智能矿井安全生产管理信息共享模型研究

智能矿井平安消费管理信息共享模型研究翻开文本图片集摘 要：矿井平安消费物联网是煤矿智能化开采与平安管理的关键技术手段之一。针对目前矿井平安消费的各监控管理子系统互相独立造成的信息孤岛和信息共享问题，从信息共享的角度提出了基于交融传输的智能矿井平安消费管理信息共享模型。文章详细阐述了该模型的设计目的、总体架构和关键技术，以信息共享为打破点，从统一编码标识体系、交融无线传输和综合业务应用平台三个层面建立一体化的平安消费管理信息共享模型，解决智能矿井平安消费管理问题各个环节的信息共享问题，为矿井平安管理决策提供信息根底。【关键词】：p 】：智能矿井;矿井物联网;平安监控信息系统;平安管理中图分类号：_ 924 文献标识码：A 文章编号：1672-731220_06-0703-06Research on Information Sharing Model of IntelligentMine Safety Production ManagementWANG Bin，WANG An-yiCollege of Safety Science and Engineering，_ian University of Science and Technology，_ian 710054，ChinaAbstract：The inter of things in mine safety production is a key technology for intelligent mining and safety management of coal mines.In order to solve the information island problem caused by the independent monitoring and management subsystems of intelligent mine safety production，the information sharing model of converged transmission is proposed from the perspective of data transmission.The article elaborated the fusion transmission architecture，key technologies and design goals of the model，took data sharing as a breakthrough point，established an integrated safety production and management information infrastructure，and solved the problem of information sharing in all aspects of mine safety production management issues.Key words：intelligent mine;mine inter of things;security monitoring information system;security management0 引 言“十二五”期間煤矿平安消费形势持续稳定好转，但随着开采深度增加，煤与瓦斯突出、冲击地压、热害等灾害日益严重，耦合灾害加剧，煤炭企业经营困难导致平安风险加大，百万吨煤死亡率仍高于世界先进国家，经济开展新常态给矿井平安消费带来新问题与新挑战1-2。现有的煤矿综合自动化系统实现了各监测系统的集成，但是仍存在感知手段传统单一，缺乏泛在感知网络、统一的通信协议、综合业务平台和信息共享等问题3-4。由于煤矿井下环境的复杂性和特殊性，很多关键技术制约着煤矿平安消费物联网的开展，很难实现“机械化换人，自动化减人”的管理目的。