山東能源沖擊地壓大數據綜合監管平臺建設研究

王 超，鄭志超，孔 超

(1.山東能源沖擊地壓防治研究中心兗煤分中心，山東省鄒城市，273500；2. 山東愛拓軟件開發有限公司，山東省泰安市，271000)

沖擊地壓已成為影響我國煤礦安全生產最為突出的災害類型[1]。山東能源集團有限公司(以下簡稱“集團”)沖擊地壓礦井大多分布在山東、新疆、內蒙等地。其中，位于山東的煤礦多數已經進入深部開采[2]，沖擊地壓煤礦較多[3]，沖擊地壓防治工作形勢嚴峻。

新山東能源防沖中心整合了兗州煤業與原山東能源防沖中心力量，進一步推進了沖擊地壓防治由基層礦井治理向集團統一戰略升級的轉變。

近年來，國家有關部門相繼出臺了多個沖擊地壓防治與監管制度[4]，規定了一整套規范的防治措施和流程，旨在規范和指導煤礦的沖擊地壓監測與防治工作。沖擊地壓可防可治，防沖中心依據職責，更應做好防沖措施管理和監督檢查工作。

1 沖擊地壓大數據綜合監管平臺建設意義

沖擊地壓大數據綜合監管平臺(以下簡稱“平臺”)的建設是行業與時代發展相結合的必然結果。經過多年的實踐總結，各種沖擊地壓監測與防治方法得到了推廣應用；我國沖擊地壓防治法律法規體系也基本形成。在這樣的行業變革下，沖擊地壓監管工作若不做出順應行業與時代的變革，則注定無法實現科學合理的監管。

依靠傳統方式開展監管缺乏時效性，也給監察人員帶來繁重的工作負擔，容易出現監督缺乏重點，浪費監察資源等，無法做到對煤礦監測系統使用情況、相關法律法規執行情況的監督。

互聯網與計算機技術日新月異，煤礦行業自動化、大數據等服務水平也迅速提升，沖擊地壓監管工作也必須走科學發展的道路[5]。集團在各煤礦與中心之間架設了工業內網，為煤礦系統集成、信息資源共享和智能系統建設創造了條件[6]。為貫徹“集中監督、全程監管、全員防治”的目標，建設沖擊地壓大數據綜合監管平臺，強化管理、落實監督、規范煤礦沖擊地壓防治，符合行業發展與互聯網結合的新形態，能切實解決實際問題，是對傳統監管方式的優化升級，在煤礦安全生產監管中也可發揮示范作用。

2 沖擊地壓大數據綜合監管平臺建設問題分析

沖擊地壓大數據綜合監管平臺在建設過程中面臨著諸多問題：

(1)煤礦監測系統多樣，不同廠家的同類監測系統數據規范也不同，煤礦到上級部門的數據采集需要多級傳輸，面臨多元異構數據的集成與信息網絡化問題[7]；

(2)保障數據傳輸質量是平臺建設的重中之重，平臺的數據集成涉及煤礦、煤礦監測系統廠家、防沖中心等多個單位，數據傳輸環節多，容易出現薄弱環節，出現責任主體不容易明確和難以保障數據真實性的問題；

(3)平臺監測信息應具備實時性，既要保證大數據的存儲能力，還要保證大數據存儲與高并發的快速處理能力，因此平臺信息處理能力是一個重要問題；

(4)煤礦沖擊地壓監測信息具備空間屬性，對監管監察過程中的數據分析十分重要，平臺如何更好地合理利用是一個重要方面；

(5)平臺應實現對煤礦防沖監測系統運行狀態、煤礦日常防沖工作的實時在線監管，現有的沖擊地壓監管工作要與計算機網絡結合，這也給監管平臺建設帶來了新模式，在監管內容的創新與監察方式的變革上還需要進行深入探索。

3 沖擊地壓大數據綜合監管平臺建設問題解決與應用技術

3.1 信息網絡化

沖擊地壓大數據綜合監管平臺需要將煤礦數據集成至防沖中心服務器；防沖中心與各煤礦之間采用的是工業內網連接。因為煤礦數據不僅包括監測數據，還包括礦圖、地質資料、沖擊危險性評價等文件數據，種類較多，數據量較大，更新也較快。平臺的用戶包含了防沖中心與煤礦用戶，且平臺的業務應用較多，綜合考慮，平臺采用HTTP協議進行數據的網絡傳輸。HTTP是Web應用的基礎協議，可傳送信息類別包括文本、聲音、圖像和視頻等，以滿足平臺的需要[8]。

