煤矿智能识别监测预警平台研究及应用
时间：2024-05-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
煤矿智能识别监测预警平台研究及应用
0 引言
煤炭安全高效开采的需求，使智能化采矿技术的研究成为未来矿井开采的趋势，科学合理的智能化监测、监控系统有利于矿井的安全高效回采和管理[1]。智能化采矿技术提出初期，国家8部委联合下发的《关于加速煤矿智能化发展趋势的实施意见》表明，煤矿智能化已成为矿井开采不可或缺的生产因素之一[2]。随着煤矿智能化建设与新一代信息技术的深入融合发展，智能化识别监测预警系统作为现代工业管理体系的重要组成部分具有极其重要的作用[3]。智能化识别监测预警系统作为智能采矿技术的“眼睛”，已成为煤矿信息化、智能化发展的前提[4-6]。
传统矿井视频监控的主要作用为监督和存档，性能和稳定性不足。同时，传统监控图像仅能在控制中心查看，系统的扩展能力差，影像质量难以满足实际需求，无法形成有效的报警联动，存在诸多不足[7-10]。此外，矿井监测体系难以实现全方位立体监测，对矿井监测能力不足，因此亟需多功能的智能化监测平台[11-14]。随着网络技术和计算机技术的发展，基于TCP/IP协议的智能化识别监测预警系统得到广泛普及[15-16]。
目前，煤炭企业高度重视智慧矿山建设，将智能化识别监测预警系统与安全生产运营管理深度融合，以实现对矿井采掘面、施工和机电设备检修作业场所视频监控的综合预警，达到华阳新材料科技集团有限公司对各矿井生产安全的“可视、可控、可算”，促进集团公司安全生产工作健康发展。基于此，建设煤矿智能识别监测预警平台(以下简称“监测预警平台”)十分必要。
1 监测预警平台设计原则
在智慧矿山标准规范体系的基础上，基于时空智能“一张图”管理理念建设监测预警平台。采用最新的空间信息、云计算、大数据、物联网、移动互联网和视频AI等技术，构建煤矿安全生产业务的一体化管控平台，实现煤矿的智能化识别监测预警，根据“一张图”管理模式实现在线监测[17-19]。对工业监测视频、综合自动化数据实时采集存储与预测预警，建立共享协作平台，完善规范管理、责任到人、远程监控、统揽全局的目的。最终通过监测预警平台的应用，实现矿井远程监测、AI识别监控及预警，有效减少人为因素引发的灾害事故或不规范操作。
监测预警平台需要实现对视频监测系统的所有安全生产相关信息系统一体化集成、融合、分析和控制，建立符合煤矿特色的AI大模型应用。基于防范重大安全风险为主线，实现对“三违”行为的实时识别、监测、精准研判以及智能化闭环处理，推动煤矿安全模式向远程化、智能化、可视化以及“工业互联网+时空GIS+视频AI监控”模式转变。通过充分发挥时空智能GIS地理空间信息、AI智能识别、井下精准定位、物联网和大数据等新技术在智能管控平台和大数据智能分析等方面中的优势作用，满足矿井现场监测的目标。
2 监测预警平台总体设计
监测预警平台以数字视频为核心，以计算机或嵌入式系统为中心，以视频处理技术为基础，以利用图像数据压缩的国际标准和综合光电传感器为主体，同时基于计算机网络、自动控制和人工智能等技术为一体的一种新型智能化监测预警平台[20-22]，该监测预警平台能够实现远程监控和及时预警预报，一定程度上可减少人为不规范操作，提高现场工作面回采效率。
2.1 平台架构设计
监测预警平台总体架构共计5层，分别为数据展示层、业务OMS平台层、服务层、数据层和基础设施层。数据展示层主要对图形数据集中展示、预警事件和数据统计分析；业务OMS平台层主要对视频智能分析、管控平台模块、“一张图”模块、视频联动预警和统计分析模块为一体的核心组织结构；服务层主要是集成时空GIS地图服务、空间数据分析服务和视频同步服务等的数据处理统计层；数据层主要为业务数据库、空间数据库和地图数据库的数据处理单元；基础设施层则是将相关视频监测设备安装于矿井指定位置，对矿井整体实施现场监测和远程管控。监测预警平台总体架构如图1所示。
图1 监测预警平台总体架构
2.2 平台业务流程设计
监测预警平台是以建设智能化煤矿为契机，以工业互联网、大数据、时空智能GIS“一张图”为基础，以智能视频分析为技术手段，实现生产调度指挥和视频监控联动预警的智能化体系。基于以上建设思路，确定以下功能完善的三步走流程：一是在详细调研井下隐患的基础上，本着“急用先行”的原则，确定需进行视频智能分析的应用场景；二是基于视频监控的联动预警机制，在预警模型产生超限时，临近视频终端显示定位地点；三是基于智能设备的分析及业务平台逻辑设计开展相应的视频联动预警功能。监测预警平台业务流程如图2所示。
图2 监测预警平台业务流程
2.3 智能视频模型设计
为了实现安全隐患的智能分析，基于煤矿井下生产现状，对安全事故隐患进行定义，将场景类型分为人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全因素3类，具体智能视频模型识别清单见表1。
表1 智能视频模型识别清单
场景类型场景名称业务实现逻辑应用场景人的不安全行为行车行人检测绞车运行且人员出现则报警绞车运行的巷道人员脱岗检测人数少于规定并超过设定时间则报警绞车房、配电室等在岗睡岗人员检测框范围小于设定阀值则判断为睡岗绞车房、配电室等安全帽未佩戴检测检测安全帽未佩戴情况巷道及硐室随地躺卧检测画面中倒地的人硐室物的不安全状态胶带大块煤当检测目标物超过一定值则报警输煤胶带胶带空载带式输送机运行利用分类算法实现空载检测输煤胶带胶带卡堵对划定区域进行识别带式输送机机头、机尾等胶带撒煤报警检测特定区域是否有煤输煤胶带环境的不安全因素火焰检测检测画面中是否有明火巷道
