神东井下紧急撤人综合指挥指引系统的设计与应用

田立栋,刘 正

(国能神东煤炭集团有限责任公司智能技术中心,陕西 榆林 719315)

0 引言

煤矿井下受到水、火、瓦斯、有毒有害气体及顶板等威胁,作业环境条件恶劣,地质条件常有变化,不安全因素多。要降低煤矿安全事故的发生,一是以预防为主,降低灾害事故发生的概率[1-2],二是要完善井下安全避险系统,从软硬件设施投入上,最大限度避免或减少事故造成的人员伤亡和财产损失[3]。笔者基于神东13矿14井智能化矿井越来越多安全监测系统和智能化设备应用的现状[4-5],提出设计一套综合指挥指引系统,打通各煤矿现有矿井安全保障系统之间的数据互联,实现数据联合分析预警,畅通电话、短讯息、语音广播、安全帽和手持终端振动等多种预警报警通道[6-7],确保在发生险情时,能够通过多种方式及时通知煤矿井下人员按最佳方案进行撤离或避灾[8]。

1 现状及总体思路

神东各煤矿单位都制定有在紧急情况下停产撤人的应急指挥和应急撤离措施,而且赋予现场带班人员、班组长、调度人员在紧急情况下停产撤人的决策权和指挥权。在依托完善的多级指挥体系和井下现有的避难硐室和煤矿工人自身配备的自救器等设施工具情况下,矿井在紧急情况下撤人、救援、自救的效率及质量较传统条件下提高了很多。其次,神东矿井单位都建立了矿井灾害预警系统、车辆管理系统、矿井应急避险系统、人员定位系统、安全监测监控系统,部分矿井还建有矿井人员健康监测系统。这些系统在矿井安全保障的不同领域发挥着重要的作用,但是在大数据分析、系统联动方面还未发挥更深层次的作用。另外,由于井下环境本身的特殊性,加之巷道多、距离长、设备线路管道多,给人员撤离带来一定的困难;员工在停电、停风、断网的不同条件下紧急撤离时也会面临不同的困难。目前撤人方案在信息化、智能化手段的使用上还有很大提升空间。

鉴于上述情况,有必要充分研究整合利用现有的各大安全监测系统、硬件设施、智能装备,在充分调研现有软硬件设施利弊及数据接口的基础上进行顶层设计,设计一套能覆盖井下各大系统、生产活动场点、智能设备设施的综合指挥指引系统,打通关键数据要素流通通道,进行深层次数据整合及预警推送,充分利用井下软硬件设施进行预警、报警,实现预警信息深层次挖掘和多渠道下发,为神东各矿井的安全生产保驾护航。

2 软硬件调研

2.1 人员定位系统

调研神东13矿14井14套人员定位系统,各定位系统都具备井下基础地图展示、人员车辆实时定位、人车数量统计、轨迹查询、基站信息查看等功能。存在的问题主要有:数据精度误差较大;基站到定位卡的探测容易受到遮挡等因素影响,存在盲区死角;严重依赖网络,没有离线地图包;没有实时数据共享机制,低延时使用实时定位数据有困难。

2.2 车载终端

神东13个煤矿单位和生产服务中心、开拓准备中心共15个单位的425台新能源车、1 852台燃油车均未配备井下导航系统。2类车辆都有车载数据上传终端,可联网上传实时数据。新能源车有电压、电流、里程、车速、车辆总体状态等测点,燃油车有排温、里程、水温、发动机转速、瓦斯浓度等测点。车辆终端集成了链路报警、求救报警、车辆报警功能,但求救报警功能几乎未使用过。终端使用的大部分为安卓系统或linux系统,硬件配置较低,屏幕小,不具备安装车载导航系统的条件。

2.3 手持终端

神东公司井下员工使用的防爆手机全部为安卓系统或华为鸿蒙系统。员工手机可通过4G基站拨打电话、连接内网和互联网。手机通过神东生产管控平台可实现设备实时状态查看、井下人车定位。由软件研发部在布尔台煤矿和寸草塔二矿2个试点实施的智能感知系统具备人车定位查看、基站、地测点、安全监测监控、各类生产设备、摄像头等实时定位和业务数据查看功能。系统具备导航路线规划功能和环境感知报警系统功能,但开发尚未完成,目前测试功能还不完善。