目前，世界兴旺国家将物联网技术作为抢占新一轮经济科技开展制高点的重大战略之一，我国也将其作为国家重点开展的战略性新兴产业。国务院“十三五”国家信息化规划提出：要推动物联网关键技术研发和重点领域的应用示范5。煤矿平安消费“十三五”规划提出：施行机械化改造晋级工程，集成应用物联网、云计算、大数据等技术，提升煤矿平安消费可视化、数字化及智能化程度，到2022年建成30个智慧矿井示范工程，实现智能开采和平安管理。国家平安监管总局关于推动平安消费科技创新的假设干意见中也明确指出：着力推进“机械化换人、自动化减人”;大力推广防治事故灾害先进技术装备;加快信息技术与平安消费的深度交融，推进物联网等信息技术在矿井等高危行业领域的创新应用6-8。国家应急管理部征集的“十四五”应急管理规划重点课题研究方向中也提出总结物联网、大数据等技术在重大灾害事故风险防控中的经历和成果，研究提出国家“十四五”期间风险预测预警工作的开展目的、建立内容和施行途径。随着国家对煤矿平安消费的日益重视，以及各煤矿企业对进步消费效率增强企业竞争力的需求日益强烈9。煤矿有线调度通信、无线通信、应急播送、扩播 、人员定位系统和工作面设备运行监测等交融的综合通信系统是煤矿平安消费物联网的重要组成局部，是实现煤矿监控和指挥才能的挪动化、一体化、快速化和智能化的矿井建立的关键技术手段，已成为煤矿企业信息系统现代化建立和平安管理建立的核心内容10-11。1 矿井平安消费物联网现代矿井信息化建立的整体规划，一般是以工业以太环网为核心网络的综合信息化系统。矿井平安消费物联网借助于物联网等新技术对矿井平安消费的开采、掘进、运输等各个环节施行感知和监控，是智能矿井信息化建立的新趋势和方向，智能矿井信息平台体系构造如图1所示，该体系构造分别对应的是工业物联网中的感知层、传输层、平台层和应用层。以矿井开采环节的监控系统为例，采煤工作面是煤矿消费过程中一个动态实时变化的环境，除了放置了大量消费设备以外，现场必须放置平安监测监控系统、人员定位系统及通信设备。工作面作为一个高危消费环境，存在设备多、人员多、环境危的特点，是煤矿平安消费管理的核心所在。而目前工作面的各种监控系统互相独立，碎片化严重，信息共享缺乏，造成了信息化下的信息孤岛，缺乏一个以信息共享为目的的统一的通信网络和综合业务平台，严重制约着国家安监总局要求的：全国平安监管监察执法、企业在线监测和预警防控等互联互通、资共享的信息化“一张网”体系进程。矿井复杂环境下人员、设备、根底设施和消费过程的协同管理及综合智能监控是智能矿井平安消费信息化的开展趋势，而信息共享是平安消费信息化实现的重要根底。近年来国内外学者针对煤矿平安消费信息的信息共享问题开展了诸多探究研究。李晓波针对平安管理“孤岛”问题，以“管理信息共享”为根底，构建“管理共享、人员互动、齐抓共管”的平安管理格局，提出了煤矿企业平安管理对信息共享的现实需求12。任建刚和李瑞群研发了针对煤矿各系统矿图的“一张图”系统，实现了消费、机电、平安、地质等煤矿主要专业的在线协同工作以及矿图的集成管理，在煤矿矿图方面实现了信息共享13。戚宏亮和张琪讨论了大数据下煤矿平安应急管理标准体系的变化，并以数据标准和数据共享为切入点，提出了煤矿平安应急管理标准体系的完善途径14。谭章禄等学者分析p 了信息共享对现有平安隐患排查的优化策略的重要性15。曾伟针对煤矿井下系统繁多和协议不统一问题，提出了基于软件定义网络的煤矿井下分布式智能网络平台方案以及数据交互方法16。综上所述，信息共享对煤矿平安消费过程监控和企业平安管理都有着重要的实际意义。学者们更多的是提出了信息共享的需求和意义，而对如何实现煤矿物联网的信息共享的研究有待深化，比方信息共享的硬件和软件支撑技术、信息共享的设计目的和模型等问题的研究。2 “人-机-物-环”感知平安信息的共享模型设计目的针对矿井各种监控系统互相独立造成的信息孤岛问题，从数据信息流的角度，建立感知平安消费信息共享模型，实现“人-机-物-环”等感知信息的交融、共享，为消费指挥、平安管理、应急调度等决策提供充分的数据信息支撑。