智慧礦山多系統井下融合與應急聯動安全防控技術探析

鄧巧平

（中鼎國際建設集團江西礦山隧道建設有限責任公司，江西南昌330096）

目前，國內各大煤礦都建立了監控系統、人員定位系統、通訊系統，用來保障煤礦的安全生產和工作人員的生命安全，但是這些系統大多獨立運行，而且每個系統的傳感器和安全裝置都是有限的，因此不能進行大規模的數據采集。各個監測類型的系統，盡管應用的場境有著較大的差異，但是在結構上基本一致，以燃氣、水、火、頂板、粉塵等常見的煤礦災害為例，在礦井中，一般采用“傳感器采集—數據集成傳輸—應用邏輯控制”的結構，一些傳感器設備在技術指標上有類似的需求，但是當前各個傳感器設備無法共用，數據共享困難[1]。另外，礦井的開采深度和強度也在持續增加，災害的發生也從單一的災害類型逐漸演變為多災種的藕合，使應急響應和避險規劃變得更加困難。

目前，全國主要煤礦的安全監控系統、人員管理系統、廣播系統電力供應等系統已經在中心站層面上實現了初步融合，但礦井內環境復雜，感知單元會因為人員、環境和設備狀態的頻繁變動而產生海量的數據，導致數據從采集單元發送到數據平臺所需要的時間大大延長，再加上技術、網絡等不可預測的原因，會造成短時間內數據大量的集中，造成中央站的卡頓或停機，導致應急響應的時間推后。為了解決這一問題，本文以邊界協同控制為研究對象，設計和研制了一種基于邊界協同控制的分站，實現了智能礦山安全管理的多系統集成與應急聯動。

1 多系統井下融合必要性

由于礦井內各種監控設備的不斷更新和廣泛應用，使得礦井的自動化和信息化程度得到了提高。但是，在設計各種監控系統的時候，“智能礦山”的概念和建設目的都不清楚，各個系統的行標也是彼此獨立的，因此，各個系統都沒有從總體上來考慮，由于只針對某一具體的應用，導致在同一個礦井甚至在一個采場中反復地使用相同或相近的裝備，從而導致了礦山的安全和生產過程的管理日趨復雜。經過對當前煤礦使用的監控設備進行現場調查發現，主要存在以下幾種問題：

（1）傳感層設備之間由于通訊協議之間具有差異，影響了數據在不同設備之間的傳遞和共享，存在著指令不能響應的危險。由于各個系統彼此獨立，在傳感設備的邊緣層使用了不同的通訊協議，使得多個系統的兼容性下降，多個系統的融合度很低，不能進行統一的采集、傳輸、控制和供電。另外，目前大多數的監測系統都是以井下中心平臺為基礎，根據各個系統的安全評分標準，或者采用現有的評估方法，建立一個基于礦井安全評估的數學模型。根據相關作業區域的環境指標，估算出工作區當前的安全等級，并給出相應的安全反應措施，這種方法的優勢是不需要進行太多的邊界運算，它僅依賴于一臺高性能的計算機進行運算和決策，具有很好的結構，但是它的缺點是運行周期太長，并且在網絡層或者中心站點的平臺發生故障的時候，不能確保完成所需執行的指令。

（2）大量投入功能類似的設備，造成系統功耗增加。目前，各煤礦的監控類型都是完全獨立的，各監控層次的設備因協議和傳輸格式的不統一，導致各設備只能在現有的系統中獨立運行，不能夠實現參數在不用設備系統中的共享。比如，在同一工作區，一氧化碳、煙霧、溫度傳感器的技術指標完全能夠消防監測的需要，但由于不能實現數據共享，所以不僅要重新安裝同樣的傳感器，還要將電纜、供電設施等必要的設備重復配置，這樣不僅會增加建設成本，還會加大維修費用，提高系統的使用難度。另外，目前在礦井中設置的各個監控點并沒有“去重”，而是直接進行了融合，結果表明，如果不按照規定進行數據的加工，很容易造成能耗難以降低，造成融合后的能耗增加。另外，現有的監測分站的設計多以實現某一系統的功能為主，并未考慮到大量的運算量，而是采用了低功耗、低成本、保量的主控制器。在現有的多個站點中，因為其計算能力的欠缺，對多個系統進行融合時，無法完成大量的邊緣運算，數據的收集和處理的數據量太大，對系統實時性有很大的影響。