3.2 數據傳輸方式與數據采集手段

為了解決異構數據的集成與信息網絡化問題，平臺結合行業實際，設計了一套兼容各廠家監測數據的數據存儲格式，不同格式監測數據進行統一存儲管理。煤礦安全監控聯網系統中采用最多的數據集成技術是FTP文件交換和Socket方式，Socket在實時性、可靠性、穩定性方面都有一定優勢。平臺采用Socket通信，制定一套全面完整的通訊接口，實現了平臺網絡數據傳輸。

為了保障數據傳輸質量，避免過多的角色參與導致的穩定性下降，避免后期平臺數據采集方面的維護與監管出現的責任主體難以明確的現象，也為保障數據的真實可靠，平臺針對下屬煤礦所包含的監測系統專門配備了一套數據采集助手，包括KJ24、KJ743、KJ615、SOS、ARAMIS等。實現了采集助手直接從煤礦已有監測系統中讀取數據傳輸到防沖中心服務器的數據傳輸模式。煤礦負責維護采集助手，保證數據傳輸正常和網絡通暢，防沖中心負責監督煤礦數據傳輸維護工作，減少了參與角色，實現了責任主體明確的目的，也最大程度地保證了集成后的數據與煤礦監測系統中數據的一致性、真實性和有效性。

3.3 高并發與快速響應

平臺為了保證數據的實時性，利用Memcached對象緩存系統提高數據庫的響應速度。Memcached主要用于動態Web應用，具有良好的分布式性能，對于數據庫可以有效地提高它的響應速度并減少它的負載。平臺是數據集成平臺，提供監管業務應用，相同的查詢訪問一定十分頻繁，而Memcached可有效地減輕數據庫的負載，使系統運行效率提升[9]。

3.4 數據存儲與空間信息處理

目前主流企業級數據庫管理系統有很多，本平臺選用了PostgreSQL數據庫管理系統。PostgreSQL是一個功能非常強大的、源代碼開放的客戶/服務器關系型數據庫管理系統，其配套的空間數據引擎PostGIS增強了空間數據庫的存儲管理能力[10]。

北京54坐標系，西安80坐標系為參心大地坐標系，WGS84坐標系為質心大地坐標系。平臺統一采用WGS84坐標系，利用經緯坐標，附加高程確定元素的空間位置。國內礦圖多采用西安80坐標系，WGS84坐標系與其他坐標的坐標系均可相互轉換[11-12]。

PostGIS支持WGS84經緯度坐標，并且在計算幾何圖形的面積、距離、長度、交集等操作時可以使用笛卡爾數學計算公式和直線向量，滿足平臺對沖擊地壓相關信息空間計算的需要。

3.5 分布式協同服務器

MapReduce并行編程模型用于數目眾多的機器處理海量數據，已經成為使用最為廣泛的并行編程模型之一[13]。將其應用于數據挖掘、任務調度、利用分布式內存緩沖進行性能優化等方面的研究都較為成熟。平臺使用了MapReduce處理海量數據查詢、數據規律挖掘等任務，并配備了多臺服務器，建立了服務器集群，使平臺具備良好的大數據處理能力，可快速響應復雜的大數據查詢處理任務。

3.6 WebGIS

WebGIS是Internet技術應用于GIS開發的產物，因其良好的擴展性、可跨平臺使用等特性被普遍使用[14]。整個WebGIS系統由客戶端、Web服務器、地圖應用服務器和地圖數據庫[15]組成。平臺客戶端采用WebGIS的客戶端作為展示全國地圖、各煤礦位置的基礎框架。還可以利用空間信息，將各煤礦礦圖、采掘信息、監測信息進行一張圖上的有機融合。WebGIS與PostGIS和統一的空間坐標相結合，為開展統一的數據綜合應用打下基礎。

4 沖擊地壓大數據綜合監管平臺架構

沖擊地壓大數據綜合監管平臺在綜合使用平臺建設應用技術后，總體分為數據采集層、數據處理層和數據應用層三大部分。數據采集層由數據采集程序、信息上報客戶端組成；數據處理層包括服務器集群、緩存服務器、空間GIS服務；數據應用層包括監管平臺客戶端、防沖中心大屏、信息推送系統和聲光報警器。

數據采集程序用于實時采集煤礦監測系統類數據，比如應力、微震等；信息上報客戶端主要用于獲取進尺、礦圖、防沖資料、防沖工程、煤礦防沖日報等現階段無法自動采集的信息。

服務器集群用于存儲海量數據，處理復雜的數據查詢與任務指令；緩存服務器用于處理高并發，提供部分指令的快速響應；空間GIS服務一方面提供全國地圖供平臺客戶端展示，另一方面提供空間數據的分析計算。

