基于云服務的煤礦防突信息管理系統

朱墨然

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤與瓦斯突出災害是我國煤礦的主要災害之一，為防止煤與瓦斯突出事故的發生，《防治煤與瓦斯突出細則》要求突出礦井必須執行2 個“四位一體”綜合防突措施，并且要求對防突措施實施全過程的安全管理和質量管控，確保質量可靠、過程可溯[1-2]。目前煤礦對防突信息的管理普遍存在管理落后、效率低下、信息化程度低等問題，具體表現在：①防突表單生成環節：防突數據由人工錄入，不僅工作量大且存在篡改數據的風險；②在防突信息審批環節：線下簽字審批效率低；③缺少數據異常分析和可視化的手段，沒有充分挖掘數據的潛在價值。由此可見目前煤礦落后的防突信息管理模式，使得防突措施執行質量不可控，是造成突出事故偶發的主要原因之一[3-4]。

在防突信息管理信息化技術裝備方面，中煤科工集團重慶研究院有限公司開發了動態防突信息管理系統，該系統實現了防突信息的統一動態管理，使防突信息管理更規范化。但系統基于C/S 架構，只能部署在本地，用戶只能通過局域網中的客戶端對防突信息進行交互，不便于表單的審批和系統維護[5-10]。

隨著云計算、大數據、移動互聯技術的發展，防突信息的管理也需順應行業信息化、智能化發展趨勢[11-15]。針對目前防突信息管理過程中存在的效率低、審批慢、監管難等重點突出問題，對防突信息管理系統進行重新設計和開發，適應防突信息管理全過程管控要求。

1 防突信息管理現狀及問題

目前煤礦在對防突信息進行管理的過程中普遍存在信息化程度較低、管控能力較弱等特點，具體體現在：

1）數據質量不可控，管理低效。煤礦每天都會產生大量防突相關的數據，防突管理過程中需要對這些數據進行數字化，目前對防突信息的數字化主要由人工錄入，在此過程中難免出現人為失誤甚至數據篡改等風險。此外大型煤礦采掘工作面數量較多，防突技術員面對大量需要錄入的防突信息，工作量大。

2）審批效率低。防突技術員制作好防突表單后，需要打印出來逐個找領導簽字，整個過程效率較低且不便于對防突信息的閉環管理。

3）過程管控缺失。煤礦在防突措施執行過程中存在重結果輕過程的現象，防突數據中重點關注突出預測參數的最大值是否超過臨界值，而忽視了防突鉆孔的實施質量和斷面煤巖變化等信息。

4）統計分析欠缺。防突信息數據中隱含了煤層及瓦斯特征，目前煤礦在防突信息管理過程中僅對這些信息進行了統計，未進行數據挖掘和數據分析，對防突信息的分析和挖掘，未能充分發揮防突數據價值，為礦井瓦斯防治提供參考。

5）管理不規范。防突表單的格式、內容不統一，即使同一集團下屬各煤礦的格式可能都不一樣，給管理和檢查帶來不便。此外防突資料隨著時間的不斷積累，防突信息資料需要應對上級部門高頻次的檢查，頻繁地翻閱整理容易導致信息缺失，因此傳統防突信息管理方式的不足日益凸顯。

2 系統架構

根據目前防突信息管理的內容、需求、流程等特點設計了基于云服務的防突信息管理系統，防突信息管理系統結構圖如圖1。系統結構主要由業務邏輯、運行支撐、數據管理和數據采集4 大部分組成。

圖1 防突信息管理系統結構圖Fig.1 Structure of outburst prevention information system

業務邏輯為防突信息管理系統的前臺，是用戶與防突信息管理系統的交互窗口，主要功能是防突信息的展示和維護，包括防突全景、近期工作、查詢搜索、系統設置、區域防突數據維護、局部防突數據維護和基本信息維護。運行支撐是鏈接前臺和后臺的紐帶，為前臺數據處理提供運行支撐，包括報表審批的工作流引擎、圖像引擎、報表引擎和消息推送服務等；數據管理為防突信息管理系統的數據集中存儲和管理，包括云數據庫、本地數據庫、模型庫等。系統采集的內容包含2 個“四位一體”綜合防突措施的全部信息，如瓦斯含量、瓦斯壓力、預測參數、審批管理等。

早有幾名族人站在高坡與天葬臺之間，緩慢而謹慎地揮舞著長長的白幡，來防止白鷲在天葬師完成割禮之前，對尸體進行啄食。他們將白鷲視作天空的使者，是天神派來迎接逝者回歸的祥瑞之物。