（3）多個系統只在井上融合，對主干環網的依賴性較高，不能獨立運行。針對系統的數據利用特性和業務關聯性，建立了一個基于監控、人員定位、廣播等系統的系統，并結合相應的輔助系統，例如：引導、發布、供電系統等，建立了礦井“人—機—環”協同管控應急聯動預案。由于當時技術和產品規范的限制，需要將有關的設備集成到井上中心站的平臺，目前大多數礦井設備生產廠家、科研院所已經實現了這一目標，但在實際應用過程中，其缺點也隨之顯現出來。在井上融合中，每個系統都占據了各自的數據鏈路層，數據在各個系統中獨立使用，共享難度大，不能在井下實時獲得對方監測數據和狀態。此外，在與主干網分離后，一旦發生異常，原有的應急反應方案將會失效，使其不能獨立工作，由點式管理向面式管理轉變實現困難。

因此，在智能化礦井建設的發展趨勢下，必須要進一步完善煤礦安全監測體系中的“人—機—環”的綜合管理模式。在礦井智能化的礦井安全控制中，實現了多個系統的集成和應急聯動。

2 基于邊緣協調管控技術的多系統融合與應急聯動

針對目前礦井監測與整合后的礦井監測與集成的主要問題，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向邊緣子站延伸。這種方式不僅可以在網絡的邊緣處理各種應用程序和各種數據，而且還可以實現分站和數據中心間進行數據流與控制信息的雙向流通，從而可以降低網絡壓力，加快信息處理速度，提高分析和判斷能力，從而達到對“云”、“邊”和“端”等多種負荷的配合優化。

2.1 邊緣協調管控分站技術

為了保障系統高效、穩定運行，需要設計一種計算能力強、具有多路線場總線、多種通訊協議的邊緣協調管控分站，該分站既能夠實現數據采集和邊緣計算，還能夠實現安全監測。依托多種現場總線，實現對系統中設備的信息采集，將避險信息及時發布到引導屏上，并利用該系統實時、精確地播出各監控站的警報狀況。利用以太網對控制標識進行預警，并對其它地區的數據進行采集，從而達到不同地區的數據融合，基于工業總線和各種數據的數據采集與控制輸出標準的界面，可以收集不同系統的數據，實現了數據的規范化和標準化，能夠實現系統功能的全部實現，信息采集和信息處理模塊實現分離，數據可以長期存儲，確保數據完整性。圖1顯示了邊界協同控制子系統的硬件結構。

圖1 邊緣協調管控分站硬件架構圖

所述分站包括處理單元、有線通信單元、無線通信單元、數據存儲器和人機交互部分。以STM32MP157為主要控制器，計算能力高，接口豐富，主要用于數據計算和邏輯運算；有線通信系統由RS485 總線和CAN總線組成，它們的功能是對總線進行數據采集，并與導航系統進行通信，以太網絡的功能是與中心站、人員定位管理系統和廣播系統之間進行信息的交流的渠道；無線系統包括4G 模組、Lora 無線模塊，用于分站和4G網絡的通訊以及Lora 無線傳感器的數據采集；該數據儲存設備是一個單獨的存儲單元，用以儲存必要數據及系統的配置信息，并能在網路中斷時儲存數據及狀態信息，在網絡再連接時，根據具體的運算法則進行數據傳送，人機交互系統的組成為紅外遙控裝置和顯示器，確保重要的狀態信息顯示。該系統采用紅外遙控器和5寸彩色屏幕，以完成必要的信息輸入接口。

