基于物联网的煤矿智能巡检系统研究与应用

李建军，贾东秀，牟晓辉

(1.山东省邱集煤矿有限公司，山东省德州市，253000；(2.国家矿山安全监察局山东局监察执法一处，山东省济南市，250000)

0 引言

煤矿安全巡检作为一项综合性的检查制度，对安全生产工作具有积极的督促指导作用。煤矿安全巡检主要是对生产作业场所及煤矿井下的采煤、掘进、机电运输、“一通三防”等类型的人-机-环-管等各类风险进行安全状况的监督巡检。目前，大部分煤矿的巡检模式主要是采用定责、定时、定人、挂牌督导的方式，在定时周期巡检质量管理方面，存在漏检、超时等问题；在巡检内容方面，现场作业人员因其侥幸心理驱使，假检、不检、巡检质量差等问题时有发生，巡检工作缺乏有效监督和规范，存在空班漏检等严重违章行为，极易造成较大的安全隐患。

在实际巡检工作中，对现场发现的安全隐患或者是影响运行的故障性隐患发现不及时，或者对发现的隐患问题处置程序复杂等，以及没有及时与现有的双重预防管控平台等安全管理系统实现优先对接联动，这些现象都会导致隐患排查治理滞后，阻碍了煤矿安全管理工作的正常进行。

物联网技术主要是利用信息网络技术、传感器技术实现万物与网络的连接，对连接入网的对象进行标签化处理，实现物的智能化管理操作[1-2]。基于物联网的煤矿智能巡检系统可以实现巡检任务的个性化定制，通过智能终端自动识别完成巡检工作，为煤矿巡检工作的管理和考核提供依据[3]。

针对目前煤矿巡检过程中存在的问题和任务需求，将智能手持终端引入煤矿巡检监测中，设计并实现了基于物联网的煤矿智能巡检系统。该系统通过硬件和软件系统的结合，利用三维GIS技术、二维码扫描识别技术、大数据分析技术等对煤矿智能巡检系统进行构建和支撑，使巡检操作和统计管理更加智能化，全面构建起煤矿智能移动巡检平台。

1 煤矿智能巡检系统总体架构设计

基于物联网的煤矿智能巡检系统采用物联网技术实现了感知层、传输层和应用层的3层架构体系，实现对煤矿井下生产作业场所及煤矿井下的采煤、掘进、机电运输、“一通三防”等类型的人-机-环-管等各类风险进行安全状况的监督巡检。基于物联网的煤矿智能巡检系统总体架构如图1所示。

图1 煤矿智能巡检系统总体架构

(1)感知层。该层主要是智能终端采集的数据通过无线网络进行不同巡检类型数据的信息交互和实时互联，通过收集大量的环境数据、设备运行数据并进行处理，保障数据的完整性、准确性和实时性。

(2)传输层。该层组建的工业环网和无线网络等，可更好地满足海量巡检数据的接入和可抵御信号干扰需求，对多协议传输网管可采取多网协同、高层协议向下兼容解析等方式完成井下环网和感知传输网络的高效通信，提高数据的实时传输及数据处理能力。基于微服务架构和人工智能算法构建智能数据引擎，实现业务逻辑快速组态化构建和智能分析。

(3)应用层。该层主要根据需求集成部署在煤矿统一数据平台上的各业务功能模块，如检查项管理、巡检点管理、任务管理、统计分析等功能。通过构建煤矿统一数据平台，对巡检数据进行共享和融合分析，提取有价值信息，为后续的矿井安全管理提供参考。

2 煤矿智能巡检系统设计

2.1 系统硬件架构设计

根据煤矿智能巡检系统的硬件构成，系统可划分为煤矿统一数据平台、煤矿工业环网和智能巡检终端。因此，煤矿智能巡检系统硬件主要包括后台管理服务器、工业环网、计算机、本安型移动智能终端等。矿用本安型移动智能终端设备建议采用市场中应用比较成熟的智能设备，其具有良好的工作稳定性与技术服务支持能力，可保证巡检工作的有效开展[4]。基于物联网的煤矿智能巡检系统采用人工智能、机器深度学习、图像识别、路径自主规划及在线控制相融合的以及大数据交互引擎技术等现代技术结合的智能化巡检设备，为系统安全管理提供强有力的信息化手段，实现对巡检内容的实时把控和安全响应[5]。煤矿智能巡检系统硬件架构如图2所示。

图2 煤矿智能巡检系统硬件架构

2.2 系统软件功能实现

煤矿智能巡检系统软件开发内容主要包括PC端(管理人员)和巡检 App端(巡检人员)组成。

煤矿智能巡检系统将应用功能模块部署在煤矿数据平台，统一实现数据的存储、分析、监视和预警。煤矿智能巡检系统与煤矿现有监控系统实现无缝对接，具备实时监控、智能识别、巡检结果智能分析、智能App端应用等功能，采用三维模拟的形式实现GIS巡检区域内的全景展示[6]。