防突信息的維護通常由多個部門共同完成，為提高防突信息的維護效率，防突信息管理系統的設計從兼容性、共享性和便利性方面考慮，采用B/S+C/S 架構設計，B/S 方式通過瀏覽器訪問，C/S 通過手機APP 訪問，便于數據查詢和流程審批。系統編寫采用Typescript 語言，工作流引擎應用CCFlow、報表引擎應用SpreadJS 控件。系統整體部署在云服務器上，用戶可通過瀏覽器或APP 訪問進行數據交互。

防突信息管理系統結構使系統具有良好的兼容性、擴展性和共享性，符合防突信息管理過程中部門分散的特點，同時也為上級部門的監管監察提供平臺。

3 關鍵技術

圍繞目前防突信息管理過程中存在的數據質量差、效率低、分析確實等問題，研究開發了數據自動上傳、數據自動填報、防突信息云審批、異常數據識別等功能，大幅提高了瓦斯防治的信息化水平和管控水平。

3.1 數據自動采集

傳統防突作業過程中，突出預測參數需要現場打印預測數據小票，然后送至通防部技術員整理錄入數據，整個過程效率低下且難免出現人為誤差的情況。為縮短防突數據傳輸路徑，提高防突數據的安全性和傳輸效率，通過改造WTC、DGC、統一數據上傳接口，使WTC、DGC 通過無線傳輸將防突數據的一鍵上傳到數據庫中；針對第三方鑒定報告等紙質文檔，應用OCR 文字及表格識別技術[16-17]，實現文檔和表格的快速數字化。通過開發數據自動上傳功能，確保了數據的時效性和真實性，同時大幅減輕技術員數據錄入工作量。

3.2 表單設計器

由于各個煤礦的防突表單模板不統一，為滿足各煤礦防突表單的個性化需求，基于Spread JS 開發了防突信息的表單設計器，通過該設計器可快速對不同樣式的表單進行適配，使防突信息管理系統具有較強的兼容性，實現脫離開發人員環境下用戶對系統防突報表格式的自主靈活定制設計。表單設計完成后，在防突信息管理系統中，選擇相應的防突作業環節，系統自動生成相應的表單。

3.3 數據自動填報

防突信息自動填報是防突信息管理的一個重要組成部分，目前防突信息管理過程中存在示意圖繪制規范性差、效率低等問題。為此研究開發了輕量級的圖形引擎，實現防突鉆孔布置圖、巷道斷面煤巖分布的快速自動生成，大幅提高示意圖的繪制效率。

1）防突鉆孔布置圖自動生成。目前煤礦防突鉆孔多采用AutoCAD 或手工繪制，存在繪圖不規范和繪制效率低的問題。應用防突圖形引擎，輸入鉆孔長度、角度及開孔位置幾個關鍵參數自動生成防突鉆孔布置三視圖，自動計算鉆孔控制距離等參數，提高了繪圖的速度和精度。防突預測鉆孔可視化如圖2。

圖2 防突預測鉆孔可視化Fig.2 Visualization of prediction borehole

2）巷道煤巖分布自動生成。巷道煤巖分布情況是觀察煤巖變化情況的重要依據，對采掘布置具有重要參考意義。目前巷道斷面形狀及煤巖分布圖采用AutoCAD 或手工繪制，同樣存在效率和精度低的情況。為實現巷道斷面參數快速可視化，設計了煤巖界面編輯器快速完成煤巖斷面的繪制，編輯器還支持對不規則煤巖分布斷面的繪制。煤巖界面自定義如圖3。

圖3 煤巖界面自定義Fig.3 Coal-rock interface customization

3）數據可視化。目前煤礦防突數據表單上數據密集，數據的可閱讀性較差，難以分析數據的趨勢及特征。為解決這個問題，研究了基于數據相對位置和數據大小的可視化圖表引擎，能夠自動生成工作面防突預測參數的曲面圖和平面圖，直觀地顯示工作面突出危險性分布特征。數據可視化如圖4。

圖4 數據可視化Fig.4 Data visualization

3.4 防突信息云審批

傳統防突表單的審批需要技術員拿著表單逐個找領導簽字審批，該方式不僅效率低下，且可能存在審批滯后于生產的情況。依托于系統云端架構跨平臺、跨區域的特點，設計了防突信息審批工作流，防突信息提交后在網絡上自動流轉，提升防突信息的審批效率。而且根據不同部門和職責，可以對角色的權限進行管理。防突表單審批流程如圖5。

