王振平，閆振國(guó)，岳 寧，王偉峰，肖 旸

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜西未來(lái)能源化工有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林719000）

我國(guó)礦山地質(zhì)條件復(fù)雜多變，礦井通風(fēng)是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是防治瓦斯、火災(zāi)、粉塵最直接有效的手段。礦井通風(fēng)主要是利用機(jī)械通風(fēng)的方法持續(xù)的向井下運(yùn)輸新鮮空氣，保證人員呼吸的同時(shí)稀釋并帶出有毒有害氣體和浮塵，達(dá)到改善礦井環(huán)境的目的，良好的通風(fēng)條件有利于保障礦井安全生產(chǎn)，是災(zāi)害防治的基礎(chǔ)。在當(dāng)今大環(huán)境下，礦井朝著機(jī)械化、智能化方向發(fā)展，但礦井通風(fēng)依然處于人工或半人工操作的狀態(tài)，不足以支撐礦井智能化的建設(shè)[1-6]，礦井通風(fēng)災(zāi)害預(yù)警與智能化調(diào)控能力明顯不足，災(zāi)害得不到及時(shí)有效地控制。國(guó)家8 部委下發(fā)有關(guān)意見提出利用現(xiàn)代化的智能手段，建立起全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦智能化運(yùn)行。一直以來(lái)，科技工作者們都在對(duì)礦井智能通風(fēng)開展廣泛的研究。1980 年，常心坦[7]赴美留學(xué)期間，開發(fā)的MFire 至今仍在美國(guó)礦業(yè)界廣泛沿用，回國(guó)后將WebGIS 運(yùn)用到礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖的繪制、最佳避災(zāi)救災(zāi)路線的選擇與瓦斯、煤塵爆炸的預(yù)測(cè)；1990 年，劉澤功[8]運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)分析通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障的原因與位置，提出運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬和仿真技術(shù)分析事故的方法；之后，周平等[9]以蔣莊煤礦為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)管理系統(tǒng)的可視化；倪景峰等[10]以金川二礦區(qū)防塵系統(tǒng)為依托，設(shè)計(jì)出了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化程序。綜上所述，取得的這些成就促進(jìn)了礦井智能通風(fēng)的巨大進(jìn)展。目前“一通三防”在礦井智能化應(yīng)用的形式多樣[11-13]，雖在一定程度上達(dá)到了智能化，但“一通三防”各系統(tǒng)大都獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)匯集的過程中幾乎都會(huì)采用書面形式進(jìn)行記錄，不僅效率低、偏差大，還使得這些數(shù)據(jù)難以得到有效利用，為災(zāi)害的發(fā)生留下了隱患。為此，響應(yīng)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，建立起一套信息實(shí)時(shí)收集、融合分析、規(guī)律提取、科學(xué)決策的礦井“一通三防”智能管控體系就顯得非常有必要。

1 “一通三防”智能管控體系

礦井“一通三防”智能化建設(shè)總體思路如圖1。

圖1 礦井一通三防智能化建設(shè)總體思路圖Fig.1 The general idea of intelligent construction of mine“one ventilation three prevention”

在礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)智能算法與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“一通三防”管理的科學(xué)化、智能化，使其具備防災(zāi)、抗災(zāi)、減災(zāi)能力。以“系統(tǒng)可靠、裝備先進(jìn)、管理科學(xué)、決策智能”為目標(biāo)，“平戰(zhàn)結(jié)合”為理念，實(shí)現(xiàn)以下3 個(gè)能力：①在日常的通風(fēng)管理中，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)一直保持在合理狀態(tài)，具備防災(zāi)能力；②在災(zāi)害尚未形成時(shí)期，能早期識(shí)別災(zāi)變信息、預(yù)測(cè)預(yù)警并迅速處理，將隱患消除在萌芽中，具備抗災(zāi)能力；③在災(zāi)變期為災(zāi)害控制提供科學(xué)合理的決策方案，具備減災(zāi)能力。

