煤礦隱患行為智能監察系統的設計與應用

張柳 趙德偉 康亞偉

摘? 要：從2000年我國建立煤礦安全監察體制開始，全國煤礦安全生產形勢逐年好轉，成績顯著。基于此，該文主要對煤礦智能隱患監察的設計與應用進行了分析和研究，推動煤礦智能隱患監察手段的變革，進一步保障人員的生命安全，希望能為我國的煤礦業發展提供幫助。

關鍵詞：煤礦;智能隱患監察;AI模型

中圖分類號： TD76? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

蔣莊煤礦隸屬于山東能源棗礦集團，地處美麗的微山湖東畔，地里位置優越，水陸交通便利。礦井于1979年12月動土興建，1989年6月建成投產，原設計能力150萬t/年，核定生產能力275萬t/年。30年春華秋實、風雨兼程，礦井現已發展成為集煤炭生產、洗選加工、熱電聯產、機械制造、精細化工、生態循環經濟為一體的國有綜合效益型現代化礦井。

1 煤礦智能隱患監察

1.1 煤礦規模化生產，導致安全監管困境

2018年1月5日，國家發改委印發《關于進一步推進煤炭企業兼并重組轉型升級的意見》，指出：“通過市場機制、經濟手段、法治辦法，促進煤炭企業加快兼并重組和上下游深度融合發展，大幅提高煤礦規模化、集約化、現代化水平，實現煤炭行業轉型升級。到2020年底，爭取在全國形成若干個具有較強國際競爭力的億噸級特大型煤炭企業集團，發展和培育一批現代化煤炭企業集團?！焙喜⒅蟮拿旱V，以集團方式管理，管理水平隨之提升，但是所管轄的生產范圍變大，作業區域變多，管理難度不斷增大。

以核定年生產能力275萬t/年的蔣莊煤礦為例，該礦屬于中型煤礦企業，井田面積36.463 km2。該礦為了及時發現隱患問題，避免事故發生，在煤礦井下的重點區域，建設了視頻監控系統，視頻監控相機達到300余臺，實現了井下重點場所全覆蓋。在井上建設了調度指揮中心，該中心采取24 h值班制，安全管理值班人員實時盯著各重點位置，監控各作業過程，一旦發生隱患，遠程電話通知井下，以期及時消除隱患

1.2 煤礦對智能的需求

需求較為碎片化，特定碎片化的應用算法和應用在很大程度上缺乏通用性、單點成本高，難以規?；?，且多數應用交付復雜，部署周期長，算法迭代慢。實際應用涉及產品、施工、算法優化、信息系統打通、業務流程轉型等環節，整體周期長，需求無法快速變現，應用部署后，算法無法快速迭代更新。為了解決這一問題，應用AI開放平臺和相關智能硬件，以輔助應用快速落地。

2 設計原則

設計原則共有5點。1）先進性。采用基于深度學習的視頻智能識別的技術，利用AI開放平臺進行算法快速訓練，實現隱患的智能分析。2） 穩定性。系統選擇了井下特定攝像機，在獲取清晰圖像的同時，采用了深度學習算法，對隱患進行識別，保證了系統的長時間穩定運行。3）? 實用性。以業務流程梳理為依據，選擇相應點位安裝智能相機，且平臺基于B/S架構開發軟件平臺，便于不同人員根據權限查看不同結果。4） 集成性。系統的高度集成一方面可以有效減少系統的故障點，有利于系統的實施與運維，另一方面系統集成可以有效實現信息共享，實現1臺設備多種功能，提高信息處理效率，避免過度建設，以適應業務未來的發展要求。5）? 可拓展性。平臺軟件可拓展性：采用模塊化設計，支持功能的模塊化升級，還可與其他平臺作數據對接[1]。

3 煤礦智能安全隱患監察的應用

3.1 應用概述

通過AI開放平臺訓練各類隱患智能識別算法，并將算法加載到專用智能設備，智能設備將結果上傳平臺，平臺根據報警邏輯，實現隱患的報警和報警處理。

3.2 應用架構

井下安全隱患識別是需要整合多個異構管理子系統，以網絡通信及數字化技術為基礎，為多個“信息孤島”提供協同合作的統一平臺，建立一套高集成、高智能化的管理機制，滿足統一的配置管理、數據共享、功能聯動和業務優化等系統需求。

3.3 應用功能

主要應用、主要功能包括3點。1） AI模型管理。AI模型管理主要提供AI模型下載、模型管理、模型下發、AI分析任務下發等功能，通過高級參數配置，也可提供AI模型的自動下載、設備模型自動升級、素材自動上傳的功能。2）? 行為監管。行為監管模塊是C/S客戶端，提供報警事件接收、圖片查看的功能，可批量對報警圖片進行正報、誤報判定，并填寫處理意見和責任單位。3）? 視頻監控。平臺視頻監控系統通過對前端編碼設備、后端存儲設備、中心傳輸顯示設備、解碼設備的集中管理和業務配置，提供視頻監控、錄像回放、解碼上墻、圖片查詢等應用。

4 系統詳細設計

4.1 核心設備

4.1.1 井下相機

圖像的采集是分析的基礎，只有確保畫面清晰，才能進行有效分析。但是井下普遍存在光線昏暗、光污染（頭燈、手電、火車燈、衣服反光條）、溫差大等問題，導致圖像模糊，達不到分析的要求。

使用井下專用攝像機，主要解決3個問題。1）強光抑制功能：避免礦工頭燈、環境照明等引起的強光影響。2）密封性問題：密封性不好會引起攝像機內部起霧，導致畫面模糊，井下專用相機會設置2個腔體，解決密封性差的問題。3）AI分析功能：部分型號具有AI功能，可直接下載AI開放平臺相關算法。

