基于物联网的煤矿安全风险预警平台的研究及应用

王学琛，郭昕曜，李墨潇，沈宁舟

(武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070)

基于物联网的煤矿安全风险预警平台的研究及应用

王学琛，郭昕曜，李墨潇，沈宁舟

(武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070)

煤矿灾害的发生均具有一定的前兆性，对灾害发生前兆因素的监测是预防事故发生的一项重要研究工作。因此，在对煤矿物联网信息融合、煤矿安全信息采集、煤矿传感网络应用等内容的深入研究下，开发建立一种基于物联网信息技术的煤矿安全风险监测预警体系。并在内蒙古伊泰矿业集团煤矿信息采集、管理和监测方法的基础上，对实际危险因素构建适合安全风险预警模型应用的信息监测与处理平台，使安全预警能够实时、动态进行，为煤矿安全生产做出了实质性的技术保障工作。

煤矿；安全管理；安全预警；预警平台

与国外先进的产煤国相比，我国的安全防灾救灾技术仍然处于一个非常低的水平，虽然有了一定的发展，但差距很大。近年来，我国工业生产的死亡人数有60%以上是由于煤矿事故而导致的，通常煤矿事故的损失极大，每年造成20多亿元的经济损失，约占国有重点煤矿年收入的5%[1]，并且矿难对社会造成的影响极其恶劣。

通过国内外煤矿安全管理的技术条件分析，开展煤矿安全预警平台研究及建设是十分必要的。根据我国“安全第一，预防为主”的安全生产方针，我国煤矿企业的生产目标是要做到把安全放在首位，对事故以预防为主，通过对各种危险因素的排查确定煤矿生产中的不利因素，进而预测可能产生的危险及影响程度，及时采取应对措施，阻止事故的发生，确保煤矿的安全生产。

对于煤矿安全预警研究，各学者已从不同角度研究出了一定成果。邵长安等[2]构建了煤矿预警体系，提出保障煤炭安全生产持续进行的前提是通过预警理论来消除安全隐患。郭佳等[3]基于远程监测的相关理论和方法确立了煤矿安全生产预警系统的设计框架，将技术与风险评价、重大危险源辨识等模型相结合，完成在线评价，其可靠性与及时性的特点为事故应急响应提供了依据。宋杰鲲等[4]考虑供需、运输、灾变和环境等因素，构建了煤炭安全生产预警指标体系，运用主成分分析、自回归等方法构建预警模型，并针对我国煤炭安全生产现状进行预警评价。国内外关于煤矿预警的研究很多，但是煤炭行业因其特殊性使得其所处环境高危而且复杂，不确定程度非常高，所以目前来说，关于煤矿的安全预警，不论是理论还是方法都还未形成一个完整的系统，对其机理的深入研究还不够，且针对煤矿生产的多变和不确定性未能提出一套有效的方法来对其进行决策，仅停留在定性或者定量的方法上来研究，使分析结果存在一定偏差[5-9]。

1 煤矿安全风险预警平台组成

煤矿安全风险预警需要将安全风险预警的软件设备和硬件设备、煤矿基础空间数据、多学科交叉的理论与技术进行有效的集成，是一个涉及网络通讯与传输、软件、信息共享、硬件、数据存储等多项技术的复杂的系统性过程。

由于煤矿井下温度高、存在易燃易爆有害气体等恶劣作业环境及狭长的巷道不利于无线信号的传输，对电子产品的技术性有着严格限制，笔者根据所需监测的信息及煤矿矿井软硬件条件，提出了关于动态信息监测系统的设计方案，设计的难点在于井下信息的监测。该系统运用矿井下无线信息通讯技术并针对煤矿井下环境和条件对电子产品的限制而设计，由数据采集、数据传输、安全信息管理、风险预测信息和救援决策信息子系统组成。系统构成如图1所示。

图1 动态信息监测系统结构图

2 预警平台方案设计方案

煤矿安全风险预警系统的建立依托物联网技

术，具有信息化的特征，开发过程中还用到了虚拟仿真技术，并且实现了三维可视化效果。该系统包括在线监测、风险预警和事故救援决策3个子系统。其中，在线监测系统实时收集煤矿井下各种信息数据，可作为预警系统的数据支撑，预警系统和监测系统又能通过自身的运转为事故救援决策系统提供了大量数据支持。这几大系统既可以独立运行，又可共享数据资源，联合工作。该平台的总体架构如图 2所示。

事故救援决策系统在分析过程中，首先根据采集的数据建立三维矿山模型，随后利用模型对事故进行模拟，有效利用监测数据，实时掌握井下人员分布和灾害扩散情况；并和事故处置知识库相结合，有助于决策人员采用特定算法确定井下各人员的动态逃生线路。事故救援决策系统可用于应急救援演练和事故发生，并且还可升级，操作性和实用性大大加强。

