，从而达到不同地区的数据融合，基于工业总线和各种数据的数据采集与控制输出标准的界面，可以收集不同系统的数据，实现了数据的规范化和标准化，能够实现系统功能的全部实现，信息采集和信息处理模块实现分离，数据可以长期存储，确保数据完整性。图1显示了边界协同控制子系统的硬件结构。

图1 边缘协调管控分站硬件架构图

所述分站包括处理单元、有线通信单元、无线通信单元、数据存储器和人机交互部分。以STM32MP157为主要控制器，计算能力高，接口丰富，主要用于数据计算和逻辑运算；有线通信系统由RS485 总线和CAN总线组成，它们的功能是对总线进行数据采集，并与导航系统进行通信，以太网络的功能是与中心站、人员定位管理系统和广播系统之间进行信息的交流的渠道；无线系统包括4G 模组、Lora 无线模块，用于分站和4G网络的通讯以及Lora 无线传感器的数据采集；该数据储存设备是一个单独的存储单元，用以储存必要数据及系统的配置信息，并能在网路中断时储存数据及状态信息，在网络再连接时，根据具体的运算法则进行数据传送，人机交互系统的组成为红外遥控装置和显示器，确保重要的状态信息显示。该系统采用红外遥控器和5寸彩色屏幕，以完成必要的信息输入接口。

在软件方面，分站要进行大量的数据运算，并给出合理的逻辑控制命令，并与定位站、广播站、中心站进行通信，对报文进行及时的处理。分站中包括两个核心模块，数据采集模块和数据计算模块，ARM内核的功能是数据计算，该模块开发的基础是Linux 操作系统，M4 内核功能是数据采集，该模块开发的基础是freertos。分站中的大量任务以多进程的方式完成，在此过程中，大量的数据通过共享内存的方式在设备间时间交互，各个处理间通过socket 来传递共享内存key，在进程中采用多线程的开发，通过消息队列进行数据传输，采用信号量等技术实现线程同步。为了提升分站系统功能升级的便捷性，还需要给分站添加远程升级模块。图2显示了边界协调控制分站的数据处理软件的结构。

图2 边缘协调管控分站数据处理软件结构图

2.2 多系统融合技术

通过RS485 和CAN 等常用的总线接口，通过统一的传输协议和数据传送格式，能够对各种传感层设备进行统一的采集，并在数据链路上进行统一的数据传送。应用层采用统一的逻辑控制，数据采集准确、稳定，控制指令稳定可靠、传输数据格式正确、各设备间配合密切，响应迅速。

边界协同控制分站采用一般的现场总线将各系统的传感器连接起来，但在进行连接之前，必须对各个感应器进行统一的编码，传感器可以利用该晶片自身的UID 来实现对每个器件的独特标识，利用该唯一ID 为主要关键标识，对各传感层装置进行统一的识别，确保各传感层的设备信息能够由各边界分站进行统一的采集，由于各分站的数据传送格式是一致的，因此各传感器装置都能被其它的系统所辨识。该系统能够按照需要进行数据识别和使用，达到数据统一传输、数据共享的目的，同时也可以减少系统的重复投资，从而降低系统的总体能耗。多个体系整合的原理框图见图3。

图3 多系统融合框图

边缘设备是本区域唯一的数据融合装置，它为各个系统提供了数据采集、传输通道和业务逻辑处理，并对各个系统的控制命令进行响应。该分站既能对各个系统进行原始数据的采集，又能利用各个系统的控制命令，在业务层上建立一个统一的界面，并按照从地面中心传来的逻辑指令，把融合后的实时数据传送到需要的系统。该系统能够在突发事件中进行数据的融合和交互，并能在突发事件时进行系统的逻辑控制。

2.3 应急联动技术

通过安全监控与监控系统的组合，可以启动应急联动。比如某个工作面的瓦斯浓度超过上限，这样，安全监测系统就会停掉或切断某些特殊地区的非安全性设施，并由精确的人员定位系统，通知现场的人员疏散。紧急广播系统会播放特定的音频信号和语音播报，播放指定的警报和疏散路线。应急联动系统工作的原理如图4所示。

图4 应急联动框图

（1）安全监控系统与广播系统实现井下融合联动。在应急广播终端和分站上，通过UPD的方式，实现各分站与广播系统进行信息交流，在程序开始后，该分站将接收到的感应器的种类、地址等信息进行编译，并将其传送至广播系统。在系统参数正常的情况下，上位设备的控制广播终端进行控制指令的播报，一旦区域内出现甲烷异常的情况，则传感器的数据会通过互联接口推送给广播系统，广播系统在收到应急信息后，应急广播系统根据事先设置好的程序，及时地向广播终端发送紧急状态信息，并利用有线的方式向广播分机播发紧急情况。

