小保当二号煤矿智能化矿长丁江明：煤矿多灾害监测系统数据集成及安全风险分析系统建设

文章来源：《智能矿山》2023年第10期“智能监控”专栏

作者简介：丁江明，现任陕西小保当矿业有限公司 二号煤矿智能化矿长

作者单位：陕西小保当矿业有限公司

引用格式：丁江明，马伟，张宝鹏.小保当二号煤矿多灾害监测系统数据集成及安全风险分析系统建设[J].智能矿山，2023，4（10）：60-65.

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陕西小保当矿业有限公司（简称小保当煤矿）是国家煤炭工业“十二五”规划重点开发的大型煤矿项目，井田位于国家大型煤炭基地陕北榆神矿区三期规划区，面积约220km2。公司按照“一公司两矿井”的模式建设，2座矿井的井下各自为独立系统，地面系统共用，其中一号煤矿生产能力2000万t/a，二号煤矿生产能力1300万t/a。

小保当二号煤矿根据瓦斯、水、火、顶板、粉尘等灾害防治需要，以及安全管理需要，从实际出发，建设了安全监控、束管监测、光纤测温、无线自动喷雾降尘、双重预防管理、视频监控等14个系统，根据各系统监测内容和二号煤矿智能部门的工作职责，对系统部署进行了合理划分（系统分布结构及对应管理部门（图1），实现了对矿井所有灾害的全方位感知及防控。

图1　小保当二号煤矿灾害监测监控系统部署结构

为做好煤矿信息化、智能化建设，国家能源局发了《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》（简称《办法》），明确要求“实现多种灾害监测数据的融合共享”。为消除各部门的“信息孤岛”，促进部门间的信息共享、联动，减少数据冗余，笔者从多灾害监测架空数据采集、数据存储和数据展示3方面，进行了多灾害监测监控数据集成系统建设研究。

目前，大部分的灾害监测监控系统采用私有数据采集协议，无法实现不同灾害系统间的数据兼容，难以进行各灾害监测系统数据的有效集成，亟需选择合适的数据采集方案和方法。

小保当二号煤矿瓦斯、水、火、顶板、粉尘等灾害监测系统部署于不同服务器，日常运行为同步并行，采集过程存在以下特征：

（1）数据来源广泛。既有来源于不同服务器的各大灾害监测实时数据，又有来源于安监部门的双重预防数据。

（2）数据格式多样。既有大量以结构化方式存储的关系数据，也有非结构化存储的视频、图像、音频数据，还有以半结构化方式存储的文本、文件等数据。

（3）数据的时空维度、属性各不相同。从时间维度来说，既有以秒、分钟为单位存储的实时监测数据，也有以班或天为单位存储的双重预防数据。从空间维度来说，监测数据既来源于井下采掘工作面和巷道，又来源主要运行设备。

（4）数据产生时间及采集上传频率不一。在线监测信息一般定时采集上传，但不同类型的监测数据，产生时间不一，离线监测或观测信息则一般在采集后实时上传。

综上所述，煤矿多灾害监测数据具有海量、多源、异构、多维等特征，数据采集和存储面临以下技术问题：①信息全面采集难度大；②主要采集结构化数据，很少采集技术文档、视频、音频等半结构化或非结构化数据，信息采集模式单一、维度固化。③缺少有效的数据预处理方法，导致信息质量不高、集成度低、加工利用难度大。

因此，笔者采用分布式采集方案（图2），即各灾害监测服务器部署数据上传服务，分布同时上传，灾害监测存储服务器部署集中采集服务，进行灾害监测信息自动采集和集中存储。

图2　灾害监测监控数据分布式采集方案

对于文本内容的监控信息，常见的监测数据采集有WebAPI、FTP、OPC、OPCUA等方法，WebAPI用的是http协议，轻量级框架，该方法在无关性、可互操作性、安全性、可靠性等方面具有显著的优势，因此采用WebAPI作为监测监控数据采集方法；在开发各灾害监测服务器端上传WebAPI的基础上，开发集成服务端采集WebAPI，实现灾害监测信息采集和集成。对于视频监控信息，WebSocket协议是在单个tcp连接上进行全双工通信，可在H5页面中实时取视频流，满足客户H5无插件的方式集成音视频功能对接，因此作为视频监控信息采集方法。数据采集后，按照预先设计的规则，将不完整数据、重复数据以及错误数据等干扰数据进行清洗，得到符合要求的干净数据，并存储到数据仓库，提高数据质量。

