煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)預(yù)警預(yù)測平臺(tái)研究

陳佳林

摘要：基于大數(shù)據(jù)的煤礦災(zāi)害預(yù)警是避免瓦斯、水害、火災(zāi)、沖擊地壓等事故發(fā)生，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的有效措施。通過對煤礦各類數(shù)據(jù)，建立分析模型并進(jìn)行各類關(guān)聯(lián)分析，從而更好地對進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)測分析，為監(jiān)察執(zhí)法提供預(yù)警預(yù)測信息，提高監(jiān)察執(zhí)法的科學(xué)性和對事故風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警預(yù)測能力。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；關(guān)聯(lián)分析；綜合評判；事故風(fēng)險(xiǎn)；模糊決策

中圖分類號：TP18，TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0026-02

近年來我國煤炭企業(yè)在技術(shù)發(fā)展和自身競爭需求的推動(dòng)下展開煤礦安全生產(chǎn)信息化建設(shè)，取得了長足進(jìn)步。煤礦在安全生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，包括各種監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)、人員信息以及管理信息等各種數(shù)據(jù)。這些信息系統(tǒng)源源不斷地生產(chǎn)積累著海量的數(shù)據(jù)，但是，數(shù)據(jù)處理分析卻停留在管理和展示的初級階段，缺乏信息深度分析和挖掘的工具，無法洞察巨量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的價(jià)值，基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正好可以解決這方面的問題。

1 需求分析

1） 視頻圖像處理需求

現(xiàn)有煤礦中安裝了很多攝像頭設(shè)備，這些設(shè)備不停的產(chǎn)生大量的視頻數(shù)據(jù)。現(xiàn)在的解決方案是有工作人員通過盯著大屏幕、切換屏幕的方式查看違規(guī)作業(yè)人員。因此，實(shí)現(xiàn)對視頻圖像數(shù)據(jù)查找、檢索與分析才能將其中有價(jià)值的信息直觀、高效的提供給各個(gè)業(yè)務(wù)需求部門。

2） 系統(tǒng)及數(shù)據(jù)互聯(lián)需求

礦井各專業(yè)信息系統(tǒng)之間相互割裂，礦井各專業(yè)部門圍繞各自核心業(yè)務(wù)建立管理信息系統(tǒng)和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，建設(shè)初期往往缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和通盤考慮，導(dǎo)致這些專業(yè)系統(tǒng)自成一體，軟硬件接口沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，相互間缺乏互操作協(xié)同和數(shù)據(jù)共享能力，形成一個(gè)個(gè)信息和設(shè)備孤島，而煤礦安全生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)和決策需要綜合各方面的信息，進(jìn)行綜合研判分析。

3） 預(yù)警預(yù)測分析需求

數(shù)據(jù)可視化及分析手段匱乏，無法支持綜合決策分析。隨著煤礦的安全生產(chǎn)、管理和運(yùn)營，各種信息系統(tǒng)源源不斷地產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，但是，信息系統(tǒng)沒有提供豐富靈活的可視化分析工具，讓管理決策人員能夠快速了解當(dāng)前生產(chǎn)管理和運(yùn)營的狀態(tài)和未來的發(fā)展趨勢，能夠獲取關(guān)聯(lián)維度信息進(jìn)行指標(biāo)結(jié)構(gòu)分析、趨勢分析、比較分析等，能夠從全局到細(xì)部進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，找出問題發(fā)生的詳細(xì)原因，或者從細(xì)部到全局進(jìn)行數(shù)據(jù)概況分析，發(fā)現(xiàn)問題影響的范圍。

因此，通過大數(shù)據(jù)手段對煤礦各類在線監(jiān)控、安全生產(chǎn)規(guī)章制度、安全管理、生產(chǎn)管理、技術(shù)管理、隱患管理等各類信息進(jìn)行采集、關(guān)聯(lián)分析、綜合評判，向監(jiān)察執(zhí)法提供預(yù)警預(yù)測信息，提高監(jiān)察執(zhí)法的科學(xué)性和對事故風(fēng)險(xiǎn)的防控能力十分必要。

2 煤礦預(yù)警預(yù)測平臺(tái)架構(gòu)

該平臺(tái)完成對各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、人員位置數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的預(yù)警預(yù)測、評判分析。對于各種傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、人員信息數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)等接入大數(shù)據(jù)預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)以方便各級系統(tǒng)檢索、查詢和分析。

平臺(tái)從邏輯上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層四個(gè)層次。系統(tǒng)自下而上，將感知層內(nèi)各類信息通過高效的存儲(chǔ)檢索—分析處理—應(yīng)用展現(xiàn)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，最終將分析處理結(jié)果提供給各種業(yè)務(wù)人員，如圖1所示。