工信部“新一代宽带无线挪动通信网”国家科技重大专项和科技部“十三五”期间的国家重点研发方案“云计算和大数据”“公共平安风险防控与技术装备”专项都提出了提升资会聚、数据搜集、存储管理、分析p 挖掘和按需效劳等才能，实现关键技术核心可控。20_年8月21日由国家煤矿安监局主办的20_世界机器人大会煤矿机器人专题论坛上黄玉治局长提出：跨界合作，大力推进煤矿机器人研发应用，迈向智能化无人少人矿山的新时代。智能矿井信息化建立已经进入与通用信息技术开展并跑阶段。随着5G技术的商用，智能矿井信息化建立以“云-管-端”为信息效劳新架构，以数据为主线，构建5G环境下的新信息根底设施。首先通过软件定义网络的方法在底层屏蔽各系统的硬件和通信协议差异，兼容现有设备和通信协议，形成数据信息流的“管”;其次通过云和边缘计算的结合，构建“云-端”的边缘-云平台架构，形成数据信息流的感知和处理;最后开发支持可横向伸缩的应用软件平台，在统一的平台下形成数据信息流的应用。平安消费信息资共享作为智能矿井信息化建立的重要根底，其模型的设计目的主要包括以下几点。1进步生產指挥才能。通信联络系统交融与信息互通，让消费指挥人员可以以快捷有效的手段实现调度指挥，进步管理效率。各消费单位之间也可以用更多样有效的联络方式，协调消费，进步消费效率。2进步平安应急才能。煤矿平安消费规程要求在灾难发生的第一时间发出指挥调度命令，有效的组织井下逃生、自救，以最高效的手段保护矿工的生命平安;在煤矿消费管理中引入智能监控的手段，通过信息共享，让调度指挥人员可以在最短的时间，利用多种方式传达指令，解决信息覆盖死角，确保指令有效传达17。3进步智能矿井信息化建立程度。矿井信息化建立要求各子系统信息共享，数据互通，平台统一。调度通信、无线通信、应急播送、人员定位等都是智能矿井信息化建立的一局部，更是智能监控通信系统的有机组成;通信联络系统从简单的互联互通，到底层的互通与交融，再到操作界面与功能的协调统一，无疑可以发挥多个系统的集群效应，而这都以信息共享为根底。4进步平安管理才能。煤矿平安管理信息系统兼具平安风险分级管控和事故隐患排查治理的要求。系统功能主要包括平安风险分级管控、事故隐患排查治理、平安标准化考核、平安决策分析p 和风险可视化预警等功能。而以信息共享为目的的通信联络平台是煤矿平安管理信息系统的主要信息根底设施，其性能直接影响着管理系统功能的可靠性和稳定性。5降低煤矿信息化建立的投资本钱。各监控管理系统之间采用统一的平台管理，统一的平台传输，共享的数据接口，互补的功能优势，可有效节约投资，节省运行维护本钱，进步设备的利用效率。3 矿井平安消费管理信息共享模型设计3.1 总体设计本着进步矿井消费指挥才能、平安应急指挥才能、平安管理才能和降低投资本钱的原那么，对煤矿平安消费规程规定的有线语音调度系统、无线通讯系统、应急播送系统、人员定位系统和管理信息系统等进展研究。从可感知的“人-机-物-环”平安消费信息交融传输架构入手，解决现有矿井通信网络组网方式、接入方式、网络架构的各异性与各业务子系统的独立性问题，建立矿井“人-机-物-环”平安消费信息的共享模型，如图2所示。该模型以数据为主线，首先将智能矿井可感知的“人-机-物-环”信息进展统一编码标识，解决异构数据的统一数据标准问题。其次建立基于交融传输网络架构的矿井无线传输平台，解决异构无线网络之间数据交融传输的问题。进而基于边缘计算建立边缘-云的平台层，解决智能矿井感知信息骤增给无线传输和支撑平台带来的影响。最后通过多业务交融通信调度平台和大数据分析p 平台，提供业务自由裁剪和平安消费态势分析p 预测预警等。矿井平安消费物联网的核心工作场景如图3所示。实现工作面割煤机、液压支架工作状态信息的无线数传，并在交融调度平台上实时显示运行状态;同时监控系统交融有线调度、无线通信、语音播送系统、人员定位系统，通过平安消费信息共享模型，在各业务子系统数据层面能实时查看或者调用数据，实现数据信息资共享，提升煤矿平安消费监控和决策才能。