矿井应急可视化指挥平台的开发与应用
时间：2024-01-10 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
矿井应急可视化指挥平台的开发与应用
0 引言
应急救援是一项需要统一指挥、多方配合的工作，能够在第一时间让指挥部及时了解现场情况，对组织各方力量、制定科学的救援方案有着重要意义。煤矿井下作业场所分布较为分散，且空间上距离较远。井工煤矿煤与瓦斯突出以及粉尘、顶板、防治水等诸多不利因素，导致作业环境条件复杂，可能会发生水、火、瓦斯、机械和电气设备、运输提升和顶板等事故，客观上对应急救援工作提出了较高要求。
在传统的煤矿应急指挥中，总指挥部对煤矿灾害事故情况的了解只能通过电话系统进行井上下的信息传输、人工登录监控系统选择合适监控点进行查看或人工登录到井下定位系统中查询，工作传递效率相对较低，监控系统、井下定位系统及井下广播系统无法在应急指挥过程中发挥出最大的作用。在调度指挥决策时，相关人员需要在多种不同的应用系统之间反复切换调取相关资料，无法快速从这些海量的数据信息中抽取最需要的数据。因此，有必要利用三维GIS技术、物联感知技术、大数据实时计算等技术，将感知数据融合起来，通过构建矿井应急可视化指挥平台，对各类信息进行融合展示和辅助指挥决策，提高突发事件专业信息汇集、应急决策和指挥调度能力[1-2]。
1 应急可视化指挥平台总体架构设计
应急可视化指挥平台基于工业互联网平台的建设思路[3-5]，集成各业务系统数据及感知层数据，运用新一代信息技术建设业务中台和数据中台，为上层业务应用提供统一的数据汇聚与技术支撑。建设应急可视化指挥系统，实现对应急管理的全业务流程管理。应急可视化指挥平台总体架构如图1所示。
图1 应急可视化指挥平台总体架构
1.1 感知层
该层接入现有生产子系统及监测监控系统数据，包含采、掘、机电、主煤流运输、辅助运输、通风、压风、排水、供电等各类生产子系统的设备工况数据。同时接入视频监控、人员精确定位、矿压监测、水文监测、火灾监测等各类监测监控系统的实时监控数据、报警数据、应急广播、通讯联络等。
1.2 数据采集平台层
通过工业接口并遵循工业协议，数据采集平台层对煤矿现有传感器、执行器、可编程控制器的数据进行采集，为平台提供数据底座支撑。主要采用以下4种方式对数据进行采集。
(1)监测监控系统数据采集。随着国家相关感知规范和行业标准的完善，如安全监测、人员定位、水文监测、束管监测、矿压监测等子系统，均可以按国标要求对外生成数据交换文件。系统数据采集需适应多种标准协议，可以对交互文件数据进行解析和数据同步。
(2)自动化系统数据采集。现场采、掘、通、提、运的各类重大设备自动化系统，实现方式是由传感器、执行器通过Modbus、Profibus等工业协议，连接到可编程执行控制器(PLC)或单片机。PLC或单片机再通过工业环网传至上位机服务器。平台数据采集需适应多种情况，可直接连接PLC或从自动化系统上位机服务发布的OPC服务进行数据交换。平台形成了针对西门子、欧姆龙、AB等主流PLC的接入套件，可以完成大部分PLC按照工业协议的接入和通讯，同时可以实现与上位机系统的基于OPC/OPCUA等方案的互联互通。
(3)管理系统数据采集。对于矿方已经建设完成的各类管理系统，平台可以通过系统API定时数据同步或数据库抽取的方式进行数据抽取。
(4)AI视频分析系统数据采集。通过消息队列的方式，集成AI视频分析的报警信息，通过与自动化、监测监控系统的数据相互校验，减少了AI视频分析的误报频次，细化报警信息。
1.3 中台层
(1)技术中台。以统一技术平台架构为底座，以工业互联网技术方案为路径，封装主流的如流处理平台(Kafka)、远程字典服务(Redis)、微服务网关(Zuul)、负载均衡服务(Nginx)、分布式应用程序协调服务(ZooKeeper)等开源中间件解决方案，形成通用的IT技术中台，基于开源中间件构建稳定的iPaaS能力，可满足数据库、消息队列、缓存、流程、大数据组件等常见企业级应用场景，提供简单的REST访问接口，为实现应用的快速构建，集中管理中间件的快速安装、配置与运行监控动态扩容、日志收集和监控检查。