2.4 安全监测系统

神东监测联网系统(旧)数据传输规范由山西精英科技提供,为山西省原来的标准,新采集数据使用《煤安监办〔2019〕42号附件2》规定的标准传输。经过对11个矿(除石圪台煤矿、布尔台煤矿)调研,共有环境瓦斯测点362个、一氧化碳测点179个、氧气测点114个、局部通风机74个、主通风机52个,这11个矿的数据已纳入神东生产数据仓库可供使用。由山西科达实施、深圳翌日集成的井下道闸系统,已经具备结合井下安全监测数据和车辆区域聚集数量、车辆尾气测量数据的能力,实现区域道闸控制。

2.5 煤矿用机器人

调研了变电所、水泵房、工作面轨道、胶带机、轨道式巷道、危险气体6类巡检机器人30台,涉及中信重工、天玛、华夏天信等10余个厂家。所有机器人均具有数据上传能力,还具有巡检时长、巡检距离、视频查看等功能,但均不具备远程喊话功能。部分厂家的机器人正在研究集成人员行为识别和区域入侵检查功能。机器人应用的主要场景为固定区域巡检,目前应用比较好的机器人每天开机时间可达到1 400 min,巡检距离约1 000 m。

2.6 具备语音功能的设备

井下常用具备语音功能的设备主要有工作面广播系统、华宁控制器语音喇叭、华宁控制器后安装的网络通话装置、部分摄像头、天玛实施的紧急避险系统报警喇叭、控制台固定电话、智能安全帽、部分定位终端、手机手环等。目前这些系统之间数据独立,基本不具备一键联动能力。

3 设计方案

经过调研,得知井下在用的安全信息系统在不同的方面起到很大的保障作用,但同时也存在数据相对独立,没有实时联动分析报警机制,综合感知能力差,没有安全风险决策指引和紧急突发状况应急指挥功能等问题。因此,首先需建立一个综合性的安全预警应急指挥系统,实现煤矿传统安全信息系统和智能煤矿系统间的数据互联互通、数据融合,进行系统间联动;其次,要对井下的车载终端、应急指示装置、应急救援装置、安全帽、机器人、手机管控平台等进行智能化改造升级,完善通信能力和离线数据分析能力、预警报警能力、撤离指引能力;再次,需建设地面撤离指引和应急指挥大数据分析系统,包含实施预警、井下全状态监测、指令传达、自动形成处置建议、救援路线规划、撤离路线规划等功能;另外,井下监测设备设施都需配备完善的离线在线撤离指引系统,其基础是离线在线条件下都可用的矿区矿井地图包功能。完善的矿井地图包及井下灾害监测数据,能够为撤离指引自动规划提供基础性功能保障;最后,应充分考虑断网断电、停风等不同条件下,水、火、瓦斯、有毒有害气体及顶板等不同灾害威胁情况下的智能化设备应用、大数据指引、系统间联动的功能发挥。智能指挥系统组成如图1所示。

图1 紧急撤人智能指挥系统组成

4 详细设计与应用

4.1 完善撤离指引设备设施

4.1.1 车载导航及人员状态监测系统

煤矿井下车辆应配备专用的车载导航系统,导航系统应具有一般模式和紧急模式2种状态。2种模式下,屏幕均能对系统联网状态、定位状态、井下通风、供电状态给出明显显示。具有覆盖矿区地面和井下的矿区专用的在线、离线地图包,在线状态下可联网升级,离线状态下能够使用缓存的地图包数据,并及时给出需联网提醒,离线时间超出阈值时,导航终端自动切换至紧急模式。当发生紧急情况时,车载导航系统自动切换至紧急模式。紧急模式下,车载导航系统第一时间进行语音报警和屏幕红框提示,自动切换至导航升井或导航避灾路线规划。导航系统仍然能够联网的情况下,系统自动连接后台大数据分析系统和应急指挥系统,根据后台大数据系统给出的分析结果,识别紧急模式出现的原因,根据影响因素的不同,给出导航路线规划;不同的路线给出预期升井时间和最可能的危险因素、沿途有无人员需要乘车。在接收到应急指挥系统发来的撤离方案时,能够根据方案自动规划调整升井撤离或避灾躲避的路线。车载导航无法联网的情况下,导航系统应能够使用离线地图包进行撤离路线规划,给出规划路线的预期时间,沿途主要地点能给出标识,尤其是避难硐室、紧急避灾点等要突出标识。

车载导航的路线规划可结合后台大数据分析和人工输入参数2种方式进行行车影响因素提醒,例如井下路段正常施工或发生紧急情况时,人工可录入施工位置或紧急情况发生的位置、对行人行车可能带来的影响,车载导航在规划路线阶段就能给驾驶员直观的提示。后台大数据分析能够检测到危险因素自动推送至车载导航终端,并对调度人员进行提醒,车载导航效果如图2所示。

