煤矿安全生产智能管理平台设计与分析

武录勋

陕西煤业集团黄陵建庄矿业有限公司 陕西 延安 727307

引言

随着信息化技术的飞速发展，以及在其他产业信息化技术成熟应用后产生的可观效益及行业管理的整体提升，作为煤矿生产如何引进消化吸收信息化技术是摆在每一位煤矿决策者面前的一道难题，矿井生产不同于其他行业，矿井生产是开拓未知自然地质环境的产业，在生产中存在诸多不可预知的因素和困难，地质结构、生产环境每时每刻都在发生变化，其他行业成熟的信息化管理系统如ERP（ERP是针对物资资源管理（物流）、人力资源管理（人流）、财务资源管理（财流）、信息资源管理（信息流）集成一体化的企业管理软件）系统、MES（MES是美国AMR公司在90年代初提出的，旨在加强MRP计划的执行功能，把MRP计划通过执行系统同车间作业现场控制系统联系起来。这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等。MES系统设置了必要的接口，与提供生产现场控制设施的厂商建立合作关系）系统是工厂化生产系统，工厂化生产是可控制的生产，而煤矿生产受环境因素是变化的生产，如果工厂化信息系统直接拿到煤矿生产中应用都有其不可弥补的产品缺陷，肯定会出现一些不可预知的难题，对煤矿生将带来不可预估的损失。目前国内矿井的“综合自动化、感知矿山物联网”等概念均缺乏一个信息世界与物理世界紧密融合的模型，因此，难以考虑物理世界的不确定因素，没有将人及其行为作为系统中的一个要素来考虑，没有对信息的可信度进行分析和处理，没有统一的时间概念，没有统一的信息采集与发布机制。

1 煤矿安全智能平台的需求与目标

现代化的矿井除具备大型的机械化采、掘、运输、机电设备外，同时还应具备设备信息的信息化采集手段，这就要求这些设备有运行数据的采集接口，矿井应具备有线、无线的网络系统将这些数据进行上传。建庄矿业公司设计生产能力240万吨/年，服务年限62年的矿井，在矿建之时已建成两个千兆级的工业环网、一个百兆的企业网办公网络系统、矿井安全的6大系统、信息化的无纸化办公系统、综合的自动化系统、运销系统、物资供应、系统、财务管理系统、视频监控，现又建设一个覆盖井下地面的TD无线3G网络系统。虽然我们建成覆盖矿井的有线无线网络系统、各种自动化控制系统及管理系统，采集了各式各样的数据，但是，这些系统和数据形成了一个一个信息孤岛，每个系统没有发挥其应有的作用反而增加了人员去值班坚守，成了企业的累赘和摆设。我们知道数据不进行分析比对是没有任何意义、信息不进行互通就失去信息的意义。如何激活这些信息资源，降低企业的管理成本，增加设备的使用率，切实把信息资源真正转化为生产力，我们提出了建立《煤矿安全智能管理平台》，通过对矿井生产过程中动态的人、机、物、环等要素的管理与分析，结合矿井点、线、面的现场管理，把矿井管理人员、安检员、瓦检员、班组长、巡检人员及胶轮车司机作为矿井动态信息的“采集器”和“执行器”，以客观存在的真实情况及数据为依托，去除过多人的主观因素，结合《矿井综合自动化系统》已采集的数据，把每时每刻矿井动态的细微变化信息通过有线、无线的网络系统上传至《矿井安全智能管理平台》，以隐患和存在的问题作为触点激发一个追诉的闭环流程，使各种危害因素始终处于受控状态，达到煤矿生产全过程、全要素的和谐统一，这些数据的长期积累形成了一个智能专家库系统。对今后的矿井生产指出建设性、可行性的指导，最终实现矿井的“管控一体化”、“经营决策智能化”、“生产过程可视化”、“办公信息化”安全高效智能化矿井。