(2)数据中台。为上层应用提供数据中台支撑能力，同时打通如Spark、Hive、HBase等多个计算存储引擎，对外提供统一REST/WebSocket/JDBC接口，提交执行SQL、Pyspark、HiveQL、Scala等脚本的计算中间件统一作业执行服务，对外提供分布式的REST/WebSocket服务，用于接收用户提交的各种脚本请求，并支持Spark、Flink等多种计算引擎。
1.4 核心服务层
结合煤矿应急救援的各类场景，以领域驱动设计(Domain Driven Design，DDD)架构思想设计各类子系统接口服务，通过各系统的集成、数据的汇聚，打破信息孤岛。构建应急相关的微服务组件，封装开发了井巷工程拓扑管理、水流拓扑分析、风流拓扑分析、煤流拓扑分析、最短路径分析、空间范围搜索、漫延分析、人员精确位置解析等标准化微服务组件，通过API网关进行统一管理，对上层应用提供服务。
1.5 应用服务层
利用统一技术框架，构建基于微服务的应用App，包括支撑平台数据采集与展示、应急预案电子化、应急物资管理、应急专家管理、救援力量管理、可视化应急指挥、应急辅助决策、指挥过程记录等应用服务。
2 应急可视化指挥平台主要功能模块设计
应急可视化指挥平台软件采用模块化设计，实现应急预案、专项预案等电子档案化管理，便于启动应急响应程序后快速调用响应应急事件的各项预案。将企业现有应急物资、应急专家、应急装备进行信息化管理，在启动应急响应程序后，根据事故类型快速调用应急物资、应急装备、应急专家等信息。应急可视化指挥平台主界面如图2所示。
图2 应急可视化指挥平台主界面
2.1 灾害数据的全面感知模块
该模块基于统一的大数据平台，将矿井各子系统进行统一的采集和集中存储。通过图形化界面，可以实现跨系统的各类数据的融合分析。利用各系统标准元数据，构建针对特定场景的报警监测规则，改变现有系统单一超阈值报警的现状，实现多参量实时计算，并可根据辨识结果对产生的风险进行定量描述。此外，根据专业分工和严重程度，实现多级精准推送。
2.2 专项预案电子化模块
该模块实现应急预案、专项预案等电子档案化管理，便于启动应急响应程序后快速调用响应应急事件的各项预案。根据专项应急预案规定的严重等级判定依据、组织架构及职责、应急响应流程等要素，对专项应急预案进行电子化。
2.3 应急资源集中管理模块
该模块实现应急预案、应急物资、应急装备、应急专家等信息管理。将企业现有应急物资、应急专家、应急装备进行信息化管理，有助于在启动应急响应程序后，根据事故类型对应急物资、应急装备、应急专家进行预先关联。一旦进入应急响应环节，可以根据灾害类型进行快速选择匹配。
2.4 应急可视化指挥模块
该模块依托三维GIS一张图，根据不同事件实现自动群呼、组呼、短信通知，并根据事故地点自动调用人员定位系统、安全监控系统、视频监控系统等，同时直观展示事件区域当前人员信息、周围有毒有害气体浓度、视频监控信息等，根据事故类型自动调用相应应急预案、应急物资、应急专家、硬件装备、避灾路线等，此外根据实现导入的应急预案发起消息推送及自动通知相关人员。
(1)接警。根据传感器超阈值自动报警或井下现场人员反馈情况，可以从GIS上选择事故发生区域，激活平台进入应急状态。
(2)启动预案。根据电子化的应急预案，按照灾害类型提供响应等级判定依据。调度人员根据现场反馈情况结合判定依据，决定启动响应等级。
(3)支撑系统数据。系统默认启动人员定位、安全监测数据面板。根据灾害类型，启动相应监测系统的实时数据面板，方便理解矿井整体情况。如水灾，启动排水、水文监测系统数据看板。用户可根据自己的需求和关注点，自行启动相应系统的数据看板。
(4)图纸调阅。为方便调阅图纸，系统按生产系统类别分类管理各种图纸。可以通过选择快速打开图纸，方便指挥人员查找资料。
(5)呼叫。系统集成调度电话、应急广播、智能单兵的呼叫功能。应急广播提供通过列表选择、GIS地图选择等方式，形成广播终端列表，输入广播内容进行批量广播。
(6)智能单兵联动。通过对登录App用户的人员轨迹分析，入井后有特殊的单兵标志图标，通过GIS地图可以快速定位，实现对智能单兵信息推送。
