智慧礦山安全防控多系統井下融合與應急聯動技術研究

陳 杰

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

全國現有的各大煤礦雖然已經針對安全生產與救援指揮等方面建設了各類監控系統、人員定位管理系統以及通信系統等，但是各系統相互獨立，并且由于各類系統的傳感層設備種類以及安全設備的數量有限，無法實現相關參數的大樣本采集。各監控類系統雖然應用場景不同，但是結構類似，以瓦斯、水、火、頂板、粉塵等煤礦常用災害監測系統為例，從系統的整體架構[1]來看，通常都是“傳感設備采集-數據整合傳輸-應用邏輯控制”結構，并且對部分傳感層設備技術參數要求相近，但目前各個系統傳感設備之間沒有共用，未實現數據共享[2]。另外隨著煤礦開采深度、強度[3]的日益增加，災害由單一因素向多災種耦合趨勢發展，加劇了應急響應、避險規劃的難度。針對上述關鍵問題，2021 年中下旬，由國家能源局與國家礦山安全監察局印發的《煤礦智能化建設指南（2021 年版）》[4]文件中針對災害風險與災害超前干預、應急救援指揮與避險規劃等方向提出智能安全監控系統建設專題，并詳細說明了建設內容以及涉及的相關系統。目前國內各大煤礦在井上中心站層面已經實現了安全監控系統、人員管理系統、廣播系統、供電系統等系統初級融合[5]，但煤礦井下由于環境復雜，感知單元因為人員、環境參數、設備狀態都會不斷變化而數據量龐大[6]，導致大量原始數據從采集到傳輸到中心站平臺處理的時效性[7]會逐漸減低、并且因為技術或傳輸網絡等不可預估因素導致大量數據[8]在某一時刻集中的涌現到中心站平臺，導致中心站卡頓或宕機，延誤應急響應。為此,設計并研發了一款邊緣協調管控分站, 基于邊緣協調管控分站實現智能礦山安全防控多系統井下融合與應急聯動[9-12]。

1 多系統井下融合必要性

因為煤礦現場的各類監測監控設備不斷升級與大量使用[13]，提升了煤礦安全生產自動化與信息化水平，促使煤礦不斷地向智能化方向[14]發展。與此同時，各類監測監控系統在設計之初，“智能礦山”的概念以及建設目標還未明確，各類系統行標相互獨立，導致各系統并非站在安全防控系統的整體高度進行頂層設計，只針對具體應用而設計開發，導致在同一個煤礦甚至同一個工作面中相同或相似的設備不斷地重復性建設，煤礦安全生產環境與生產過程管控變得越來越復雜。經過大量的現場調研，各類監測監控系統主要存在以下弊端：

1）傳感層設備的協議不統一，原始數據無法共享，存在指令不響應風險[15]。因各系統相互獨立，不同系統的傳感設備層-邊緣層之間采用不同的通信協議，降低了兼容性導致多系統融合程度不高，無法實現傳感層設備的統一采集、統一傳輸、統一控制與集中供電[16]。另外，目前多數系統采用井上中心站平臺匯總數據后，根據各類系統的安全評分方法指南或礦上已有的安全評判方法，建立的數學分析模型，分析相關作業區域的環境參數，推算相關作業區域當前的安全程度，確定相關的安全響應措施，此類方法優點在于無需過多的邊緣計算，完全依賴高性能主機、結構簡單，但弊端在于執行周期長，且當網絡層或者中心站平臺發生故障時待執行的指令響應得不到保障[17]。

2）設備重復投入過多、增大系統功耗。目前各類煤礦已完成建設的監控類系統在井下完全是獨立狀態，各系統傳感層設備因協議與傳輸格式的不統一，導致各傳感設備屬于本系統專項設備，不被參數要求相似的系統所共享，比如在同一個作業區域，已布置完畢的安全監控系統一氧化碳、煙霧、溫度傳感器技術參數不低于火災監控系統的需求，但是因為不共享，不僅需要再布置完全相同的傳感設備，而且響應線纜、供電設施等必要設備重復部署，增加維護成本，提升系統使用難度。此外，現有煤礦各系統已布置的監測點未進行“去重”，直接完成融合，會因為沒有按照需要有效減少各節點（各系統的主要傳感器）因等待數據處理而造成的能耗損失，增大融合后系統功耗，并且目前各系統的監控分站在設計之初只是針對特有系統進行設計，沒有考慮過多的計算能力，使用的主控制器以低功耗、低成本、保量為主、計算能力為輔，不足以實現過多的邊緣計算工作，在現有分站進行多系統融合，過多的采集數據量以及計算數據量，會嚴重影響系統的實時性。

