邢東礦安全監控系統多系統地面融合分析與優化

靳鵬博

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

邢東礦安全監測系統采用煤炭科學技術研究院生產的KJ83X(A)型煤礦安全生產監測監控系統。系統于2018年11 底完成升級改造工作，經過試運行，現處于穩定運行階段。目前安裝有280 余臺傳感器，實現了對邢東礦井上井下各個場所、設備的監測監控。

1 多系統概況

1.1 人員定位系統

邢東礦人員定位系統采用北京天一眾合科技有限公司生產的KJ133 型人員定位系統，安全標識號為MFD090011，可實現對井下人員的實時定位跟蹤，同時實現對井下人員的“實時雙向無線通訊”。現井下安裝礦用本安驗卡分站2 臺，礦用本安型讀卡分站6 臺，礦用本安無線收發器26 個，信號覆蓋主要行人大巷、主要路口、各綜采工作面及掘進工作面等重要的人員聚集區，人員攜帶標識卡通過井下固定位置的定位分站，定位分站實時監測標識卡的具體位置，并發送到上傳機，上傳機通過軟件顯示人員的實時位置和運動軌跡。

1.2 應急廣播系統

邢東礦應急廣播系統采用濟南華科電氣設備有限公司生產的KDW127 型廣播系統，它利用礦井以太網和廣播裝置組成，共有分光器2 臺，位于1126 車場和進風斜井底，從分光器通過光纖連接各防爆主音箱KDW127，再由各防爆主音箱通過電纜連接副音箱KDW127，現有主音箱18 臺，副音箱10 臺。現覆蓋760 大巷，進風斜井，980 大巷，1100 南部采區、各生產工作面。當井下發生重特大突發事故時，調度指揮中心工作人員通過以擴音喊話的方式對突發事故地點進行疏散和疏導，避免二次事故的再發生。

邢東礦安全監測、人員定位、應急廣播系統均為獨立系統，見表1，各系統通信協議不同不能實現數據共享。在發生突發事故后需立即撤人的緊急情況下，各系統之間不能實現互動聯動功能。

表1 多系統融合明細表Table 1 Multi-system integration details

2 多系統融合要求

針對全國煤礦存在的普遍問題，國家煤監局下發了《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知：要求促進安全監測監控多元融合和信息共享，提高煤礦安全預測預警水平，實現安全監測監控信息的深度分析和綜合利用。方案要求：“實現井下有線和無線傳輸網絡的有機融合、監測監控與GIS 技術的有機融合。多系統的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。鼓勵新安裝的安全監控系統采用井下融合方式。在地面統一平臺上必須融合的系統：環境監測、人員定位、應急廣播，如有供電監控系統，也應融入。其它可考慮融合的系統：視頻監測、無線通信、設備監測、車輛監測等。”要求：“安全監控系統應具有大數據分析與應用功能，至少應包括以下內容：偽數據標注及異常數據分析；瓦斯涌出、火災等的預測預警；大數據分析，如多系統融合條件下的綜合數據分析等；可與煤礦安全監控系統檢查分析工具對接數據”。

3 多系統融合方式對比

3.1 地面融合

通過人員定位、應急廣播系統上位機提供標準接口（FTP、OPC、以太網口），按照煤監測系統廠家提供的系統融合的協議，開發數據采集及聯動控制接口，實現地面融合，投資較少，維護方便，并且井下系統互不影響，通過多系統融合平臺可實現數據利用，系統聯動。

3.2 井下融合方案

如果采用井下融合的方式，需要在每個采煤工作面以及掘進工作面分別布置一臺KT508-F 區域協調控制器，通過CAN 總線接口或以太網接口與該區域的監控分站、定位分站以及擴播音箱連接，實現上述3 個系統的井下數據融合、應急聯動功能。系統井下融合架構如圖1所示。

圖1 系統井下融合架構Fig.1 Underground fusion architecture of the system

井下區域協調控制器是數字式監控系統的一部分，是實現井下多系統數據融合與應急聯動的重要組成設備。區域控制器分別與該區域內監控分站、人員定位分站以及礦用本安型主音箱通過CAN 總線接口或以太網接口直連，實現各個設備以及系統間的數據融合聯動。且區域控制通過以太網接口就近接入環網交換機，在上述直連線斷開的情況下，可通過交換機實現各設備以及系統間的數據融合，提供了冗余的鏈路，提升了系統的可靠性。區域協調聯動如圖2所示。

圖2 區域協調聯動示意Fig.2 Regional coordination linkages

區域協調控制器的主要功能為接收（并上傳）安全監控、人員定位、應急廣播等各個系統發送的應急聯動數據，并依據之前設置好的聯動關系，發送控制命令給相應系統，進行系統間的應急聯動。區域協調控制器采用CAN 總線接口和以太網口兩種通訊接口與聯動設備進行通訊，同時，制定好2種接口的通訊協議，接入區域協調控制器的設備需要按照協議向控制器發送聯動數據（若接入設備無法按協議進行修改，也可修改區域協調控制器的通訊程序，以滿足不同情況下的使用要求）。