2.5 辅助决策模块
该模块利用图计算技术，根据灾害特征进行灾害仿真模拟分析。在矿井水方面，研发矿井水淹模型算法，实现由突水点、淹没水位或水量等监测数据，获得井下被淹没的巷道信息，模拟矿井淹没的变化过程。根据估算时长，自动按小时形成矿井淹没分析结果，不仅可以按时间轴查看不同时间段内矿井的淹没巷道，而且基于实时数据分析影响的人员和设备，方便矿井救援时的辅助决策支持 [6]。在矿井火灾方面，根据矿井火灾特性及烟流蔓延规律、巷道自身的因素、火源位置和通风等情况，实现对火灾发生后的烟雾漫延模拟，并对影响范围内的通过安全性进行评估。
当矿井突发事故时，矿井避灾路线受灾变影响范围、灾变扩散情况、有毒有害气体及巷道特性等影响，可能会遇到避灾路线被灾变或次生灾变所阻断的情况，使原处于安全状态的区域变为危险区域。从灾害发生区到安全区的多条路线中，该模块能够自动推荐避灾路线，并进行辅助决策。
3 应急可视化指挥平台关键技术
3.1 多源异构数据实时采集高可用架构
通过数据交换文件、OPC Server、数据库、PLC、OPC等多种方式从人员定位、监测监控、重大设备中抽取实时数据。以通风机为例，可对风机的开停状态和风量、温度、电流、电压等参数进行实时监测，并对煤矿企业关注的主要参数设置了报警阈值，当实际数值超过阈值，平台自动报警，并将报警记录存储在数据库中。
建立统一的数据服务接口、信息采集标准、数据格式、通信协议，实现数据的统一集中管理，建立矿井多源异构信息数据共享平台。平台采用分布式日志采集组件Flume对各数据源进行实时侦听，将数据推送至消息队列Kafka进行缓存。从Kafka对系统进行解耦，实现数据存储、前端数据推送自动刷新界面和实时计算引擎3个方向。数据采集平台提供图形化界面，可以帮助用户快速、简单地通过配置方式，完成现有系统的接入。实现多源异构数据的归一化和边缘集成，利用协议转化，开展平台边缘侧数据预处理、存储以及智能分析，提供边缘设备实时异常检测、实时运行环境分析等应用服务，实现多工业通信协议兼容及数据间互通。
3.2 基于三维GIS的井巷工程数字模型
煤矿井下存在较多井巷工程，同一水平巷道存在“T”形交叉、“Y”形交叉、“十字”形交叉、“X”形交叉、错位交叉等常规拓扑结构。因巷道功能不同，不同水平的井巷工程从空间上存在立体分离式交叉、立体交叉等复杂的空间关系。相比地面路网，其拓扑关系更加复杂，空间属性更强。此外，井巷工程会随着开拓、打密闭阻断等生产过程不断改变现有拓扑关系，因此构造井巷工程拓扑关系的基本数据，需要采用煤矿常用的导向点坐标数据作为构建GIS空间数据的基础数据，便于收集、易于维护、能够映射客观世界。三维GIS平台基于WebGL技术开发，客户端基于BS架构，不安装任何插件，根据井下工程三维导向点坐标，GIS平台可动态生成巷道模型并进行三维渲染，同时自动构建拓扑网络，用于支撑最短路径等空间分析功能。随着生产过程的不断变化，井下空间发生变化，用户可根据实际情况更新导向点坐标，动态重新生成井下巷道模型，重新自动计算拓扑网络[7-9]。
此外，通过三维GIS可以对重点区域、限入区域等多种类型管理区域的自定义标注，提供煤矿常用设备的三维模型，用户可通过拖拽等方式实现传感器、现场设备等兴趣点进行标注和更改位置，对于场景中的主要对象，不仅可以集成传感器实时数据，将传感器导入三维场景中，还能够采集安全监测传感器和人员定位系统的实时数据[10]。基于三维GIS的井巷工程数字模型如图3所示。
图3 基于三维GIS的井巷工程数字模型
3.3 基于图计算的集成分析
图计算里的图不是指图像，而是指一种抽象的数据结构，由顶点和边构成。通过对图进行个体分析、关系挖掘和复杂计算，实现知识推理、事件溯源及预判。图计算提供了从“关系”的角度去分析问题、发现问题的能力，能够更好地描摹世界真实存在的形态。使用图计算技术与知识图谱相结合，不仅能够更加有效地对煤矿领域知识之间的联系进行分析，构建人员、设备、操作、环境等信息之间的内在联系，而且能够采用三元组的方式描述井下设备、环境状态、管理要求、操作状态等信息之间的关联关系[11]。