2.4 平台分析报警逻辑设计
监测预警平台需结合业务逻辑和集成算法等对目标物检测，将报警事件上报至预警系统平台。平台依据具体业务逻辑设计报警，从而判定智能分析结果。以行车不行人为例，监测预警平台通过相机接入行车信号并结合智能分析结果，可划定特定区域是否存在人的不安全行为。在检测绞车运行过程中判定巷道特定区域是否有人，从而做出相应预警机制。若存在人的不安全行为则联动广播进行语音报警，并在平台报警，同时根据智能视频监测结果判定条件得到是否输出报警信号，具体判定逻辑如图3所示。
图3 井下场景视频分析报警逻辑
2.5 平台功能设计
监测预警平台应用主要分为视频智能分析和视频监控联动预警。基于时空智能GIS“一张图”，建立基于视频监控的联动预警机制。在环境监测系统产生超限或设备产生故障时，监测范围内的工业视频终端能及时提醒。作业人员可通过调整视频终端角度获取视频画面，对现场画面实现监控。若需联系井下特定人员，可采用人员定位系统确定该人员所在位置，并关联显示该位置附近的广播系统、视频系统，依据广播系统或人员随身携带的移动端呼叫，从而完成远程监控的目标。通过接入视频监控、一卡通、停车场、报警检测等系统，获取边缘节点数据，实现了安防系统集成与联动。采用时空智能GIS“一张图”为载体提供精确空间位置，融合智能视频系统功能丰富场景化应用。
3 应用情况
2022年，监测预警平台在华阳新材料科技集团有限公司得到了成功应用，共计收录7个矿井，178路视频信息，初步实现了安全生产“天眼”护航。该平台监控范围覆盖了矿井主运带式输送机、综采工作面、掘进工作面、进/回风巷道等关键位置，实现了煤矿井下“能看见、能看清、能看懂”的视频监控全流程监督和可视化管理。
针对智能视频模型识别清单监测内容，对华阳新材料科技集团有限公司井下场景开展监测分析。通过对人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全因素3类场景进行监测，可直接将监测视频传输至矿井调度室及集团公司总部，并对违规行为进行预警。矿井生产现场监测视频界面如图4所示，现场监测工况界面如图5所示。
图4 矿井生产现场监测视频界面
图5 现场监测工况界面
本监测平台在井下应用期间，矿井均未发生突出的灾害，但存在违规作业的现象，平台发现的违章现象与实际现场情况吻合，也表明该平台功能实用可靠。为了得到更加科学合理的数据对比，用于表征该平台的实用性，对安装监测预警平台和未安装监测预警平台的矿井违规次数进行统计分析。
选取同一矿井，采用专业人员监测和监测预警平台2种方法共同监测违规行为，并将违规行为及平台预警次数等数据汇总分析。通过在监测平台设定预警和违规行为，对现场开展监测，例如现场焊接行为，当出现电焊机等设备时，平台预警提醒作业人员安全操作；若出现违规电焊时，平台违规警告并上报调度室及时制止。在对矿井违规行为监测表明，未安装监测预警平台最多违规次数为10次，安装监测预警平台监测违规次数为16次，同时预警最多次数为25次，具体监测数据如图6所示。
图6 矿井违规行为监测数据
由图6可以看出，矿井专业人员发现违规次数明显低于监测预警平台监测违规数量，表明人员对违规行为的监测存在盲区，无法实现全面监测。同时，监测预警平台预警次数高于矿井作业违规次数，表明预警平台能够较全面对现场进行监测和远程监控，并对相关行为做出预警处理，能够明显减少因违规带来的损失。通过对违规监测数据对比可知，该平台能够提前预警，有效降低作业违规行为，提高对违章行为的精准辨识，为煤矿“三违”管理提供有效管理手段。
4 效益分析
(1)社会效益。监测预警平台的应用能够提高矿井安全生产效率和管理水平，符合煤矿智能化建设的要求，提高了矿井智能化建设水平。
(2)经济效益。监测预警平台的应用实现了现场监测、远程监控以及预警预报，解放了现场部分监测人员的工作量，减少了现场违规操作，提高了矿井安全生产效率。经过测算，采用该系统能够减少监测人员和违规作业带来的经济损失，约减少相关成本500万元/a以上。
(3)管理效益。传统矿井调度室作为矿井控制大脑，环网作为信号传输枢纽的管理模式存在区域性、局限性、监测困难性，同时监测人员劳动强度大，难以完成全方位监测。监测预警平台通过提前设定监测等作业要求，具有更加规范性、严格性、全面性等优点，利于矿井生产和远程管理。
(4)安全效益。监测预警平台的应用能够有效对井下人的不安全行为、物的不安全状态以及环境的不安全因素进行监测和预警，有效减少井下作业人员现场违规作业次数，保证现场作业的安全高效性。同时减少了以往用于监测的作业人员，达到矿井“少人则安、无人则安”效果。
5 结语
监测预警平台运用数字视频监测技术，对现场监测数据收集、整理、分析与应用，并及时掌握矿井生产情况，提高了煤矿安全生产科学化决策能力，提升了煤矿整体安全生产水平。通过现场应用表明，该系统能够实现全面监测、远程监控以及预警预报，减少了违规行为，提高了矿井安全生产效率。
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Research and application of intelligent identification monitoring and early-warning system for coal mine
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