1.1 矿井安全生产智能管理平台具体实现目标

第一，建立统一的采集和发布机制，统一各个专业应用系统时间和接口标准，为数据的综合应用提高可靠的基础。第二，实现井下作业、巡检、检维修作业人员行为过程管理，全面降低人的不安全行为带来的风险和损失。第三，降低机电设备非计划停机时间，提升工艺安全水平。第四，能够避免设备失效、降低设备故障维护成本、延长设备寿命。第五，能够及时发现不在最优状态下运行的设备信息、预警信息。第六，通过对于作业行为的标准化管控、机电设备全生命周期健康管理，有效保障了矿井安全、高效、经济的生产，同时可以有效降低员工数量需求。第七，建立统一的专家知识库，使平台应用具备生命，并持续改进，为信息的智能化应用提供标准和依据[1]。

1.2 矿井安全生产智能管理平台设计理念

站在公司顶层管理者的角度思考。任何单位和个人不能凌驾于系统之上。任何单位和个人不能绑架系统。未知性（不能拘泥于设定的需求）。闭环追诉原则。模块化。

2 煤矿安全智能平台结构及框架

鉴于煤炭企业生产的特殊性，矿井安全生产受制于资源和生命双重重大因素，信息化的一个主要特点强化煤矿综合自动化程度和水平。 煤炭企业数字化矿山的“管控一体化”不是简单地进行现场设备的动态监测和远程控制，而是由一套完整的管理制度体系组成，不仅需要设备的可靠性支持、相应规程规范制度的支撑、现场危险边界的完整化管理，作业人员行为过程跟踪管理，同时还需要对现场的环境等诸多要素进行把控，预防在进行控制过程中出现的一切隐患与危害，才是真正意义上的“管控一体化”。

2.1 矿井安全生产智能管理平台数据流图

矿井安全生产智能化管控平台以生产过程中的环境监测数据和机电设备运行状态数据为基础，设备故障知识库、危害风险知识库、作业行为标准知识库为模型，形成对于工艺安全、行为安全的持续管控和持续优化。分专业、分系统建立系统的管理指标，并以生产管理指标异常波动为触发条件，依据采集的生产要素数据，系统自动智能分析从而实现以管理指标为出发点，提升设备预知维修水平改善设备的不安全状态，形成对环境的不安全因素的趋势分析，进而真正达到管控一体化。

图1 矿井安全生产智能管理平台数据流图

建立“管─控一体化”的安全生产智能管理信息平台，使得从计划管理、现场人员作业管理、生产要素管理、安全监测管理、业务过程管理、风险预控管理、制度保证管理等不同层面实现综合自动化实时管理，提高安全生产管理能力。同时建立安全管理的优化体系，强化煤矿安全管理持续优化的能力。

煤矿信息化、自动化建设的目的是对设备运行的可靠性进行监控，以保证井下机电设备长期连续的自动化控制和运行，最终提高设备的可利用率。但当前自动化建设缺乏管理指标体系支撑，都是纯粹的将设备数据采集显示出来，没有提取出每个子系统的核心问题，即每个子系统需要采集什么信息，将相关专业信息处理加工后发给的对象是谁，且没有对信息的可信度进行分析和处理，没有统一的时间概念，没有统一的信息采集与发布机制，使结果数据失去可信度。矿井安全生产智能管理平台使用统一的信息采集和发布机制，从人、机、物、环角度考虑，打破系统的壁垒，对数据进行统一关联应用，从而提高信息的可靠性和准确性[2]。

2.1.1 人员管理采集。人员信息采集首先要做的是矿井机构的构建及机构责任的划分，矿井机构采用金字塔的构建模式，分清各个机构的管理职责及任务，顶层为董事长，二层为经理层，三层管理职能部室，四层为任务区队，五层为其他服务性机构（医务所、物业、消防、外包等等。）

理清各个管理机构的职责，把所有人员数字化，各个机构分别采用不同的数字段，便于数据的抽取和管理。任务的派发采用经理层对部室、部室对部室、部室对区队、区队对个人的任务管理模式，在任务流转时采用不同的流程跟踪模式，如部门工单、区队工单、电子工票、人员定位、条码扫描等方式把任务及人员工作信息及时采集到系统。