結(jié)合礦井實(shí)際情況，基于礦井安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)鏈與知識(shí)鏈（數(shù)據(jù)說(shuō)話+智能提升），礦井“一通三防”智能化技術(shù)研究與建設(shè)重點(diǎn)體現(xiàn)在：1 個(gè)平臺(tái)，5 大系統(tǒng)。1 個(gè)平臺(tái)，即礦井“一通三防”綜合智能管控平臺(tái)，是“一通三防”數(shù)據(jù)采集、分析、共享中心，各系統(tǒng)在平臺(tái)中獲取信息，達(dá)到智能管理、控制和決策的目的。5 大系統(tǒng)：通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化分析與輔助決策系統(tǒng)；粉塵監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)；瓦斯分析預(yù)警與智能管控系統(tǒng)；煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)；外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 礦井“一通三防”綜合智能管控平臺(tái)

“一通三防”管控智能平臺(tái)主要內(nèi)容如圖2。

圖2 “一通三防”管控智能平臺(tái)Fig.2 Intelligent platform of“one-ventilation and three-prevention”

該平臺(tái)是由5 個(gè)系統(tǒng)集合而成，它是“一通三防”數(shù)據(jù)的采集、分析以及共享中心。該平臺(tái)建立了4A（AnyOne、AnyTime、AnyWhere、AnyDevice）式煤礦通風(fēng)安全生產(chǎn)管理新模式和通風(fēng)安全管理評(píng)價(jià)，提處理業(yè)務(wù)的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)“一通三防”管控的智能化。

1）“一通三防”數(shù)據(jù)云管家系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、技術(shù)資料云管理以及資料(數(shù)據(jù))的上傳，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和高效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，為煤礦安全生產(chǎn)資料的日常管理提供便利，確保數(shù)據(jù)資料的及時(shí)更新。

2）多源數(shù)據(jù)融合與云計(jì)算中心。數(shù)據(jù)多元信息融合系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。為了更好地利用5 個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，平臺(tái)搭載了多源數(shù)據(jù)融合與云計(jì)算中心。通過云端數(shù)據(jù)的融合，深度挖掘數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)系，分析并提取其中蘊(yùn)含的規(guī)律，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、識(shí)別并分析災(zāi)害征兆。其中的多元信息融合數(shù)據(jù)庫(kù)主要是針對(duì)礦井“一通三防”災(zāi)害的智能分析與判別，通過“一通三防”的有關(guān)理論將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助決策信息，以圖、表、曲線等圖形化的表達(dá)方式直觀展現(xiàn)，為礦井人員安全疏散和救援提供智能化決策支持。在整個(gè)礦井“一通三防”綜合智能管控平臺(tái)中，云計(jì)算中心就如同中樞神經(jīng)一般連接著各個(gè)系統(tǒng)，彼此間能實(shí)現(xiàn)縱向貫通和橫向關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的整體。

圖3 數(shù)據(jù)多元信息融合系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of data multiple information fusion system

3）通防安全態(tài)勢(shì)可視化實(shí)時(shí)分析子系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助綜合智能管控平臺(tái)可以有效地整合礦井“一通三防”信息，挖掘其中內(nèi)在的關(guān)聯(lián)價(jià)值，通過明確的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)模式形成以配置規(guī)則及評(píng)分規(guī)則為核心的煤礦動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果的形象、直觀和具體化，實(shí)時(shí)的反應(yīng)煤礦的安全態(tài)勢(shì)。

4）智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要控制主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)以及風(fēng)門、風(fēng)窗，實(shí)現(xiàn)控制地區(qū)無(wú)人值守，節(jié)省井下的人力物力。其優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的故障診斷和工況檢測(cè)，把監(jiān)測(cè)到的信息分析并推送到綜合智能管控平臺(tái)，地面人員通過平臺(tái)可實(shí)時(shí)了解井下動(dòng)態(tài)，遠(yuǎn)程控制風(fēng)門及風(fēng)窗的運(yùn)行狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)礦井通風(fēng)量，保持井下通風(fēng)的穩(wěn)定，或者根據(jù)礦井下的狀態(tài)，按照井下實(shí)時(shí)的風(fēng)量需求供風(fēng)。若井下發(fā)生災(zāi)害，操作人員可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停，降低災(zāi)害帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化分析與輔助決策系統(tǒng)