针对拟开展的智能巡检区域或巡检对象完成数据采集，巡检人员使用手持终端对粘贴的二维码进行扫描后录入巡检数据，通过无线网络将瓦斯巡检、通风巡检、设备巡检等各类型的巡检数据信息传输到服务器，在巡检专用GPU服务器上部署识别软件，对前端采集的图像、音频等数据进行识别，最终系统将识别结果、巡检数据存储在统一的数据平台，并通过后台对数据进行智能分析展示。煤矿智能巡检系统统一与煤矿双重预防管控系统实现优先对接联动，具备实时监控、智能识别、智能分析、巡检报表自动生成等功能。煤矿智能巡检系统业务流程如图3所示。

图3 煤矿智能巡检系统业务流程

2.2.1 PC端设计

煤矿智能巡检系统是一个基于移动互联网的云巡检服务平台，系统支持在线巡检、离线式巡检等多种应用模式，简单、易用、智能、高效，仅通过矿用本安型移动智能终端、电脑即可有效监督巡检人员是否及时到位，有效避免漏检情况发生。PC端功能主要包括定职定责管理、监督检查管理、验收闭环管理、统计分析等。

(1)定职定责管理。基于物联网的煤矿智能巡检系统是一个多部门、多人员共同使用的协同工作平台，管理人员可以自主设定巡检路线、巡检设备、巡检内容，配置智能识别对象、智能分析逻辑以及巡检结果展示等[7]。

(2)监督检查管理。监督和检查巡检人员的工作进度及质量，通过三维GIS可实时查看巡检人员的工作轨迹，确保巡检人员到岗到位等，通过技术手段完成对巡检人员的监督和管理[8]。

(3)验收闭环管理。对巡检过程中发现的异常情况将自动转入到异常记录功能中，移动终端和管理后台都可以查询到异常信息，异常信息自动上传到双重预防管控系统中，按照隐患进行闭合处理，可及时发现和处理安全问题，有效提高工作效率和安全隐患的管理水平，保障煤矿安全管理工作顺利进行。

(4)统计分析。系统支持查看巡检任务完成状态、完成情况的统计分析，支持按日、周、月对巡检点巡检数据、超限报警数据等进行统计分析，支持根据不同的时间段自动生成某一地点通风量的变化曲线，全面掌握各巡检类型的执行率、问题整改率等，并将分析结果作为风险预警、绩效评估等的依据。煤矿智能巡检系统PC端界面如图4所示。

图4 煤矿智能巡检系统PC端界面

2.2.2 App端设计

根据煤矿实际巡检工作的业务场景及需求，巡检App端具体功能主要分为巡检质量控制、巡检路线自动提醒、巡检过程管理等功能。

(1)巡检质量控制。系统使用引导式录入方式，通过直观的界面展示将巡检信息固化，引导巡检人员完成巡检任务。在巡检过程中全程实时统计巡检进度，在未完成巡检的情况下标红提示，杜绝巡检员漏检、不检等情况的发生。巡检App端界面如图5所示。

图5 巡检App端界面

(2)巡检路线自动提醒。通过本安型移动智能终端与二维码的配合应用，促使巡检人员按照集团公司和煤矿的有关规定以及按顺序、按时、按点进行巡检，在完成一个巡检点之后，自动提醒下一个巡检点，避免巡检顺序出错。

(3)巡检过程管理。在巡检过程中，未到达巡检点时禁止录入信息，通过巡检路线指定及指定位置弹出任务的方式，将巡检任务固化到位置点，必须在到达指定巡检位置后，才可录入巡检数据，为保证检测效果，系统规定数据提交时间。

(4)巡检信息自动上传与联动。手持终端在井下无线网络通畅的情况下，可以与PC端实现数据的实时传输，自动生成相关巡检类型的台账报表。可以通过文字、拍照、短视频等方式快速上报巡检异常，并自动同步到双重预防管控等安全生产管理系统中，按照隐患进行闭合处理。

(5)巡检记录与警示。针对未按时完成的巡检工作，系统根据后台设置的巡检频次短信提醒巡检人员和管理人员。平台服务器可以根据告警信息的紧急等级结合告警规则向相关人员发送告警信息[9]。

(6)换位履职管理。安全巡检联动保障与双重预防管控系统、安全生产等系统进行联动，及时提醒巡检过程中已存在的隐患信息，保障巡检人员安全巡检。

3 煤矿智能巡检系统关键技术

3.1 大数据分析技术

煤矿大数据分析平台具备数据接入、数据存储、数据处理、数据可视化等功能。数据引擎提供了CSV、TXT、文件文档、关系数据库等云存储数据，并针对不同的应用场景提供HBase、Hive 和 HDFS这3种存储方式。煤矿大数据分析平台不仅为 SparkSQL 分析、RDD、DataFrame和 DataSet 等提供数据接口，而且为机器学习提供决策树快速构建、回归算法以及贝叶斯算法等常见分类和模型构建。煤矿大数据分析平台提供饼状图、柱状图、雷达图、曲线图以及位置分布等接口，使计算分析结果能够直观地进行可视化展示。在煤矿大数据分析平台上，建立风险库、隐患库、预测预警规则库等，基于静态数据、流式数据等计算框架，对煤矿人员、设备、环境的偏离情况等进行不间断实时分析计算和预测[10]。