2.1.2 设备运行参数采集。通过现有的设备传输接口利用工业环网把各个系统运行参数如电压、电流、功率、温度、压力、时间、振动、位移，流量等传输至智能平台，把各设备的正常启停和正常运行的相关参数作为标量模型，嵌入设备时时运行参数曲线模型内，当设备运行偏离正常标量时，系统能迅速判定故障点，并给出解决故障的方案，使故障得到快速处理。

所用设备进行编码管理，设备巡检人员拿手持式无线智能终端按规定对设备进行扫描，一方面可以校准设备运行参数，另一方面对设备运行参数自动化系统无法采集进行人工采集，人工采集就是眼能看到的、耳能听到的、手能摸到的、鼻子能闻到的、仪器能检测的数据，通过无线智能终端上传（经验值）。

2.1.3 环境信息采集。环境信息采集一方面通过已安装的环境监测系统如安全监测、束管监测、矿压监测等系统已采集环境数据；另一方面把人工采集的环境数据通过智能终端上传，要解决这些数据的上传首先要确认上传的地点，这就要给上传的地点进行标示，地点标示的方法就是地域分割，然后条码化，当环境巡检人员到达该区域后通过扫描点确认，然后将检查的环境数据通过智能终端上传至平台。

2.1.4 物的采集。要解决物的信息采集首先要赋予物以生命，从采购到使用到报废建立一套完整档案，要建立档案首先就给物条码化管理。通过库房扫码、运输扫吗、使用扫码、巡检扫码、维修扫码、报废扫码，将物的使用和相关人员绑定，通过扫码及时将物的信息上传至平台[3]。

图2 矿井安全生产智能管理平台系统架构图

3 模块应用分析

通过对矿井动态的人、机、物、环信息数据的采集，将一些孤立数据串并起来，通过的数据抽取，采用标量管理实现矿井多样的管理模块需求。

3.1 生产管理

生产管理是以主要的皮带秤数据为依托，当生产过程中产量发生异常，系统会先自行判断是皮带停机还是皮带没量不够，它会及时触发一个流程进行追诉如皮带停机流程会走到运输队，运输队值班人员和现场跟班队长及班长会在不同时间内收到信息，他们将停机原因回复系统，如正常停机流程会会确认谁下的命令停机确认后流程终止，如故障停机系统会根据故障对照每天的检修记录找出检修责任人进行追究，并将每次的故障引起的原因落实到具体的人员。

3.2 环境因素管理

以安全监测数据、束管监测、顶板压力监测及瓦检员巡检和安检员的实时上传数据为依托对照环境参数的标准，以变化的数据区分不同的环境变化数据，根据数据变化的大小确认环境的影响大小和级别，触发不同流程，如A级会直接启动矿级流程，B级会启动部级流程，C级以下的启动区队级流程，这样促使相关责任人尽快处理，将责任落实到每个部门和个人。

3.3 人员管理

取消人工考勤以电子工单的形式管理每一名员工，每天的任务细分到每一名员工身上，采用班前工作计划落实到人，班中跟踪掌握每名职工的工作轨迹，班后绩效考核落实任务的完成情况，根据出入井时间满8小时延点超2小时不够4小时的自动记0.5个加班，超过4小时系统自动记1个加班，调度室和人力资源部根据每个人的工作量确认加班的有效和无效，做到加班日清日结，杜绝人情工的发生。

3.4 部门工单

给区队下发任务也已电子工单的形式下发，注明任务类型属区队工作范围的，区队接到任务后将任务落实每名员工身上；超出区队的工作责任范围，部门必须给出工作量和加班工数经调度室、人力资源部核实报公司主管领导审批后，下发到区队，区队落实到职工，工作完成后，下发任务的部门到现场验收，验收合格后加班落实下去，否则将扣除加班。