在軟件方面，分站要進行大量的數據運算，并給出合理的邏輯控制命令，并與定位站、廣播站、中心站進行通信，對報文進行及時的處理。分站中包括兩個核心模塊，數據采集模塊和數據計算模塊，ARM內核的功能是數據計算，該模塊開發的基礎是Linux 操作系統，M4 內核功能是數據采集，該模塊開發的基礎是freertos。分站中的大量任務以多進程的方式完成，在此過程中，大量的數據通過共享內存的方式在設備間時間交互，各個處理間通過socket 來傳遞共享內存key，在進程中采用多線程的開發，通過消息隊列進行數據傳輸，采用信號量等技術實現線程同步。為了提升分站系統功能升級的便捷性，還需要給分站添加遠程升級模塊。圖2顯示了邊界協調控制分站的數據處理軟件的結構。

圖2 邊緣協調管控分站數據處理軟件結構圖

2.2 多系統融合技術

通過RS485 和CAN 等常用的總線接口，通過統一的傳輸協議和數據傳送格式，能夠對各種傳感層設備進行統一的采集，并在數據鏈路上進行統一的數據傳送。應用層采用統一的邏輯控制，數據采集準確、穩定，控制指令穩定可靠、傳輸數據格式正確、各設備間配合密切，響應迅速。

邊界協同控制分站采用一般的現場總線將各系統的傳感器連接起來，但在進行連接之前，必須對各個感應器進行統一的編碼，傳感器可以利用該晶片自身的UID 來實現對每個器件的獨特標識，利用該唯一ID 為主要關鍵標識，對各傳感層裝置進行統一的識別，確保各傳感層的設備信息能夠由各邊界分站進行統一的采集，由于各分站的數據傳送格式是一致的，因此各傳感器裝置都能被其它的系統所辨識。該系統能夠按照需要進行數據識別和使用，達到數據統一傳輸、數據共享的目的，同時也可以減少系統的重復投資，從而降低系統的總體能耗。多個體系整合的原理框圖見圖3。

圖3 多系統融合框圖

邊緣設備是本區域唯一的數據融合裝置，它為各個系統提供了數據采集、傳輸通道和業務邏輯處理，并對各個系統的控制命令進行響應。該分站既能對各個系統進行原始數據的采集，又能利用各個系統的控制命令，在業務層上建立一個統一的界面，并按照從地面中心傳來的邏輯指令，把融合后的實時數據傳送到需要的系統。該系統能夠在突發事件中進行數據的融合和交互，并能在突發事件時進行系統的邏輯控制。

2.3 應急聯動技術

通過安全監控與監控系統的組合，可以啟動應急聯動。比如某個工作面的瓦斯濃度超過上限，這樣，安全監測系統就會停掉或切斷某些特殊地區的非安全性設施，并由精確的人員定位系統，通知現場的人員疏散。緊急廣播系統會播放特定的音頻信號和語音播報，播放指定的警報和疏散路線。應急聯動系統工作的原理如圖4所示。

圖4 應急聯動框圖

（1）安全監控系統與廣播系統實現井下融合聯動。在應急廣播終端和分站上，通過UPD的方式，實現各分站與廣播系統進行信息交流，在程序開始后，該分站將接收到的感應器的種類、地址等信息進行編譯，并將其傳送至廣播系統。在系統參數正常的情況下，上位設備的控制廣播終端進行控制指令的播報，一旦區域內出現甲烷異常的情況，則傳感器的數據會通過互聯接口推送給廣播系統，廣播系統在收到應急信息后，應急廣播系統根據事先設置好的程序，及時地向廣播終端發送緊急狀態信息，并利用有線的方式向廣播分機播發緊急情況。