3.2.1 其他系統配接監測系統設備

配接的安全監控系統，采用總線監聽和主動查詢2 種獲取數據方式，區域協調控制器獲取到報警信息后，發送控制命令給擴播和人員定位系統，實現應急聯動。與人員定位系統和網絡擴播系統的設備接通訊時，需使用定制的通訊協議，以便區域協調控制器及時發布聯動指令或獲取2 個系統的設備數據。正常工作時，各系統數據依然通過原有方式上傳數據至上位機。同時，以太網協調控制器應具有大容量的本地存儲芯片，可實現在與上位機通訊中斷的情況下，在本地存儲聯動數據或其他有用數據。

3.2.2 所有系統共同外接一臺設備

針對開放通訊協議的廠家，可采用總線監聽和主動查詢2 種獲取數據方式，區域協調控制器獲取到報警信息后，發送控制命令給擴播和人員定位系統，實現應急聯動。針對不開放通訊協議的廠家，需通過一臺主站匯總同一區域內所有分站的應急聯動數據并集中發送至區域協調控制器。區域協調控制器下發的聯動命令也通過主站轉發給同一區域內各相關分站。

3.2.3 設備對外接口

區域協調控制器設計了6 塊可插拔的RS485和CAN 可互相轉換的協議轉換模塊，可實現CAN數據與RS485 數據間的相互轉換，所有轉換板與主板CPU 間的通訊協議為固定的標準協議（分CAN 和RS485 兩種），該設計具備2 個優點：外接其他系統設備，需要協議轉換時，只需要修改協議轉換板的程序，無需修改主板程序；主板對外的輸出接口比較靈活，可配置為x（x 范圍0～6） 路CAN 接口和6-x 路RS485 接口，各個接口可以配置為主通訊接口或子系統接口，也可以配置相互間的中繼功能，以適應不同區域總線接口需求。

根據邢東礦生產情況，邢東礦自2001年開始投產至今，為投產多年的大型礦井，目前井下各系統均已經建設完畢，當選用井下融合多系統的方式，需要邢東礦聯系協調人員定位系統、應急廣播廠家，開放通訊協議，或者重新建立一套人員定位系統和應急廣播系統再實現重新協議融合。根據分析可知地面融合比井下融合人力簡單、物力較少、建設周期短、操作過程容易、花費資金較少，綜合比較利弊后決定邢東礦多系統融合方式采用地面融合方式實施開展。

4 邢東礦多系統融合方案

邢東礦系統融合采用地面方式，融合的系統包含：安全監控系統、人員定位系統、應急廣播系統，本次邢東礦多系統融合還對供電監控系統進行了融合，實現地面監控中心對井下各個變電所的數據采集、監視監測等功能。本次融合主要采用監測監控系統升級改造時配備的多系統融合模塊和GIS平臺模塊來實現，如圖3。

圖3 安全監測系統多系統融合GIS 平臺展示Fig.3 Display of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

4.1 多系統融合

針對邢東礦各系統屬于不同廠家的現狀，選取地面融合方法，采用軟件開發平臺，通過制定標準協議函數，達到各系統之間的數據獲取的目的。

KJ83X(A)型數字監控系統GIS 平臺通過數據接口獲取人員定位系統某區域（讀卡機位置） 人員位置信息和工作狀態進行統計顯示；通過數據聯動應急廣播報警通知人員撤離；通過數據接口能夠獲取主要供電監控系統設備的饋電狀態和監測數據，并在GIS 平臺上采用不同的顏色進行顯示。

4.2 多系統聯動

KJ83X(A)監測系統傳感器或斷電區域具有與人員定位系統讀卡機ID 綁定設置，當發生某區域數據超限、斷電報警，可以通過數據接口下發到人員定位系統讀卡機或應急廣播系統設備，進行人員危險通知或語音報警；當人員進入井下禁區，GIS 平臺可以實時顯示，并通過應急廣播系統進行提示。

4.3 系統GIS 平臺實現

系統融合GIS 平臺通過多圖層疊加設計實現集成展示，融合后，監控系統會將其它系統獲取的數據進行存儲，為系統之間的互動做好準備，獲取不同系統的基本數據后，根據實際的需要，對不同系統的設備進行關聯存儲，并設定觸發的條件，實現系統之間的互動提示或報警，如圖4和圖5所示。

圖4 安全監測系統多系統融合GIS 平臺應急聯動示意Fig.4 Emergency linkage indication of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

圖5 安全監測系統多系統融合應急聯動命令下達示意Fig.5 Safety monitoring system multi-system integration emergency linkage command issued instructions

通過多系統的融合后，采用大數據分析可改變以往“被動”監控的狀態，主動對監控信息進行智能分析，消除偽數據及異常數據，實現瓦斯涌出、火災等突發事件的預測預警，達到事前預警、有效監視，把事件的發生消滅在萌芽階段。

多系統聯動功能的條件、參數和應急方案由邢東礦根據實際情況設定。聯動條件觸發時，系統不斷發出警告聲音，并彈出對話框由安全監測值班人員確認是否發出聯動控制信號，值班人員確定后，系統自動根據預設方案進行聯動控制，當甲烷或一氧傳感器達到規定的報警值時，啟動應急預案下發撤人命令。

5 結語

依據國家下達的升級改造技術方案要求，需要對人員定位、應急廣播系統進行進行多系統融合，以提高煤礦安全預測預警水平。邢東礦采用地面融合的方式實現了監測系統與其他系統的多系統融合，實現在瓦斯超限時，通過應急廣播系統播放撤離信息，通過人員定位系統發送撤離信號，通過供電監控系統監測供電情況，實現了多系統互動聯動功能，保證了邢東礦職工人身安全。