礦井通風(fēng)是安全生產(chǎn)的基石，該系統(tǒng)立足于礦井通風(fēng)管控需求與現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平，在有效感知現(xiàn)場(chǎng)“一通三防”態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤分析、規(guī)律提取、科學(xué)預(yù)警、日常管控、系統(tǒng)抗災(zāi)能力分析與輔助決策等功能，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)高效精準(zhǔn)的智能調(diào)控。

結(jié)合井下巷道的物理參數(shù)、具體環(huán)境與通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用風(fēng)網(wǎng)智能動(dòng)態(tài)解算算法，建立起礦井通風(fēng)系統(tǒng)精確的數(shù)字化模型。采用多組合傳感器同時(shí)空感知技術(shù)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)井下瓦斯、風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)量等有關(guān)通風(fēng)數(shù)據(jù)，通過識(shí)別和分析數(shù)據(jù)，確定井下通風(fēng)是否處于正常狀態(tài)。若井下通風(fēng)處于非正常狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整形成最佳解決方案。

2.3 礦井粉塵智能管控系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于礦井現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)，針對(duì)井下各塵源點(diǎn)粉塵實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)預(yù)報(bào)，智能傳感集控，在電腦終端和移動(dòng)端形成實(shí)時(shí)同步的可視化動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)礦井粉塵濃度智能監(jiān)測(cè)。根據(jù)粉塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、結(jié)果分析、上傳及超限自動(dòng)預(yù)警，與噴霧除塵裝置形成聯(lián)動(dòng)控制、智能除塵和遠(yuǎn)程集中控制。

2.4 瓦斯分析預(yù)警與智能管控系統(tǒng)

結(jié)合礦井瓦斯涌出特點(diǎn)，構(gòu)建基于礦井用風(fēng)點(diǎn)的安全分區(qū)，將通風(fēng)與瓦斯異常有機(jī)融合，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的安全環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)有的風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)量、溫濕度、甲烷、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氣壓、壓差等環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，研究重點(diǎn)場(chǎng)所區(qū)域內(nèi)氣流場(chǎng)計(jì)算與預(yù)警算法；研究重點(diǎn)場(chǎng)所內(nèi)甲烷、氧氣等重點(diǎn)指標(biāo)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分布擴(kuò)散特征及模型；建立重點(diǎn)場(chǎng)所各精細(xì)化安全分區(qū)區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)安全評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)瓦斯智能分析預(yù)警與管理。

2.5 煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)

結(jié)合礦井煤自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀，建立煤自燃危險(xiǎn)程度分級(jí)預(yù)警模型，研發(fā)煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)，構(gòu)建采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域早期隱患識(shí)別、判定和主動(dòng)防控的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤自燃的主動(dòng)監(jiān)測(cè)和超前預(yù)防。

2.6 礦井外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)

針對(duì)礦井變電所等機(jī)電設(shè)備硐室電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警與聯(lián)動(dòng)控制存在的問題，建立火災(zāi)煙氣流動(dòng)的區(qū)域羽流模型和煙氣在巷道網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)模型，模擬火災(zāi)煙氣在巷道網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散規(guī)律，研發(fā)礦井電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警與智能管控系統(tǒng)軟件，主要包括：礦井電氣火災(zāi)無(wú)線煙氣監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)、礦井電氣火災(zāi)紅外熱像監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)、礦井膠帶火災(zāi)視頻智能識(shí)別子系統(tǒng)、礦井電氣火災(zāi)自動(dòng)滅火子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備場(chǎng)所易燃區(qū)域的煙氣參數(shù)、紅外熱像和視頻圖像智能監(jiān)測(cè)、分析，進(jìn)行智能預(yù)測(cè)、預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

提出了礦井“一通三防”智能管控體系，研發(fā)了礦井“一通三防”智能管控系統(tǒng)，采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)礦井“一通三防”各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享與智能聯(lián)動(dòng)，通過礦井“一通三防”智能化管控平臺(tái)與通風(fēng)多參數(shù)精確檢測(cè)裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)、瓦斯、煤塵、防滅火數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及分析決策，真正做到“一通三防”一體化、智能化，進(jìn)一步提高礦井“一通三防”的科學(xué)化管理水平。