图2 车载导航效果

4.1.2 固定设施撤离引导设备

井下通过现有设施改造或增设紧急撤离引导设备,主要功能是当发生紧急情况时提供应急照明、路线规划指引、环境和设备运行数据查看、工业摄像头视频查看、预警报警等。根据井下具体巷道布置和通风系统设计,按照一定密度在固定位置设置固定撤离引导设备。现有的固定区域巡检机器人可通过改造软硬件系统,增加紧急情况撤离引导功能。设备终端系统类似车载导航系统,能够使用在线/离线2种模式的地图包。当发生紧急情况时,第一时间通过语音、闪屏、开启应急照明的方式发出预警报警信息。井下工人接收到信息后,可通过引导设备查看网络、供电、通风、紧急情况具体内容、上级系统下发的应急指挥方案等信息。使用自身配备的矿区地图功能,结合环境信息、应急指挥方案规划出应急撤离路线供周围工人参考。此类设备在无紧急情况时,可用于区域内工人的辅助设备以及环境监控,如图3所示。

图3 固定点撤离指引设备效果

4.1.3 手持终端撤离引导

手持终端主要指矿用防爆手机和手环。防爆手机配置的撤离导航指引系统具备上述车载导航系统的所有功能。作为井下员工的贴身设备,手机和手环还应具备更多提示引导功能。手机端在接收到紧急情况信息时,自动打开矿区地图页面,标注紧急情况发生的位置和原因。同时,手机开始高频振动,并自动调节音量至最大开始语音报警,手机屏幕出现红色报警边框,后置闪光灯闪烁提醒员工。网络连接正常的情况下,地图功能根据环境感知数据和地面应急指挥系统给出的指令,自动规划出紧急撤离路线。地图标识清楚沿途人员、车辆、紧急避险设施。人员活动受限的情况下,可开启一键求救功能,使用文字录入或语音的方式向系统报告求救原因。失去网络连接情况下,地图包以断网前的数据为基础,通过本地感知计算的方式实时计算员工位置以作为参考,员工可对计算结果进行接收校正。利用缓存数据+实时计算的方式自动规划出紧急撤离路线,提供员工最大化的数据支持。

4.1.4 智能安全帽

新型的智能安全帽本身具有智能操作系统,除了具备除通信、成像、测温、感知环境、健康检测等功能,还具有AR增强现实功能。AR功能发挥良好作用的基础在于环境感知的数据范围、准确度、实效性。由于井下员工必须时刻佩戴安全帽,与员工交互最快、最稳定,因而功能强大的安全帽在井下紧急情况发生时,能起到无可替代的作用。紧急情况发生时,员工安全帽第一时间向员工发出语音和图像提醒,由于员工不一定时刻使用AR功能,监测到员工没有使用此功能时,安全帽发出具有一定特征的周期性振动。振动规律可提前给员工培训,某一类型周期性振动表示紧急情况发生,防止员工因忙于作业而忽视提醒。员工接收到紧急撤离指令后,可使用AR功能查看周围环境数据,异常报警数据、发生位置以及紧急情况出现的大概原因、性质等。智能安全帽联网接收应急指挥系统发送的撤离方案,使用自身携带的矿井地图包功能规划撤离路线,路线要有阶段性导航和总体概览2种模式。地图中应标识出沿途可用的紧急避灾避险设备,人车位置等信息,方便员工随时调整升井策略。

4.2 一键报警能力

紧急情况发生时,根据类型不同,应急撤离指挥系统首先根据系统内预设的方案留出一定的人工干预时间,超时后对井下除应急设备设施类的其他生产设备全部自动停电停机。

系统向井下扩音器、胶带机控制器预警系统、井下应急报警系统、智能摄像头发出指令开始应急撤离报警。手机、手环、智能头盔、人员定位装置开始振动和语音报警。

带有屏幕的智能设备,使用在线或离线地图包的功能,进行撤离路线规划,展示撤离整体方案。

4.3 系统实现

根据调研结果、设计目标、设计方案和详细优化方案进行了软件设计,实现效果如图4所示。

图4 神东紧急撤人综合指挥指引系统

神东矿井紧急撤人综合指挥指引系统已在神东布尔台煤矿投入使用,上线半年来应用效果良好。布尔台煤矿应用该系统先后进行3次事故模拟演练,以测试该系统的全部功能,演练显示该系统能够充分调动井下一切可以报警的智能设备进行紧急撤离报警,为神东其他12矿13井中推广使用该系统奠定了基础。

5 结语

神东公司建立的通用数据管理平台,打通各大安全监测系统的数据联接,充分挖掘井下一切可利用的报警设备和报警能力,提升矿井应急救援效率,为煤企安全高效开采提供新保障。