監管平臺客戶端為防沖中心人員提供各種應用功能；防沖中心大屏提供實時輪詢監控監測的展示和視覺提醒工具；信息發送程序提供信息遠程提醒；平臺出現異常時，聲光報警器提供聲光報警。平臺結構如圖1所示。

圖1 平臺結構

5 沖擊地壓大數據綜合監管平臺主要應用功能

監管平臺建設的目的是更科學有效地開展對煤礦防沖工作的監管工作。平臺將計算機自動化與防沖中心實際工作相結合，提供主要監管功能。平臺監管主界面情況如圖2所示。

圖2 平臺監管主界面

5.1 煤礦防沖資料的完整性監管

煤礦開采沖擊傾向性的煤層，必須進行沖擊危險性評價[16]。相應的，沖擊地壓煤礦的防沖設計、生產能力論證、防沖培訓檔案、防沖工程等記錄臺賬等多類防沖檔案都在監管之列，檢查這些文件的完整性與內容的合理性是監管工作之一。

平臺提供防沖檔案管理功能，各礦通過信息上報客戶端按要求上傳相應文件資料。平臺自動監管煤礦上傳資料的完整性，當煤礦出現資料不完整等異常情況時，平臺自動向煤礦和中心發出警示提醒。中心收到警示提醒后可核實情況，問責煤礦；煤礦收到警示提醒后可查看平臺，及時補充資料。煤礦上傳的防沖檔案列表情況如圖3所示。

圖3 煤礦上傳的防沖檔案列表

5.2 工作面鄰近距離監管

開采沖擊地壓煤層時，在應力集中區內不得布置同時進行采掘作業的2個工作面。開展采掘工作時，應確保2個回采工作面之間、回采工作面與掘進工作面之間、2個掘進工作面之間留有足夠的間距，以避免應力疊加導致沖擊地壓的發生[17]。

平臺具備監管各工作面之間距離的功能。利用空間服務器，根據進尺計算出各工作面之間的空間距離。當出現2個工作面之間的距離不符合系統預設的安全距離范圍時，平臺自動發出警示提醒。煤礦收到提醒后可立即根據現場情況調整，并向防沖中心反饋，防沖中心可根據反饋情況酌情處理。兩回采面距離與鄰近關系展示情況如圖4所示。

圖4 兩回采面距離與鄰近關系展示

5.3 煤礦防沖日報監管

煤礦每日會記錄防沖臺賬，形成防沖日報，包括工作面、進尺、應力與微震的監測情況、防沖工程的施工情況等信息，是煤礦防沖工作的重要組成部分。

煤礦通過平臺上傳防沖日報，防沖中心可在線檢查防沖日報的內容。對于未按時上傳日報的煤礦，平臺自動發出警示提醒。煤礦收到提醒后可補發日報，或向中心說明情況。

5.4 煤礦綜合沖擊指數監管

煤礦沖擊地壓監測系統利用數學模型將復雜的沖擊地壓數據同化到同一層面上，建立沖擊地壓預警模型，進行沖擊地壓災害監測、預警與事故分析，以此提高沖擊地壓監測預警水平和準確性的思路已經得到普遍認可。

平臺從監管角度出發，采用多參量監測的權重分析法[18]，為各礦評價分數與等級，形成煤礦沖擊指數排名，為防沖中心監管工作提供實時的分析和提醒，使監管工作有的放矢。某時間平臺得出的煤礦綜合沖擊指數排名前3名如圖5所示。

圖5 某時間平臺得出的煤礦綜合沖擊指數排名前三名

5.5 煤礦監測系統運行狀態監管

煤礦保障監測系統實時運行、正常運行，是煤礦利用監測系統防治沖擊地壓的基礎。煤礦監測系統的正常運行，也是監管部門重點檢查的內容。

平臺實時監測煤礦監測系統的運行情況，自動通過監測數據與儀表的運行狀態實時判斷井下儀表的運行情況。形成防沖中心對煤礦防沖監測的實時監管。

5.6 數據集成狀態監管

監測數據是平臺自動監管檢查、自動分析的基礎。平臺的監測數據采集程序安裝在各個煤礦，只有保證監測數據采集程序的正常運行，才能保證煤礦到防沖中心的數據質量。

平臺實時監測各采集程序的運行情況，針對采集程序退出或斷線時間過長的情況發出警示提醒。煤礦收到提醒后須立即核實情況，并使采集程序正常連接或恢復網絡。平臺集成各礦數據狀態遷徙情況如圖6所示。