感知層：主要包括各種傳感器設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、大型固定設(shè)備等。這些設(shè)備完成對各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、人員位置以及各種管理信息等數(shù)據(jù)的獲取。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層用于傳輸前端采集的環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻圖像等數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，為保護(hù)現(xiàn)有投資，系統(tǒng)兼容煤礦中已有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用已建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，傳輸視頻圖像于指定地點(diǎn)。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包含大數(shù)據(jù)倉庫、分布式搜索引擎、煤礦安全專家知識庫、圖形增強(qiáng)型大數(shù)據(jù)工作站等內(nèi)容。感知層采集的多樣化數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)技術(shù)處理，轉(zhuǎn)換成可供上層應(yīng)用直接調(diào)用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)于大數(shù)據(jù)倉庫。

應(yīng)用層：應(yīng)用層根據(jù)安監(jiān)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)分析海量數(shù)據(jù)中的潛在隱藏信息，結(jié)合氣象信息、地理信息，實(shí)現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的時(shí)空分析、關(guān)聯(lián)分析，并應(yīng)用HTML5、GIS、三維可視化、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)告警通知、趨勢分析、智能預(yù)測等功能。

3 平臺(tái)功能

系統(tǒng)從功能上分為：智能分析、趨勢分析、個(gè)人評價(jià)、系統(tǒng)配置四個(gè)模塊。

智能分析包括：環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、人員違規(guī)分析三個(gè)模塊。

趨勢分析包括：傳感器數(shù)據(jù)異常趨勢分析、視頻違規(guī)趨勢分析兩個(gè)模塊。可按照日、周、月、年對數(shù)據(jù)進(jìn)行異常類型、違規(guī)類型的趨勢分析。

個(gè)人評價(jià)系統(tǒng)：基于視頻違規(guī)行為分析、人員定位位置分析等手段實(shí)現(xiàn)對個(gè)人的綜合評價(jià)、安全生產(chǎn)考核。

系統(tǒng)配置主要包括：用戶管理、系統(tǒng)日志管理、告警通知策略、配置管理等功能。

詳細(xì)功能如下：

4 信息采集

4.1 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

1） 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

主要包括瓦斯、通風(fēng)、水、火、礦壓、粉塵、甲烷、CO、煙霧、 風(fēng)向、溫度、濕度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要通過井下及地面?zhèn)鞲衅鳙@得。

2） 設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

主要是大型固定設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要通過礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)獲取。

4.2 視頻圖像數(shù)據(jù)

主要是井下生產(chǎn)位置、機(jī)房等地方安裝的攝像頭設(shè)備。

4.3 管理信息數(shù)據(jù)

主要是規(guī)章制度、監(jiān)察執(zhí)法、事故調(diào)查、隱患排查等信息。這些信息主要通過各部門人員上傳獲取。

4.4 人員位置信息

主要通過接入人員定位系統(tǒng)，獲取人員位置信息。

5 信息分析

5.1 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1） 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析endprint

對各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浞治觥⒚芏确治觥B置分析、時(shí)空關(guān)聯(lián)分析等。在現(xiàn)有系統(tǒng)基于單一指標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析告警的基礎(chǔ)上，增加對歷史數(shù)據(jù)以及多來源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，挖掘隱藏在正常數(shù)據(jù)指標(biāo)下的異常規(guī)律和狀況。比如在部分瓦斯突出事故之前，并沒有出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸薜犬惓?bào)警，但實(shí)際上瓦斯?jié)舛葧?huì)出現(xiàn)異常的變化或波動(dòng)，傳統(tǒng)的告警系統(tǒng)無法給出有效預(yù)警，而基于歷史數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)模型的分析，則可能提前發(fā)現(xiàn)異常狀況并給出預(yù)警。又如對如下數(shù)據(jù)的監(jiān)控：CH4濃度≧0.8%，且持續(xù)時(shí)間≧5min； CO濃度≧24ppm，且持續(xù)時(shí)間≧10min。

2） 設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對于長時(shí)間無法獲取到數(shù)據(jù)的設(shè)備進(jìn)行異常告警；監(jiān)控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象及時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。

5.2 視頻圖像數(shù)據(jù)分析

1） 人員違規(guī)分析

對于通過攝像機(jī)拍攝到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)行為分析，如果發(fā)現(xiàn)有違規(guī)的行為及時(shí)進(jìn)行抓拍并報(bào)警。如下述行為：井下打架斗毆、采、掘、修工作面空頂作業(yè)、脫崗或睡崗、輔助運(yùn)輸超掛車不使用保險(xiǎn)繩、井下無措施燒焊、井下拆卸礦燈、攜帶煙草及點(diǎn)火物品、扒車、坐皮帶或坐鏈板機(jī)等違法行為。

2） 設(shè)備異常分析

對于沒有安裝傳感器的老舊設(shè)備、關(guān)鍵設(shè)備的異常行為（運(yùn)輸帶傳輸異常等）、影響工作人員安全健康的位置（比如有輻射、超高壓）的儀表設(shè)備（可對儀表數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取并進(jìn)行異常數(shù)值判斷）等可以采用視頻監(jiān)控的方式進(jìn)行視頻監(jiān)控分析。同時(shí)，可結(jié)合設(shè)備的在線數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合評判，關(guān)聯(lián)分析。