图2 平台总体架构

3 煤矿安全风险预警平台系统功能

煤矿安全风险预警平台主要基于物联网技术，依托矿山安全地理信息系统建立三维矿山巷道模型。三维环境下的实时监测数据包括人员位置、风量、空气质量、有毒气体含量等，在采集后均可上传至总数据库，实现信息共享。系统的交互功能方便操作人员对煤矿的井下环境进行三维建模，对任意区域的数据均可迅速查阅。决策系统是建立在信息交互的环境之下。系统的沙盘模式主要用来模拟事故发生时的状态，如火灾发生时模拟烟雾的扩散方向，再结合其他的监测数据(如人员位置)，可计算出井下受困人员的安全逃生路线，对于塌方、停电等情况也可提供最短路径，为决策者提供战略决策参考。系统模块功能结构图如图3所示。

4 煤矿安全风险预警平台应用

在酸刺沟煤矿应用该系统进行安全预警检查，具体过程如下。利用移动终端产品或者PC端登录“煤矿安全风险预警系统”，进入登录页面，如图4所示。该系统主要实现信息监测、安全评价、警报管理、安全检查、应急决策5大功能，具体操作页面如图5所示。

4.1 信息监测功能

通过各类传感器所采集信息，集成到信息监控中心，点击“信息监测”中“瓦斯”，查询到实时监测数据，如图6所示。

4.2 安全评价与报警

根据煤矿企业常面临的灾害及危险源理论，设定伊泰矿业集团需要监测的危险源及警报方式，对危险源采取逐一监测预警，如图7所示。

4.3 应急决策

根据动态三维技术，构建矿山的三维网络视图，并根据巷道所处层次不同而赋予不同色彩纹理。该三维视图能实时呈现井下工作人员与设备分布，并以箭头方向表示风流运动方向，矿山风向与风速数据如图8所示。根据风速传感器监测数据计算火灾烟雾扩散路径，从而计算出最短逃生路径，如图9所示。

图3 模块功能结构图

图4 系统登录页面

图5 预警系统操作页面

图6 信息监测功能模块

图7 危险源风险评价预警

图8 矿山风向与风速数据

图9 最佳逃生路径模拟图

5 结论

从移动终端监控系统和应急救援决策系统出发，构建煤矿安全风险预警平台，结合现代无线和有线网络技术，运用物联网的形式实现信息监测、信息处理，为管理层进行管理决策和应急救援决策提供依据。煤矿安全风险预警信息平台主要介绍了系统的组成、设计方案、系统功能等。笔者结合了内蒙古伊泰矿业集团下酸刺沟煤矿的实际生产案例，将煤矿安全风险预警信息平台运用及操作做了较为详细的介绍，使煤矿安全管理人员可直观地检测到生产实际中的各项危险因素数据指标，实现了即时监控、即时预警的作用。应急救援决策系统主要是计算出最佳逃生路线，保障井下作业人员安全，动态三维建模方便决策者更为直观地观察井下环境，有害物质推演是事故发生时最佳应急逃生路线的技术基础，为煤矿安全生产提供技术保障。在酸刺沟煤矿应用该系统，演示了5大子系统功能在系统中的具体操作过程，结果显示该系统运行情况良好。

[1] 王雪峰.我国煤矿安全问题浅议[J].中国煤田地质,2006,18(1):6-8.

[2] 邵长安,李贺,关欣.煤矿安全预警系统的构建研究[J].煤炭技术,2007,26(5):63-65.

[3] 郭佳,杨洋.基于远程监测模式的煤矿安全生产预警系统研究[J].中国煤炭,2007,33(9):69-71.

[4] 宋杰鲲,李继尊.基于PCA-AR和K均值聚类的煤炭安全预警研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2008,27(2):105-108.

[5] 辛士波,孙超.基于主成分分析法的煤矿安全生产预警分析研究[J].中国煤炭,2010,36(11):105-108.

[6] 丁宝成,王彦伟.煤矿企业安全预警管理体系[J].辽宁工程技术大学学报(社会科学版),2010,12(2):121-123.

[7] 刘香兰,赵旭生,董桂刚.基于物联网的煤矿瓦斯爆炸动态安全预警系统的设计研究[J].煤炭工程,2012(9):17-19.

[8] 侯燕,乔蕊.基于实时数据关联分析的煤矿安全预警系统设计[J].计算机测量于控制,2013,21(10):2826-2828.

[9] 王学琛，李墨潇，郭昕耀.基于组合赋权的煤矿安全生产风险评价分析[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2016，38(5)：538-542.

GUO Xinyao:Doctorial Candidate;School of Resources and Environmental Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

Research and Application of Safety Risk Early Warning Platform in Coalmine Based on Internet

WANGXuechen,GUOXinyao,LIMoxiao,SHENNingzhou

The occurrence of coal mine disaster has some precursors, and the monitoring of the precursory factors is an important research work to prevent accidents.Therefore, based on the deep research on the information fusion of coal mine, coal mine safety information gathering and coal mine sensor network application, a coal mine safety risk monitoring and early warning system based on Internet of Things technology is developed.In this paper, based on the deep research in the information collection, storage, management and monitoring method on coal mine of Inner Mongolia Yitai Group Mining Group. We construct a information monitoring and processing platform for safety risk early warning model application according to the actual risk factors, make safety warning to be real-time and dynamic, produce a substantial technical security work for coal mine safety production.

coal mine; safety management; risk early warning; early warning platform

2016-07-13.

2095-3852(2016)06-0678-04

A

X924.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.008

收稿日期：郭昕曜(1988-)，男，河南汝州人，武汉理工大学资源与环境工程学院博士研究生.