圖5 審批流程圖Fig.5 Examination and approval flow

3.5 移動APP

為適應移動辦公需求，提高簽字審批的時效性，加強防突數據異常實時推送。開發了防突信息管理系統手機APP，通過手機APP 能夠隨時隨地對防突信息進行查詢、查看、維護和審批，方便管理層實時掌握工作面防突動態。

3.6 數據異常識別

煤礦每天生成大量防突數據，對這些海量數據進行分析和挖掘，充分利用數據的潛在價值。正常情況下認為煤層賦存特征是連續變化的，若煤層賦存特征出現突變，則防突數據也會與近期的數據有顯著變化。對于數據異常現象，可應用恒定閾值、動態閾值、數據鉆取等技術進行異常識別和預警[18]，通過對異常數據的識別，提醒煤礦管理層關注該區域防突工作。

1）恒定閾值報警。防突信息一般隨時間序列呈現平穩分布狀態，如果波動較大則表明該區域可能存在瓦斯含量升高、地質構造異常、煤層賦存異常等情況。通過應用恒定閾值的方法來對數據波動進行報警，當防突預測參數超過臨界閾值時，移動APP推送發出報警通知，方便管理層實時掌握工作面生產動態。

2）動態閾值數據異常識別。動態閾值預警技術，是通過計算鄰近幾個數據的移動平均值，當某個數據與移動平均值的差值，大于自定義的波動范圍時，判斷數據為異常，移動平均差值計算方法如下：

式中：Ft為第t 個數據的移動平均差值；n 為移動平均的時期個數；At-1為第t-1 個數據的實際值；At-2、At-3、…、At-n為第t 個數據的前2 期、前3 期直至前n 期的實際值。

以響水煤礦210302 運輸巷2021 年4 月5 日—5 月30 日的鉆屑瓦斯解吸指標K1數據進行分析，應用式（1）進行異常識別，計算其移動平均差值，波動區間取0.1，210302 運輸巷數據異常分析如圖6。由圖6 可知，在此期間有3 次波動異常報警，結果顯示這3 個班次的K1值與前序班次數據有較大波動。

圖6 210302 運輸巷數據異常分析Fig.6 Data anomaly analysis of 210302 transport lane

4 現場應用情況

防突信息管理系統成功在貴州盤江集團響水煤礦進行建設應用，通過系統的應用顯著提升了響水煤礦防突信息的管理效率、實現了防突信息管理的信息化和智能化。系統的應用取得了良好的經濟效益和社會效益，主要體現在以下幾個方面：

1）大幅提升防突管理效率。通過表單設計器和工作流管理，對響水煤礦防突表單和工作流程進行適配，實現與煤礦現有防突流程和管理平滑過渡。通過數據自動上傳、鉆孔可視化、流程云審批等功能，提高防突技術人員約70%的工作效率。根據統計數據結果顯示：在2021 年1—5 月期間，響水煤礦共完成了1 000 余次防突信息的管理和審批，平均每張表單的完成時間由15 min 縮短為4 min。

2）推進防突管理信息化、智能化、透明化。通過應用防突信息管理系統，解決了響水煤礦在防突信息管理過程中存在的低效、落后的管理方式；實現對2 個“四位一體”全環節防突信息的統一管理和存儲；通過對防突數據全生命周期的記錄和管理，實現了防突信息的全過程閉環管理，實現防突參數測定“來源可追、去向可查、規律可循”。提升了響水煤礦防突信息管理水平。

3）云端一體化防突信息管控。形成“省-集團-礦井級”多層級的防突信息集中管控機制，定時為煤礦安全監督管理部門推送轄區內突出礦井防突措施統計日報表。在現有煤礦安全監督管理人力及資源的條件下，減少人工逐級審批、下礦逐一巡查的繁瑣工作量，為“礦井防突參數全覆蓋、審批內容全包含、監管時間全天候”的煤礦安全監督管理提供技術及手段支撐，實現防突關鍵環節的主要信息橫向到邊、縱向到底，有效促進“互聯網+”、云平臺的應用廣度和深度。具有較強的示范和引領作用。

5 結 語

研發了具有跨平臺、多層級的防突信息管理系統，實現了防突信息一體化云管控。煤礦防突信息管理系統，解決了防突信息全生命周期管理過程中存在的數據自動采集、數據自動填報、表單云審批、數據異常識別、信息即時推送5 大關鍵問題；實現了防突業務管理流程和信息管理流程的柔性融合，能夠根據煤礦防突業務管理流程柔性調整防突信息流程，提高適用性。防突信息管理系統在響水煤礦取得了較好的應用效果，實現響水煤礦防突信息的規范化和透明化管理、提高70%的管理效率。