平台针对项目范围内的各项数据，采用领域涉及思想规划了业务实体，按照实体、关系及属性抽取3个方面进行分析，根据煤矿经验，对导致水灾、火灾、瓦斯、煤尘爆炸、顶板冒顶、供电、运输事故以及灾害天气事故的致灾因素进行综合分析，分专题建立实体之间的关系，将煤矿领域本体内容映射建立图数据模型，实现本体数据到图数据的转换与煤矿领域知识的存储。
利用图计算数据库，对知识图谱进行存储、分析计算。本方案采用的Neo4j 是一个典型的、高性能 NOSQL 图数据库，用Java 语言实现，存储方式不同于一般数据库的表格存储，以网络的方式对结构化数据进行存储。与其他非关系型数据相比，Neo4j 支持 ACID 事务，支持海量数据存储，具有成熟数据库的所有特性，能够很好地解决煤矿领域数据价值密度低、数量大、更新速度快等问题。Cypher 是专门为图像数据库设计的语言，浅显易懂，具有丰富的表现力，能高效地查询和更新图数据。
根据实时感知数据利用图计算引擎，实时计算灾害发生的可能性。利用三维GIS技术，以井巷工程三维数据为基础，实现设备、人员位置、传感器、观测点等坐标的精确位置拾取。如涌水量观测点水流量异常后，可根据各采区涌水量观测点流量、各采区水泵房排水量，综合分析突水地点，并根据节点的空间属性、边数据的贯通属性，判断水流漫延的影响范围。利用图计算技术，查找指定节点的风流、水流、煤流、传感器、摄像头、人员实时位置的空间关系，并进行融合分析[12-13]。
4 应急可视化指挥平台的应用
2022年11月，山东省邱集煤矿有限公司开始进行平台建设，并于2023年3月进行了试运行，运行以来取得了较好的应用效果。
(1)基于统一的大数据平台，将矿井各子系统进行统一的采集和集中存储。通过图形化界面，可以实现跨系统的各类数据的融合分析。利用各系统标准元数据，构建针对特定场景的报警监测规则，改变现有系统单一超阈值报警的现状，实现多参量实时计算，并可根据辨识结果对产生的风险进行定量描述。通过平台共设置规则379条，从人、机、环、管4个方面，对各类环境超阈值、重大设备工况异常、人员超员等问题进行实时监测，通过设置一级、二级、三级预警，对应相应的级别分级推送送到App上，目前平台已推送报警信息6万多条。
(2)实现应急预案、专项预案等电子档案化管理，便于启动应急响应程序后快速调用响应应急事件的各项预案。通过对山东省邱集煤矿有限公司2023年各类专项应急预案的分析，对各类专项预案涉及到的组织机构及职责、应急响应流程进行设置，形成针对水灾事故、火灾事故、瓦斯事故、煤尘爆炸事故、顶板冒顶事故、供电事故、运输事故、灾害天气事故等10多类专项应急模型数据。
(3)自平台运行以来，通过不断优化，目前平台运行稳定、响应速度快、容错率高，服务器运行稳定。通过10余次的应急演练，并多次进行功能优化，调度员通过平台能够快速完成应急响应的相关操作，大大缩短了应急预案从接警到启动的准备时间。此外，根据关注区域，平台能够实时整合现场视频、传感器、设备数据，为应急指挥提供了可视化工具，并可利用灾害模拟算法评估火灾、瓦斯、突水等影响范围，为应急指挥提供了强有力的辅助决策支撑。
5 结语
应急可视化指挥平台的应用实现了矿山应急 救援预期规划的主要内容和应用目标。该平台利用导向点测量数据动态建模方法，解决井巷工程数字化表达交叉巷道复杂连通等问题，利用图计算数据库实现了井巷工程空间关系的动态计算。后期模型可以根据实际生产情况进行动态更新，具有较好的适应性。此外，该平台利用井巷工程基础数据构建了针对水灾、火灾特征的图计算边数据，极大地简化了计算过程，根据现场情况对各类需要的数据进行动态计算，可为应急救援指挥人员进行辅助决策。
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Development and application of mine emergency visualization command platform
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