3.2 三维GIS技术

煤矿智能巡检系统采用了相关GIS技术处理巷道、巡检点、巡检线路的相关展示和计算。针对巡检工作可视化单一、缺乏与地理信息集成等问题，利用 GIS技术将实时巡检信息集成在三维地图上，展示巡检的实时工作进程以及异常点位的动态情况等，实现了对巡检工作的远程综合实时监控。

结合GIS技术，巡检系统可以辅助管理分布在井下的巡检点和巡检人员，管理人员可在GIS地图上灵活绘制路线，系统自动生成最优路线建议，支持维护与巡检路线相关的异常信息自动识别并预警。煤矿智能巡检系统能够实现井下人员实时定位，并在三维模型中即时更新。同时可查看巡检点在GIS地图上的空间分布位置，根据巡检点的颜色判断巡检完成状态，查看巡检人员的实时位置及巡检轨迹回放，并且能够及时准确地将井下人员分布信息、人员运动轨迹等反映到调度中心，以便能更加合理地调度和管理，同时也为应急救援提供精准的人员定位数据。

3.3 数据联动技术

近年来，我国5G技术在企业生产管理中的广泛应用为巡检过程中的实时通信提供了重要的技术支撑。目前，常用的通信技术包括可见光无线通信技术、Mesh技术、无线保真技术等[11]。依据PDCA循环理论，煤矿安全巡检发现的隐患数据通过5G网络实时上传至双重预防管控等安全生产管理系统中，实现智能联动控制，形成巡检感知-决策处置定时-验收合格的闭环式运行模式，全面提升矿井灾害防治系统的安全保障能力和机电设备的正常可靠运行。

4 应用效果

2022年10月，基于物联网的煤矿智能巡检系统在邱集煤矿投入使用。通过该系统的应用，真正实现了邱集煤矿12个巡检员、300多个巡检点巡检工作的全流程智能管理以及瓦斯、粉尘、防爆门、密闭墙等多种类巡检工作的一体化管理，有效解决了空检漏检隐患、不按计划巡检、巡检数据记录不规范、应急处置查证困难等问题。

(1)解决了巡检人员未检、漏检、不检等问题，通过PC端与App端的配合应用，设置不按预制巡检要求即无法完成巡检的限制，系统层层把关提醒，避免漏检、不检。

(2)规范人员巡检路线，通过移动智能终端与二维码的配合应用，GIS地图自动记录人员的巡检路线，促使人员按有关规定按时、按点、按线路进行巡查，以便发现安全隐患并及时解决。

(3)巡检数据充分利用，利用本安型移动智能终端实现井下记录一次，井上自动生成各类台账报表，并对巡检数据进行自动分析、预警，推进信息化与安全生产业务的融合，避免重复记录，提升工作效率，降低监管难度。

(4)趋势分析支撑领导决策，对巡检数据进行深入分析，全面掌握各类型的任务执行率、漏检率、问题整改率等，并将分析结果作为风险预警、绩效评估的依据。

5 结论

(1)矿山物联网与大数据融合促进了新型信息处理方式的发展[12]，煤矿智能巡检系统应用的物联网技术、大数据分析技术能有效加快现场突发情况的响应速度，降低人工巡检工作强度和危险系数。目前，大数据分析技术对巡检相关的历史数据进行了分析，但对未来趋势风险的预估准确度有待提高，后期将根据历史运行数据，提高瓦斯巡检、通风巡检、设备巡检等相关未来趋势风险的预估准确度，以指导煤矿智能巡检。

(2)煤矿智能巡检系统在邱集煤矿的深度应用解决了煤矿的空检漏检隐患、不按计划巡检、巡检数据记录不规范、应急处置查证困难等问题。但是随着科技的进步，针对煤矿智能巡检的要求也越来越高。目前，传统的摄像、读数及远程传输等巡检方式已满足不了煤矿巡检需求，未来需将机器视觉、智能AI等新兴技术应用到煤矿智能巡检系统中，完善智能巡检识别算法，助力煤矿巡检工作智能化开展。

(3)煤矿智能巡检系统的研究与应用响应了国家提出“建设数字化矿山”的要求，为煤矿井下安全巡检管理提供了新的方法，可基本解决煤矿巡检人员履职管理、巡检数据应用的难题，对夯实矿山安全基础管理、推进信息化与安全生产业务深度融合、保障矿井安全生产具有重要意义。