3.2 关键技术3.2.1 基于深度学习的不平安行为智能识别方法智能矿井平安消费系统是由机器程序化完成既定工作流程和机械操作。矿井工作人员的不平安行为对机器的自主操作会造成严重干扰。而人的不平安行为等风险和隐患是以小数据量的形式存在，并不具有大数据的特征，却易形成大的灾害事故18-20。矿井监控摄像头一般处理才能较弱，需要利用迁移学习技术，提出小数据样本环境下基于深度学习的不平安行为智能风险识别方法。3.2.2 矿井平安消费物联网的统一编码标识方法统一编码标识体系的建立需要梳理矿井平安消费信息采集环节业务信息的种类、特性参数、数据类型，明确分类对象。构建以主题分类框架为主，多属性复分类为辅助的分类体系。基于相关国家信息分类编码标准，建立与矿井平安消费物聯网相匹配的统一编码体系，提出编码唯一标识方法，形成统一数据格式标准，解决信息编码标识体系各异的问题，为一张网建立与智能矿井建立建立数据标准。以本文依托的国家重点研发方案工程中的统一编码标识体系中的主数据为例，工程示范应用单位陕西正通煤业公司及其下研究所、专业化公司和区队的主数据相关业务逻辑图如图4所示。3.2.3 矿井物联网交融通信网络架构及网络资建模交融通信网络架构的建立需要结合矿井平安消费物联网中泛在消费信息感知和多种业务的要求，基于软件定义网络、网络功能虚拟化等新技术，构建基于软件定义网络的有线和无线一体化的物联网通信网络架构模型和优化方案，形成合适煤矿平安消费物联网的业务数据流和控制数据流智能优化方法。建立物理/虚拟网络资统一表征模型，分别对实体网络设备层和虚拟网络进展描绘和统一管理，为泛在平安消费信息的传输技术和多种业务交融的通信平台提供体系支撑。3.2.4 矿井平安消费信息的无线实时通信技术结合矿井平安消费物联网中物理环境动态感知和实时控制性能的要求，从信息物理系统的角度提出矿山信息物理系统中信/信道编码，控制-通信协同优化的采样速率优化及自适应调制方法，基于非正交多路复用的数据链路层和物理层协同优化，无线多跳系统多业务实时传输技术等问题，解决复杂环境下信息物理系统感知数据的实时传输，进而开发支持语音通信、人员定位、视频监控、灾害监测和设备监控等功能的矿井多业务无线实时通信系统。3.2.5 矿井新型物联网网关设计在基于软件定义网络的矿井物联网交融通信网络架构下，提出自适应宽带和窄带的物联网网关原型，兼容各种无线网络协议。定义矿井平安消费物联网的各种通信接口模块、协议适配模块、设备发现和管理、跨域转发、资映射、数据和控制接口模块，优化软件定义网络控制器的南向和北向接口，设计新型物联网网关。实现无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进展多维度检测和管控，为信息共享提供硬件根底，全面提升矿山平安消费物联网的智能感知与决策才能。3.2.6 基于边缘计算和云计算的边缘-云平台架构矿井平安消费物联网安装了大量终端设备采集数据，传输到监控云平台的数据不断增加，网络传输带宽资消耗非常大。然而云计算平台只是改变了数据处理的形式，却无法实时处理如此庞大的数据集并实时提供响应。边缘计算可以处理和分析p 更靠近监控生成数据的数据，并实时响应，而不是通过网络将所有数据发送到云平台并等待云响应。边缘-云平台可以在监控终端进展边缘计算，处理的数据为再次处理和深化分析p 提供了数据根底，仅对有效信息进展共享，进步矿井平安消费物联网系统的响应速度。3.2.7 矿井物联网环境下数据共享机制煤矿企业是落实煤矿平安消费的主体，企业各级平安管理人员的职责不同。丁恩杰等人提出物物互联的“孤岛”式施行方法增大了煤矿感知数据交融的难度并降低了数据的可信度，致使矿山消费很大程度上处于不透明状态21。在矿井物联网环境下，自动风险辨识、隐患排查、平安风险分级闭环协同管控机制等在数据层面实现信息共享。需建立一种各方互相制约、共同协作、目的一致、互相补充、职责清楚的信息共享机制，形成信息流控制方法，为煤矿平安管理提供理论和技术支撑。3.2.8 矿井物联网多业务交融的通信调度平台勇辉等人针对传统煤矿通信调度平台交融问题，设计了一种由消费调度通信系统为指挥控制平台的煤矿五网交融通信平台22。