（2）通過對礦井的監控和人員的定位，可以實現井下的融合。基于礦井綜合應急通信系統的安全監控與人員定位系統，每隔一段時間通過人員和定位分站的通訊精確判斷井下工作人員的位置，利用MQTT 技術實現了邊緣分站與人的位置的精準定位。MQTT 是一種基于訂購—發布方式的通訊協議，該協議中的定位子站根據緊急聯動預案的要求，將報警訂購請求發送給已經接入的邊緣子站點，由于協議支持一對多的報文訂閱，所以當邊沿分站所管轄的地區出現緊急聯接作業時，邊沿分站接收到訂購報文的精確人定位分站的信息。邊沿分站信息可以被多個定位分站同時訂購，多個定位分站在接到緊急情況的情況下，可以對所處位置的分站發出警報。該模型既能減少網絡的信息傳遞，又能改善數據的實時性。

3 “人—機—環”應急聯動實現

安全監視、精確的人員位置定位、緊急廣播、信息發布是安全聯動控制的核心內容。這些系統位于同一個礦井，甚至同一工作面，系統之間需要完成的功能包括數據信息的交互和操作指令的傳遞和執行，所以就對系統的穩定性和傳遞速度提出了較高的要求。應急聯動包括安全生產狀態、異常預警狀態和生產失控狀態三個階段，分別從不同的危險程度出發，對相應的監控區域內的人員和設備進行不同層次的應急預案。3個狀態下的相應的緊急預案如表1所示。

表1 應急聯動預案表

分站由中心站軟件（或板載式HMI接口）監控參數信息、并發布相關控制指令。該系統對各控制區的主要大氣參數（如甲烷、CO、風速、風向）進行了實時監測，監控人員狀態，并將采煤機、掘進機、風機、帶式輸送機等重要設備的運行情況，轉換成統一的數據傳送形式傳送給中央控制中心，若該時刻站點與骨干網分離，將收集到的數據根據“變值變態”的原則和時間戳共同存儲在板載NandFlash，等到通訊功能正常后重新傳遞數據。

當傳感器采集到的實時數據不超過系統的安全閾值，且風速的采集結果，風向采集結果，一氧化碳的采集的數據低于報警閾值時，且工作人員的定位信息與分站傳輸的信息一致時，在此期間，所有重要裝置操作的各項指標均在標準之內，不采取任何措施防治風險，系統保持正常工作狀態；當一組或多組環境參數（可配置）超過警戒值但是還沒有超出上限時，進入異常警報應急控制狀態。各分站負責監測區域內的設備操作，增強對各區域環境指標的收集，增加通風量，并及時通知有關部門進行設備巡視和檢修；當環境參數的實時值超過上限時，進入不受控制的緊急報警狀態。分站將關閉該地區的非關鍵安全設施，不斷增加供氣，同時，一旦某個位置出現甲烷異常現象，則系統會立即進行通報，通報的內容包括甲烷的濃度值，異常位置的具體坐標，然后通過分站向該處發出對應的控制指令，向有關的位置聲卡發出聲光報警、震動報警、信息引導系統發出撤離信號和撤離路徑，在此期間，若網絡正常，則由中央站軟件根據GIS地圖和相關人員信息，確定疏散路線，通過精準的指令信息引導相關人員撤離，在環境參數恢復正常時，閉鎖會自動轉為正常工作狀態，恢復安全生產模式。

4 結語

根據智能化礦井建設的發展趨勢，安全監控類系統的井下融合與從“人—機—環”的新需求出發，對礦井常見的監測系統功能、融合方法和突發事件的聯動機制進行了研究，同時，根據全國能源局、各地煤監局近日印發的智慧礦井建設規劃，對煤礦的安全管理工作進行了新的闡述，在邊緣協同控制子站的基礎上，將多個礦井的安全控制系統有機地結合在一起，從而達到了應急聯動的目的。該系統的多系統融合與應急聯動方案實施，使得井下多系統有效融合的問題得到了高效的解決，實現了具有設備采集信息能夠在不同設備之間共享，又能統一傳輸網絡傳輸層，統一控制邏輯控制層，并能在沒有主機管控的情況下，實現對多系統的監控、廣播、信息引導、發布等功能。井下精密的人員位置管理體系為井下職工提供了安全保障，滿足了礦井智能化趨勢下安全控制體系的發展目標和意義。