通过这样的人员和任务管理，假如在发生事故或设备故障时能迅速准确地将责任落实到每个责任身上便于追究，这样会促使每个员工工作责任感的加强[4]。

3.5 隐患管理

以安监员、跟班领导、管理人员、瓦检员在井下用智能终端通过3G无线网络实时地将井下正在发生或已发生的隐患上传至系统，系统会根据隐患的级别，触发不同的流程如A级会直接启动矿级流程，B级会启动部级流程，C级以下的启动区队级流程。这样促使相关责任人尽快处理，将责任落实到每个部门和个人，因为隐患是实时上传同样处理也是实时处理，这样就达到了将隐患消灭在萌芽状态和发展期，就做到了将隐患对矿井安全带来的危害降到最低限度。

4 结束语

矿井安全生产智能管理平台的长期应用，应用PDCA模式，并持续改进，会逐步形成一个丰富的矿井专家知识数据库，对矿井环境管理、人员管理、设备管理、产量管理形成一套行之有效的智能化管理体系，去除了过多的主观意思思想管理，以科学的思想去指导和预知矿井的生产，提高矿井的信息化的管理水平。

4.1 实现矿井管理的职能化，为打造本质安全型矿井提供信息保障

建立包括完整的地质信息、危险源信息和生产信息的虚拟矿山模型，包括安全隐患的预先显现，可以根据各种监测监控系统和检查检测系统返回的动态数据，利用“矿井安全生产智能管理平台”系统提供模型库、方法库对生产过程的各种危险因素进行实时分析，对各种安全隐患进行超前预测预报，对不安全因素提前进行整改，同时对有危险性较大的区域进行重点监控，对无法避免的灾变可以快速启动相应的应急预案进行紧急救援，依据井下人员定位技术和地理信息系统技术，采用灰色理论和故障树模型等多种分析法，结合危险源（已知危险源和决策支持系统实时分析出的危险源）实现对人的不安全行为的预警，减少物的不安全行为造成的作业人员伤亡[5]。

4.2 实现生产过程管理的精细化、智能化，为打造高产高效矿井提供决策手段

在各个业务专业监测数据的基础上，利用数据仓库提供的完整信息和智能化分析工具，将现场的环境监测数据、设备动态监测数据、人员定位数据、视频监测数据等，通过工业以太网及无线通信网进行全方位集成分析，实现数字化矿山的深层次管理。

4.3 推动企业的业务流程重构和组织结构优化

对企业的组织结构将产生深远影响，智能管理系统从根本上改变了组织收集、处置、利用信息的方式。推动了组织结构的重新搭建，使原有普遍应用的塔形结构改进为扁平化、动态化、信息化结构，这种结构中，计算机系统将能够完成大量中层监督和控制下属部门的职能，通畅决策层与执行层的直接沟通，从而减少了组织的管理层次，实现了组织瘦身。同时，能够极大地调动组织执行层成员的潜能和积极性。

4.4 实现管理考核指标的量化管理

矿井安全生产智能管理平台的一个重要特点就是任何一个工作，一个任务都是要事前制定一个计划，计划对工作内容进行分解，做到“四定”即：定人员、定地点、定时间、定内容及工作量，按计划指标进行考核[6]。

4.5 改变设备的检维修模式

矿井安全生产智能管理对设备进行实时监测分析，设备故障能够及时发现，做到主动维护，有效防止失效的发生，提高设备的可靠性。避免了许多煤矿企业设备管理普遍存在的设备坏了才修和定期过剩维修，能做到视情况有计划维修，既不是设备受损又不浪费维修费用。有效避免突然停机，可使维修工作在尽可能小的范围内进行显著延长设备的使用寿命，具有最佳的节约效果

当然平台应用过程中，带来的问题或管理隐患：依赖于各专业口监测数据的支持，并需要对不完善的专业子系统进行改造或数据完善。对应用人员素质要求比较高，需要逐步培养一支专业的运维队伍，保证平台的顺利、稳定运行。需要管理制度的支撑，并建立完善的系统运行管理体系。平台全面实现企业生产过程的透明化管理，对企业比较敏感的数据需要进行二次权限的严格分配。否则会带来一定的管理隐患。