矿井平安消费的语音、视频、定位、状态呈现、集群调度、消费调度、平安消费信息监测等多种业务对数据传输的时延要求不同，结合智能矿井平安消费需求，建立数据优先级指标，提出有线和无线自适应的动态优先级的智能数据调度算法。实现程控语音交换系统、挪动通信系统、语音播送系统、人员定位系统GPS定位、射频识别定位等等系统之间的统一调度管理。在此根底上，采用面向效劳的体系架构，准确定义面向效劳架构的接口，建立满足各种业务系统的数据集成架构，开发面向效劳的矿井平安消费多业务交融的通信调度平台，对业务的变化进展快速响应与部署。4 结 语智能矿井平安消费管理信息共享模型是以“十三五”期间国家重点研发方案工程中相关技术为根底，从信息共享的角度出发，提出了模型设计的目的、总体架构和关键技术。该模型在感知层建立了编码标识体系，在传输层透明了通信设施底层的网络传输设备的硬件差异性，在业务平台应用层兼容了各个业务子系统，一体化解决了煤矿各信息子系统的信息共享问题。矿井平安消费物联网通过将矿井消费状态信息互联，实现一机多用、一目了然、一呼万应，形成具有高联动性的应急、消费指挥调度管理系统，进步平安消费管理才能。【参考文献】：p 】：1张雅萍.沖突管理形式对矿工不平安行为的作用机制及效率评价D.太原：太原理工大学，20_.2武晓娟.煤炭行业将严控职业危害N.中国能报，20_-05-05005.3姚建铨，丁恩杰，张 申，等.感知矿山物联网愿景与开展趋势J.工矿自动化，20_，4209：1-5.4孙彦景，左海维，钱建生，等.面向煤矿平安消费的物联网应用形式及关键技术J.煤炭科学技术，20_，4101：84-88.5董楚楚.无线传感器网络面向低功耗的MAC协议及跨层优化研究D.北京：中国科学院大学中国科学院深圳先进技术研究院，20_6国家平安监管总局出台关于推动平安消费科技创新的假设干意见J.中国平安消费科学技术，20_，1211：23.7单班入井超千人矿井科技减人工作方案印发J.中国平安消费科学技术，20_，1302：106.8李永成，李水生.浅谈煤化工企业的平安管理J.石化技术，20_，2507：277.9季利佳.基于WiFi和ZigBee技术的无线通信及人员定位系统在矿山的应用J.电子世界，20_14：184.10张旭平，赵甫胤，孙彦景.基于物联网的智慧矿山平安消费模型研究J.煤炭工程，20_10：123-125.11王国法，赵国瑞，任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析p J.煤炭学报，20_，4401：34-41.12李晓波.管理信息共享是良方J.现代职业平安，20_12：61.13任建刚，李瑞群.煤矿“一张图”系统开发及应用J.煤炭工程，20_，5011：63-66.14戚宏亮，张 琪.大数据下煤矿平安应急管理标准体系研究J.煤炭经济研究，20_，3810：84-87.15谭章禄，孙晓韦，邱硕涵.基于数据挖掘的煤矿平安隐患排查管理平台研究J.煤炭技术，20_，3710：160-163.16曾 伟.分布式智能网络平台的研究与设计J.煤矿平安，20_，4911：96-98+102.17曹婷婷.基于SIP的无线多媒体数字集群网关的研究与实现D.南京：南京邮电大学，20_.18曹庆仁，杨笑冰，曹 明，等.员工平安参与行为对事故的影响作用研究J.中国平安科学学报，20_，2811：1-7.19李 爽，刘海洋，杨 勇.基于矿工不平安行为的煤矿平安预测评价模型J.煤矿平安，20_，4808：242-245.20李 爽，毛吉星，贺 超.平安管理中危险辨识的顶层设计与体系设计J.煤炭经济研究，20_，3707：59-64.21丁恩杰，胡青松.矿山物联网顶层设计思路J.物联网学报，20_，201：69-75.22勇 辉，涂兴子，向 阳，等.煤矿五网交融通信平台技术的研究与施行J.煤矿机电，20_02：61-64.第 10 页 共 10 页