5.3 管理信息數(shù)據(jù)分析

對于各種管理信息數(shù)據(jù)可以通過對各種格式數(shù)據(jù)的ETL（抽取、轉(zhuǎn)換、加載）操作，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的信息。

5.4 人員定位分析

基于獲取的人員位置信息，結(jié)合人臉比對系統(tǒng)，對于關(guān)鍵崗位、關(guān)鍵位置，實(shí)時(shí)分析判別異常人員進(jìn)入、關(guān)鍵位置長時(shí)間無人值守，人員軌跡重現(xiàn)、位置追蹤等。

6 預(yù)警預(yù)測

1） 預(yù)警功能，對在線監(jiān)測報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對環(huán)境危險(xiǎn)狀態(tài)及人員危險(xiǎn)行為進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和統(tǒng)計(jì)。包括基于大數(shù)據(jù)的煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水害、火災(zāi)等事故預(yù)警；基于大數(shù)據(jù)的煤礦重大關(guān)鍵設(shè)備故障診斷。告警方式包括瀏覽器頁面通知、短信提醒、手機(jī)APP通知等。對于設(shè)備信息、評判分析結(jié)果、趨勢信息可以報(bào)表的形式展現(xiàn)。

2） 預(yù)測功能，通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)對這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及視頻非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)分析和研判，并可對不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、關(guān)聯(lián)、碰撞，基于不同模型進(jìn)行煤礦短期、中期安全生產(chǎn)趨勢分析預(yù)測。

7 評判系統(tǒng)

各級監(jiān)管單位的安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)管控下級系統(tǒng)。平臺(tái)可對煤礦、集團(tuán)公司、分局實(shí)行積分管理制度，進(jìn)行預(yù)警積分。如該礦一天、或一周內(nèi)出現(xiàn)多次現(xiàn)場報(bào)警（如瓦斯超限、人員違規(guī)操作、超量生產(chǎn)等）可扣分，當(dāng)總分?jǐn)?shù)降低到一定程度，說明該礦或該集團(tuán)公司對安全生產(chǎn)沒有引起足夠重視，可對其舉牌警告，從而起到大數(shù)據(jù)平臺(tái)的宏觀管控作用。

7.1 企業(yè)評判

可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析結(jié)果，按照星級對企業(yè)進(jìn)行評價(jià)，類似于酒店星級評判標(biāo)準(zhǔn)。對于級別較低的企業(yè)需要定期進(jìn)行檢查、監(jiān)督指導(dǎo)，引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行升級改造，加快信息化、制度化、規(guī)范化建設(shè)。

7.2 個(gè)人評判

對于企業(yè)中的安全生產(chǎn)人員引入安全生產(chǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)，對于分?jǐn)?shù)較低的個(gè)人進(jìn)行安全生產(chǎn)培訓(xùn)、重點(diǎn)監(jiān)督指導(dǎo)等。個(gè)人評判標(biāo)準(zhǔn)基于視頻違規(guī)行為分析、人員定位位置分析等手段綜合評判。

8 結(jié)束語

本平臺(tái)通過大數(shù)據(jù)手段結(jié)合成熟的安全生產(chǎn)理論，對煤礦各類在線監(jiān)控、安全生產(chǎn)規(guī)章制度、安全管理、生產(chǎn)管理、技術(shù)管理、隱患管理等各類信息進(jìn)行采集、關(guān)聯(lián)分析、綜合評判，向監(jiān)察執(zhí)法提供預(yù)警預(yù)測信息，提高監(jiān)察執(zhí)法的科學(xué)性和對事故風(fēng)險(xiǎn)的防控能力。

通過接入煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)以及礦壓、水文等監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的采集匯聚，建立煤礦安全預(yù)警預(yù)測大數(shù)據(jù)模型，最終實(shí)現(xiàn)智能告警，趨勢預(yù)測等功能。同時(shí)，通過對企業(yè)、個(gè)人建立安全評價(jià)系統(tǒng)，更好的指導(dǎo)監(jiān)督企業(yè)及個(gè)人安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫繼平. 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2010， 35（11）：1925-1929.

[2] 琚潔慧， 吳吉義， 章劍林， 等. SaaS應(yīng)用中的多租戶與安全技術(shù)研究[J]. 電信科學(xué)， 2010（10）：41-46.

[3] 吳吉義， 傅建慶， 張明西， 等. 云數(shù)據(jù)管理研究綜述[J]. 電信科學(xué)， 2010（5）：34-41.

[4] 李波. 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2009.

[5] 沈蘇彬， 范曲立. 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J]. 南京郵電大學(xué)， 2009， 6： 1-11.

[6] Hu Wei， Zhao Z， Wang Y. cardiopulmonary monitoring research Based on noncontact sensor of vital signs[J]. ECSTrans， 2013， 45（33）：17-25.

[7] 葉靜. 綜合型網(wǎng)絡(luò)化礦井自動(dòng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 重慶： 重慶大學(xué)， 2008.

[8] Li changzhi. Radar remote monitoring of vital signs[J]. IEEE Microwave Magazine， 2009， 10（1）：47-55.endprint