3）多系統僅井上融合，脫離主干環網無法自主工作。根據系統數據使用特點及業務關聯度，可以以安全監測監控系統、人員定位系統、廣播系統為基礎，再加上必要的輔助系統如信息引導發布系統、供電系統，構建煤礦“人-機-環”協同管控應急聯動預案。針對此方案，《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》[5]基于當時的技術水平和產品標準的局限，要求相關系統在井上中心站平臺層融合，并且大部分煤礦設備生產廠家、科研院所已經實現，但是隨著此方案在煤礦的運行，弊端逐漸暴露。井上融合方案中，各系統占用獨立數據鏈路層，無法實現數據共享，無法在井下第一時間獲取到彼此監測點的數據與狀態。另外在脫離主干網絡后，當監測點異常時，原配置的應急響應案例失效，無法自主工作難以從點管理提升為面管理。

綜上，需要對智能礦山建設發展趨勢下安全防控方向安全監測類系統井下融合及“人-機-環”應急聯動方法進行研究。實現智能礦山安全防控多系統井下融合與應急聯動。

2 基于邊緣協調管控技術的多系統融合與應急聯動

綜合現有煤礦監控系統及井上融合后的系統存在的關鍵問題，可采用分布式處理、邊緣計算等技術將應急聯動、數據分級計算等工作下沉到邊緣分站。邊緣分站實現不同類型的應用和數據在網絡邊緣處理，且分站和數據中心之間進行數據流和控制信息流的雙向流動，能夠有效降低網絡壓力、提高信息處理和分析決策效率，可實現計算負載“云”、“邊”、“端”之間的動態優化均衡。

2.1 邊緣協調管控分站技術

通過設計一種計算能力強，具有多種多路現場總線、多種常用通信協議的邊緣協調管控分站[18]，使該分站不僅具有安全監控系統分站功能，還具有邊緣計算與數據采集能力，通過多種多路現場總線采集多種系統現場設備數據、控制信息引導屏發布避險消息、通過廣播系統播放相應監測點報警消息，通過以太網通知（精準）人員定位分站控制識別卡報警，以及跨區域獲取其他分站數據，實現了不同區域、多子系統的數據融合，通過多種數據采集及控制輸出的工業總線及標準接口，支持不同系統之間數據的集中采集，實現數據存取規范化、標準化，全業務覆蓋，數據的采集與業務邏輯分離，支持數據產時間保存，保證數據完整性。邊緣協調管控分站硬件架構圖如圖1。

圖1 邊緣協調管控分站硬件架構圖Fig.1 Hardware architecture diagram of edge coordination and control substation

分站由處理單元、有線通信單元、無線通信單元、數據存儲單元及人機交互單元組成，其中處理單元采用高計算能力、常用接口富裕的雙核芯片STM32MP157 作為主控，負責數據計算與邏輯處理；有線通信單元由RS485 總線、CAN 總線組成，負責分站所有總線數據采集及信息引導系統通信，以太網接口實現與中心站、精準人員定位管理系統、廣播系統等通信；無線通信單元由4G 模組、Lora 無線模塊組成，負責實現分站與4G 網絡通信及采集Lora無線傳感器數據；數據存儲單元由nandflash 存儲器組成，負責必要的數據及應急聯動配置存儲，在脫離網絡后，可將離線期間實時數據、狀態存儲，待網絡恢復后，結合特制的算法實現數據斷點續傳；人機交互單元由紅外遙控器、5 寸彩色屏組成，實現必要信息輸入、界面顯示。