大部分灾害监测监控系统采用SQLServer、Oracle、MySQL等大中型关系数据库存储，每种数据库的适用性能、场景均不一样。SQLServer是一种应用广泛的数据库管理系统，具有易用性、适合分布式组织的可伸缩性、与许多其他服务器软件紧密关联的集成性、良好的性价比等优点，因此作为灾害监测系统数据管理系统。为方便海量监测数据的存储和调取，采用分库分表和大数据hadoop技术构建分布式高性能、高安全的数据存储方案。同时，根据灾害信息分类存储需要，并结合各灾害监测监控的天然主题，各类灾害信息存储数据表前缀在命名时引入数据主题要素，便于生产者和消费者识别。小保当二号煤矿各类灾害监测信息存储数据表前缀关系见表1。

表1　存储数据表前缀关系

为实现多种灾害监测数据融合共享，根据灾害类型，分为安全监控、火灾监测、水文监测、粉尘监测、矿压监测、人员定位、视频监控等模块，以列表或柱状形式在一个页面同时展示对应灾害的监测监控信息（图3），显示内容包括监测时间、监测地点、数据类型、数值及状态等，并在界面主图中显示关键位置灾害监测信息，以及通风、压风、排水等主要设备运行信息。同时每一灾害监测显示模块，可点击下钻，显示各灾害的实时监测信息、历史监测信息和变化曲线（图4）。

图3　灾害监测数据集成展示

图4　监测数据变化动态查询

灾害监测系统运行状态评估是《办法》的基本要求之一，可以监测和分析所建设的灾害监测监控系统的运行状态，为监测安全性和稳定性分析提供辅助工具，其评估方法如图5所示。灾害监测系统运行状态评估可全面采集各灾害监测监控系统的监测数据和运行状态参数，从系统运行状态异常、监测数据超限、监测设备故障、监测离线等方面建立系统运行状态多评价参数指标体系，并依据评分机制，构建权值概率评估模型，评分越高，系统运行状态越稳定。

图5　灾害监测监控系统运行状态评估方法

开发的灾害监测系统运行状态评估功能（图6），根据评估方法，实时、全面统计各灾害监测监控系统的运行状态，以及超限、故障、离线等异常状态，自动评估灾害监测系统安全运行状态，可点击下载，进一步显示各类监测监控系统运行时的正常数据、异常数据及详细异常信息，使矿井监测监控管理和值守人员能直观掌握灾害监测监控系统的整体和详细运行情况。

图6　灾害监测系统运行状态分析

煤矿安全风险综合评价是增强煤矿系统安全和评价煤矿生产过程安全情况的关键手段，可充分分析潜在的安全隐患，为煤矿监管部门和安全管理人员提供技术支撑。围绕小保当二号煤矿的瓦斯、水、火、顶板、粉尘五大灾害的防治，首先从客观风险（包括煤矿固有安全风险、人员安全风险、设备安全风险、环境安全风险）和管理缺陷（包括采掘管理、通风管理、隐患排查治理等）两大方面搭建多灾害、全因素风险评价指标体系；然后通过典型安全事件分析，基于专家学习、层次分析法、人工神经网络等方法，形成风险阈值库，构建大数据分析模型，以蓝色、黄色、橙色、红色4种颜色直观显示矿井安全风险等级，并以雷达图和柱状图形式直观呈现实时和历史安全风险评价结果（图7—图9）。

图7　矿井安全风险综合评价方法

图8　安全风险实时评价

图9　历史安全风险查询

高产高效矿井多灾害监测系统数据集成及安全风险分析系统在小保当二号煤矿建设以来，在煤矿瓦斯、水、火、顶板、粉尘等灾害集成、共享方面发挥了积极作用，实现了多灾害信息同步查询和分析，取代了以前逐个登录灾害系统查看的繁琐形式。同时，矿井监测监控系统整体运行状态和安全风险分析，能系统掌握矿井安全状态，深度分析出隐性风险，提高了矿井灾害综合分析和管控能力；并将灾害监测集成信息和安全风险分析信息进行一网展示（图10），增加了灾害管理的便捷性。

图10　监测监控数据集成及分析一体展示