圖6 平臺集成各礦數據狀態遷徙圖

5.7 監測異常與煤礦處置情況監管

當煤礦出現煤巖體應力監測[19]異常、大增幅或微震震級、頻度[20]異常情況后，應當采取相應措施保障生產安全。

平臺提供多種監測異常的提醒和分析功能，防沖中心發現煤礦長時間監測異常卻依然無視危險的情況，可立即發出整改要求，責令礦方注意安全生產。

5.8 其他監管功能

煤礦沖擊地壓控制應形成分階段、分區域、分類型的沖擊地壓解危技術體系[21]。針對現有的防沖技術體系，平臺支持監管煤礦鉆屑法施工、預卸壓工程施工、解危措施施工、煤礦采掘速度等。這些信息在煤礦防沖工作中有著十分重要的地位。平臺提供了多類防沖信息的監管方案，基本實現了對煤礦防沖工作的全方面監管。

6 平臺實際應用效果

該平臺已經投入使用，煤礦每日維護數據采集程序，并主動通過信息上報客戶端上傳相關信息；中心使用監管平臺客戶端檢查管理；平臺服務器自動實時監管煤礦，出現異常情況后自動通過短信提醒煤礦和防沖中心。

6.1 數據集成狀態監管的實際應用案例

2020年11月12日20時37分下屬礦井出現了采集程序斷開網絡鏈接的情況，系統隨即形成了藍色等級的斷網警示事件，并向接收藍色等級警示信息的6名該煤礦值班室人員發出短信提醒，最終該煤礦于2020年11月12日21時17分恢復聯網。

6.2 監測異常與煤礦處置情況監管的實際應用案例

2020年8月4日，防沖中心接到平臺發出的下屬煤礦微震監測異常警示提醒后。通過平臺微震能頻曲線發現，2020年7月29日至8月4日微震事件日總能量與發生頻率線隨采掘速度的提升有明顯的增長趨勢。防沖中心隨即向煤礦發出督辦通知書，說明情況，并要求限制工作面每日推進速度不得超過2 m。

6.3 煤礦防沖日報監管的實際效果

煤礦每日填報防沖日報上傳，防沖中心每日檢查，發現異常情況立即向煤礦核實。不僅可以發現煤礦防沖工作中的異常，也大大提升了煤礦對日常防沖工作的重視，提升了防沖工作在煤礦日常工作中的地位。

6.4 煤礦綜合沖擊指數監管的實際效果

防沖中心將煤礦綜合沖擊指數表投放到監測大屏，綜合沖擊指數高的煤礦一目了然。防沖中心重點關注綜合沖擊指數較高的煤礦，防沖監管工作有了重心，節約了人力物力。

7 平臺優勢與創新點

7.1 大數據分布式服務器集群架構

平臺綜合應用了Memcached、PostgreSQL、MapReduce等工具，組建了分布式大數據服務器集群，提供了科學合理高效的平臺架構，為平臺的大數據存儲、高效的數據采集、各項系統服務和業務應用等發揮了很好的支撐作用。

7.2 WebGIS地理信息空間服務

平臺應用空間地理信息一張圖融合的思想理念，應用PostGIS、WebGIS和統一的WGS84坐標系，建立了具備高兼容性、高延展性、空間數據處理能力強大的地理信息空間服務。使得平臺可根據真實的空間信息對數據加工分析，將數據的應用價值最大化。

7.3 提供自動化防沖監管解決方案

平臺的功能研發均從實際出發，為實時監管煤礦監測系統運行情況、采掘工作、日常防沖工作、防沖檔案資料、防沖工程等提供了合理的解決方案。切實解決了防沖中心面臨的監管困難，也給防沖工作帶來了全新的內容。平臺在節約人力物力和指導防沖工作方面取得了良好的應用效果。

8 結語

山東能源沖擊地壓大數據綜合監管平臺的架構是對現有計算機技術的綜合應用，切實解決了監管部門集成煤礦數據時面臨的大數據、高并發、維護難等問題。平臺以GIS空間地理信息為基礎融合所有數據，是解決煤礦空間信息集成的便捷且有效的方法。

山東能源沖擊地壓大數據綜合監管平臺的建成是集團沖擊地壓防治與監管工作的一大進步，補充完善了對煤礦沖擊地壓的實時監測，為防沖中心提供了多種監管新方式，達到了降低煤礦沖擊危險的效果。平臺的建設在行業內起到了示范作用，為今后其他監管工作的智能化平臺建設提供了參考。