在軟件方面，分站需要進行大量的數據計算，生成合理的邏輯控制，同時還要完成與定位分站、廣播分站、中心站之間通信,要求處理消息及時[19]。分站芯片中負責數據計算的ARM 內核的軟件基于Linux操作系統進行開發,負責實時數據采集任務的是M4內核，軟件基于freertos 開發，采用多進程方式實現分站的多任務，有大量數據交互的任務之間采用共享內存方法進行數據交互[20]，各進程之間采用socket傳遞共享內存key，進程內部采用多線程方式開發，數據傳輸使用消息隊列，線程同步采用信號量等方式。為減少分站的現場升級的難度，還應設計分站遠程升級功能[21]。邊緣協調管控分站數據處理軟件結構圖如圖2。

圖2 邊緣協調管控分站數據處理軟件結構圖Fig.2 Structure diagram of data processing software of edge coordination and control substation

2.2 多系統融合技術

多系統井下融合:通過常用總線接口，如RS485、CAN 等，配合統一的傳輸協議、數據傳輸格式，實現將不同類型系統中特點相似傳感層設備的統一采集、數據鏈路層的數據統一傳輸、應用層的邏輯關系統一控制，達到數據監測有效、邏輯控制可靠、數據傳輸標準、融合聯動、及時響應。

邊緣協調管控分站通過常用現場總線將各系統感知層設備進行接入，但是接入之前需要將所有感知層設備進行統一編碼，傳感層設備可以使用芯片本身的UID 作為統一且唯一的識別碼，識別碼確保了每臺設備具有唯一身份，根據唯一ID 作為主鍵對所有傳感層設備編制統一的識別方法，保證了傳感層設備數據可以通過邊緣分站統一采集，同時因為邊緣分站采用統一的數據傳輸格式，每個傳感器設備可以被其他系統識別，實現了數據可根據需求被其他系統識別、使用，達到了統一傳輸、數據共享，又因為減少了設備重復投入，降低了整個融合后系統的整體功耗。多系統融合框圖如圖3。

圖3 多系統融合框圖Fig.3 Multi-system fusion block diagram

邊緣設備作為當前區域內唯一的數據融合設備，為每個系統提供獨立的數據采集、傳輸通道以及業務邏輯處理，執行響應各自系統的控制指令。邊緣分站不僅可以采集到各系統的原始數據，還可以通過使用各系統的控制指令建立業務層面的融合接口，根據接收到的地面中心站下發的邏輯關系配置，將融合后的實時數據按需轉發給所需系統，實現了子系統之間的數據融合與交互，并且可以在應急響應發生時實現跨系統邏輯控制輸出。

2.3 應急聯動技術

應急聯動由安全監測監控系統觸發應急聯動控制，如某工作面環境甲烷實時數據超限，此時安全監控系統針對特定區域非本質安全型設備進行斷電閉鎖，精準人員定位系統通知區域人員緊急撤離，應急廣播系統播放特定的音頻或是喊話，信息引導發布系統播放指定報警信息及逃生線路指南等。應急聯動框圖如圖4。

圖4 應急聯動框圖Fig.4 Emergency linkage block diagram

1）安全監控系統與廣播系統井下融合聯動。安全監控系統與廣播系統井下融合應急聯動進程采用UPD 方式將安全監測系統與廣播系統建立信息通信鏈接，進程啟動后分站首先將參與應急聯動的傳感器類型、地址信息進行編碼后發送給廣播系統，安全生產情況下廣播終端只進行上位機下發的音頻播放工作，當觸發應急聯動時分站將傳感器的編碼與實時數據、狀態通過互聯接口推送給廣播系統，應急廣播系統按照相關協議將信息緊急傳送至相關區域廣播終端，應急廣播終端通過有線方式溝通廣播分機，實現緊急信息在應急廣播終端及分機上的播報。