（2）通过对矿井的监控和人员的定位，可以实现井下的融合。基于矿井综合应急通信系统的安全监控与人员定位系统，每隔一段时间通过人员和定位分站的通讯精确判断井下工作人员的位置，利用MQTT 技术实现了边缘分站与人的位置的精准定位。MQTT 是一种基于订购—发布方式的通讯协议，该协议中的定位子站根据紧急联动预案的要求，将报警订购请求发送给已经接入的边缘子站点，由于协议支持一对多的报文订阅，所以当边沿分站所管辖的地区出现紧急联接作业时，边沿分站接收到订购报文的精确人定位分站的信息。边沿分站信息可以被多个定位分站同时订购，多个定位分站在接到紧急情况的情况下，可以对所处位置的分站发出警报。该模型既能减少网络的信息传递，又能改善数据的实时性。

3 “人—机—环”应急联动实现

安全监视、精确的人员位置定位、紧急广播、信息发布是安全联动控制的核心内容。这些系统位于同一个矿井，甚至同一工作面，系统之间需要完成的功能包括数据信息的交互和操作指令的传递和执行，所以就对系统的稳定性和传递速度提出了较高的要求。应急联动包括安全生产状态、异常预警状态和生产失控状态三个阶段，分别从不同的危险程度出发，对相应的监控区域内的人员和设备进行不同层次的应急预案。3个状态下的相应的紧急预案如表1所示。

表1 应急联动预案表

分站由中心站软件（或板载式HMI接口）监控参数信息、并发布相关控制指令。该系统对各控制区的主要大气参数（如甲烷、CO、风速、风向）进行了实时监测，监控人员状态，并将采煤机、掘进机、风机、带式输送机等重要设备的运行情况，转换成统一的数据传送形式传送给中央控制中心，若该时刻站点与骨干网分离，将收集到的数据根据“变值变态”的原则和时间戳共同存储在板载NandFlash，等到通讯功能正常后重新传递数据。

当传感器采集到的实时数据不超过系统的安全阈值，且风速的采集结果，风向采集结果，一氧化碳的采集的数据低于报警阈值时，且工作人员的定位信息与分站传输的信息一致时，在此期间，所有重要装置操作的各项指标均在标准之内，不采取任何措施防治风险，系统保持正常工作状态；当一组或多组环境参数（可配置）超过警戒值但是还没有超出上限时，进入异常警报应急控制状态。各分站负责监测区域内的设备操作，增强对各区域环境指标的收集，增加通风量，并及时通知有关部门进行设备巡视和检修；当环境参数的实时值超过上限时，进入不受控制的紧急报警状态。分站将关闭该地区的非关键安全设施，不断增加供气，同时，一旦某个位置出现甲烷异常现象，则系统会立即进行通报，通报的内容包括甲烷的浓度值，异常位置的具体坐标，然后通过分站向该处发出对应的控制指令，向有关的位置声卡发出声光报警、震动报警、信息引导系统发出撤离信号和撤离路径，在此期间，若网络正常，则由中央站软件根据GIS地图和相关人员信息，确定疏散路线，通过精准的指令信息引导相关人员撤离，在环境参数恢复正常时，闭锁会自动转为正常工作状态，恢复安全生产模式。

4 结语

根据智能化矿井建设的发展趋势，安全监控类系统的井下融合与从“人—机—环”的新需求出发，对矿井常见的监测系统功能、融合方法和突发事件的联动机制进行了研究，同时，根据全国能源局、各地煤监局近日印发的智慧矿井建设规划，对煤矿的安全管理工作进行了新的阐述，在边缘协同控制子站的基础上，将多个矿井的安全控制系统有机地结合在一起，从而达到了应急联动的目的。该系统的多系统融合与应急联动方案实施，使得井下多系统有效融合的问题得到了高效的解决，实现了具有设备采集信息能够在不同设备之间共享，又能统一传输网络传输层，统一控制逻辑控制层，并能在没有主机管控的情况下，实现对多系统的监控、广播、信息引导、发布等功能。井下精密的人员位置管理体系为井下职工提供了安全保障，满足了矿井智能化趋势下安全控制体系的发展目标和意义。