4.1.2 智能NVR

智能NVR采用嵌入式設計，集成高性能GPU模塊，集IPC接入、存儲、管理、控制于一體，可加載深度學習算法，實現精準的自定義智能分析，提升監控視頻價值，服務安防大數據時代。智能NVR既可作為NVR進行本地獨立工作，也可聯網組成一個強大的安全防范系統[2]。

4.2 煤礦隱患行為智能監察平臺

4.2.1 組建邏輯架構

該平臺基于“統一軟件技術架構”的先進理念設計，采用業務組件化技術，滿足平臺在業務上的彈性擴展。該平臺適用于全行業行為智能監管業務，對各系統資源進行了整合和集中管理，實現統一部署、統一配置、統一管理和統一調度。該平臺核心開發了AI模型管理服務、行為監管應用服務、行為監管客戶端3個組件。

4.2.2 視頻監控

4.2.2.1 實時預覽

視頻實時預覽即對監控實時畫面的預覽，包括基礎視頻預覽、視頻參數控制、視圖模式的預覽，平臺與監控點所在的攝像機對講通道的實時對講、批量廣播以及對具備云臺能力的監控點的實時云臺控制[3]。

4.2.2.2 錄像回放

錄像回放用于對歷史視頻錄像的查詢、定位、播放、錄像流控、片段下載等應用。

4.2.2.3 事件查詢

事件聯動是煤礦隱患行為智能監察系統的事件樞紐。通過對關鍵資源點配置事件規則及其聯動動作，實現對一些生產過程中的異常情況的告警通知，方便管理人員快速進行處置。支持模板方式進行事件規則的配置，支持客戶端、錄像、抓圖、短信、郵件等多種聯動方式。

4.2.3 行為監管

行為監管主要包括3個方面的內容。1）事件監控。生產過程中檢測到的異常情況會在事件監控中實時展示，可以對有權限的區域或者資源進行統一查看。支持通過行為類型進行篩選展示實時報警;支持切換卡片模式或者列表模式進行報警查看;支持查看當天所有的報警以及所有歷史未處置的報警;支持在接收到實時報警時進行聲音提示;支持報警閃爍;支持查看事件的基本信息，查看事件發生地點的實時圖像、歷史錄像，查看事件發生時的抓圖;支持用戶對事件進行處置。2）事件檢索。用戶已經完成處置的事件可以在事件檢索中進行查詢。用戶可以按照行為類型、事件發生時間、發生地點、處置意見、處置人員進行過濾查詢[4]。3）違規行為統計。違規行為統計中支持對用戶處置為正報的報警進行統計并用圖表展示，以便用戶可以更加直觀地了解生產環境中異常事件的發生情況。支持按照事件發生地點對異常事件進行統計展示;支持按照日期對異常事件進行統計展示;支持按照行為類型對異常事件進行統計展示;支持自定義事件范圍異常事件進行統計展示。

4.2.4 平臺特色

平臺特色主要包括4個方面的內容。1） 組件化。統一軟件技術架構以組件化方式構成系統，集成了消息中間件、數據庫服務、分布式緩存、應用容器、事件分發、流媒體轉發、設備接入、存儲接入、短信接入、郵件接入等各類服務，由各個組件承載相關服務能力，提供平臺及支撐組件的各種功能需求。2）可深縮性。平臺根據項目規模和應用場景，設計時考慮了各服務的水平擴展能力，尤其是設備接入、流分發、流存儲、事件、數據庫等關鍵服務。3）可維護性。平臺界面設計人性化，采用B/S管理，使系統管理和維護更方便快捷。4）多層次的安全設計。平臺從設備、網絡、主機、數據、應用多個層面考慮各類安全防護點，并采用多種安全控制策略。設備層面：訪問存儲設備、前端設備等各類設備均需通過設備的身份認證才能訪問。網絡層面：訪問平臺支持https訪問，敏感數據傳輸統一經過安全認可的加密方式加密后傳輸，對非本地局域網的外網通過映射少量端口即可訪問平臺。主機層面：通過操作系統防火墻控制非平臺使用端口的訪問。

4.3 AI開放平臺

4.3.1 數據集管理

系統支持訓練數據集創建、修改、刪除和查看功能，用戶可以創建多個訓練數據集來支撐不同的模型訓練。系統支持從瀏覽器一次上傳多張訓練圖片至訓練數據集，支持重命名或刪除訓練圖片。用戶上傳的數據加密后保存在存儲空間中。

4.3.2 數據標注

系統支持快速標注訓練圖片類別或標注訓練圖片中的物體位置、名稱，并將標注的標簽保存。系統支持對一個圖片中的多個物體分別標注標簽，一張圖片最多支持16種不同類別的標簽。

4.3.3 模型訓練

系統支持一鍵訓練模型，支持選擇應用類型、模型版本和訓練數據集。其中，應用類型包括云端推理服務和邊緣端IPC、NVR分析服務。訓練開始時，系統會提示預計結束時間。訓練時間與訓練圖片數量有關，訓練數據集中的數據量越大，訓練時間越長。

5 結語

通過該項目的探索，形成全礦區高效、自律、精準的安全防范意識，推動煤礦智能隱患監察手段的變革，進一步保障人員生命安全。

參考文獻

[1]馬瑞孚.寧夏煤礦事故規律及防范對策研究[D].西安：西安科技大學，2018.

[2]任曉聰.我國煤礦安全規制研究[D].沈陽：遼寧大學，2018.

[3]郭尚彬.甘肅省煤礦安全監管研究[D].蘭州：西北師范大學，2016.

[4]郭啟光.中國煤礦安全規制俘獲研究：形成機理、雙重影響與治理效果[D]. 大連：東北財經大學，2016.