2）安全監控系統與人員定位系統井下融合聯動。安全監控系統與人員定位系統井下融合應急聯動通信進程以間隔周期與精準人員定位分站進行通信，邊緣分站與精準人員定位分站之間可采用MQTT 協議，MQTT 是訂閱-發布模式的通信協議，按照協議規則人員定位分站根據應急聯動預案需求向已連接的邊緣分站發送報警訂閱請求，邊緣分站收到訂閱請求后，在本分站管轄的區域內發生應急聯動操作時，實時向網絡中的已訂閱消息的精準人員定位分站發布信息，因為該協議是支持一對多消息訂閱的，邊緣分站消息可同時被多臺定位分站訂閱，通過訂閱發布方式，多臺定位分站可以在接收到應急預案響應消息后，及時對定位分站信號輻射區域內的人員進行報警，這種模式不僅減輕了網絡信息傳輸負載，還提高了數據傳輸實時性。

3 “人-機-環”應急聯動實現

安全監測監控、精準人員定位、應急廣播、信息引導發布等系統是參與聯動控制的主要系統，并且都處在同一煤礦，甚至同一個工作面，涉及信息的雙向交互以及控制指令的單向下發、執行，要求較高的實時性、可靠性。應急聯動由正常安全生產狀態、異常預警狀態以及停產不可控等3 種狀態組成，從每種狀態風險嚴重性角度對相關監測監控區域內的人員、設備進行不同層度的預案處理。3 種狀態對應相關應急預案見表1。應急聯動流程圖如圖5。

圖5 應急聯動流程圖Fig.5 Emergency linkage flow chart

表1 應急聯動預案表Table 1 Emergency linkage plan table

通過中心站軟件（或板載HMI 接口）對分站進行監測參數、控制邏輯配置。分站實時采集控制區域內主要環境參數（如甲烷、一氧化碳、風速風向等）、人員信息以及采煤機、掘進機、風機、帶式輸送機等主要設備的運行狀態，根據統一的數據傳輸格式上傳中心站，如果此時分站脫離主干網絡，將采集到的數據按照“變值變態”原則與時間戳共同存儲在板載NandFlash，待通信恢復后再做長傳處理。

當環境甲烷傳感器的當前實時數據小于預警值、風速風向傳感器數據正常，區域內一氧化碳傳感器實時值低于預警值時，并且配置區域人員與通過人員定位分站傳輸過來的人員信息相符，區域內主要設備的運行參數正常，此時不進行風險管控，進行安全生產；當環境參數1 個或多個（可配置）實時數據高于預警值，但低于上限報警值，此時進入異常預警應急管控狀態。分站將控制該區域內設備運行速度，同時加快環境參數采集頻率，加大供風量，同時立即通知相關人員進行巡檢風險排查及設備維護；當環境參數實時數據高于上限報警，此時進入停產不可控應急管控狀態。分站將對區域內所有非本質安全設備進行斷電閉鎖，持續加大供風，同時通過廣播系統播報異常狀態的甲烷信息如安裝地點、當前數據、狀態等，控制精準人員定位分站通知相關定位卡進行聲光報警、震動提示，啟動信息引導系統提示撤離指示以及避險規劃路徑，并且如果此時網絡正常，中心站軟件可以根據GIS 地圖及相關人員消息確認人員撤離情況，實現避險規劃、精準廣播，當環境參數傳感器恢復正常后，相關閉鎖自動解除，應急聯動轉為安全生產狀態。

4 結 語

針對智能礦山建設發展趨勢下安全防控方向安全監測類系統井下融合及“人-機-環”應急聯動需求，通過研究井下常用監控類系統的業務特點、融合方法與應急聯動策略，結合國家能源局、各地煤監局近期下發的智能礦山建設方案中對安全防控建設建議，設計并研發了一款邊緣協調管控分站，基于邊緣協調管控分站實現智能礦山安全防控多系統井下融合與應急聯動。多系統融合方法和應急聯動預案有效的解決了限制多系統井下融合的關鍵問題，不僅實現了業務特點相近系統的傳感層設備統一采集、網絡傳輸層的統一傳輸、邏輯控制層的統一控制，還實現了在脫離主干環網、無主機管控調度條件下，安全監測監控系統、廣播系統、信息引導發布系統、精準人員定位管理系統在井下的應急聯動，達到了提升了現場作業人員的安全，符合智能礦山趨勢下的安全防控系統發展目標與意義。