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智慧矿山多系统井下融合与应急联动安全防控技术探析.pdf
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1、2023年第8期西部探矿工程*收稿日期:2022-09-01修回日期:2022-10-16作者简介:邓巧平(1990-),男(汉族),江西樟树人,助理工程师,现从事煤矿安全防控、环保工作。智慧矿山多系统井下融合与应急联动安全防控技术探析邓巧平*(中鼎国际建设集团江西矿山隧道建设有限责任公司,江西 南昌 330096)摘要:随着智能矿山建设的不断深入推进,各矿井对安全监测系统的需求越来越大,对此,为使井下各类监测系统实现融合与应急联动,基于矿井进行安全监测多系统融合的必要性,分析了融合过程中存在的不足,结合智慧矿山建设对矿井安全防控的建设建议,提出了一种以边缘协调管控分站为基础的矿井多系统融合与
2、应急联动策略,并重点给出了“人机环”三种状态下的各安监系统应急联动技术路线,以供矿井智慧矿山建设参考。关键词:安监系统;融合;问题;协调管控;应急联动中图分类号:TD676 文献标识码:A 文章编号:1004-5716(2023)08-0098-04目前,国内各大煤矿都建立了监控系统、人员定位系统、通讯系统,用来保障煤矿的安全生产和工作人员的生命安全,但是这些系统大多独立运行,而且每个系统的传感器和安全装置都是有限的,因此不能进行大规模的数据采集。各个监测类型的系统,尽管应用的场境有着较大的差异,但是在结构上基本一致,以燃气、水、火、顶板、粉尘等常见的煤矿灾害为例,在矿井中,一般采用“传感器采
3、集数据集成传输应用逻辑控制”的结构,一些传感器设备在技术指标上有类似的需求,但是当前各个传感器设备无法共用,数据共享困难1。另外,矿井的开采深度和强度也在持续增加,灾害的发生也从单一的灾害类型逐渐演变为多灾种的藕合,使应急响应和避险规划变得更加困难。目前,全国主要煤矿的安全监控系统、人员管理系统、广播系统电力供应等系统已经在中心站层面上实现了初步融合,但矿井内环境复杂,感知单元会因为人员、环境和设备状态的频繁变动而产生海量的数据,导致数据从采集单元发送到数据平台所需要的时间大大延长,再加上技术、网络等不可预测的原因,会造成短时间内数据大量的集中,造成中央站的卡顿或停机,导致应急响应的时间推后。
4、为了解决这一问题,本文以边界协同控制为研究对象,设计和研制了一种基于边界协同控制的分站,实现了智能矿山安全管理的多系统集成与应急联动。1多系统井下融合必要性由于矿井内各种监控设备的不断更新和广泛应用,使得矿井的自动化和信息化程度得到了提高。但是,在设计各种监控系统的时候,“智能矿山”的概念和建设目的都不清楚,各个系统的行标也是彼此独立的,因此,各个系统都没有从总体上来考虑,由于只针对某一具体的应用,导致在同一个矿井甚至在一个采场中反复地使用相同或相近的装备,从而导致了矿山的安全和生产过程的管理日趋复杂。经过对当前煤矿使用的监控设备进行现场调查发现,主要存在以下几种问题:(1)传感层设备之间由于
5、通讯协议之间具有差异,影响了数据在不同设备之间的传递和共享,存在着指令不能响应的危险。由于各个系统彼此独立,在传感设备的边缘层使用了不同的通讯协议,使得多个系统的兼容性下降,多个系统的融合度很低,不能进行统一的采集、传输、控制和供电。另外,目前大多数的监测系统都是以井下中心平台为基础,根据各个系统的安全评分标准,或者采用现有的评估方法,建立一个基于矿井安全评估的数学模型。根据相关作业区域的环境指标,估算出工作区当前的安全等级,并给出相应的安全反应措施,这种方法的优势是不需要进行太多的边界运算,它仅依赖于一台高性能的计算机进行运算和决策,具有很好的结构,但是它的缺点是运行周期太长,并且在网络层或
6、者中心站点的平台发生故障的时候,不能确保完成所需执行的指令。(2)大量投入功能类似的设备,造成系统功耗增加。目前,各煤矿的监控类型都是完全独立的,各监控982023年第8期西部探矿工程层次的设备因协议和传输格式的不统一,导致各设备只能在现有的系统中独立运行,不能够实现参数在不用设备系统中的共享。比如,在同一工作区,一氧化碳、烟雾、温度传感器的技术指标完全能够消防监测的需要,但由于不能实现数据共享,所以不仅要重新安装同样的传感器,还要将电缆、供电设施等必要的设备重复配置,这样不仅会增加建设成本,还会加大维修费用,提高系统的使用难度。另外,目前在矿井中设置的各个监控点并没有“去重”,而是直接进行了
7、融合,结果表明,如果不按照规定进行数据的加工,很容易造成能耗难以降低,造成融合后的能耗增加。另外,现有的监测分站的设计多以实现某一系统的功能为主,并未考虑到大量的运算量,而是采用了低功耗、低成本、保量的主控制器。在现有的多个站点中,因为其计算能力的欠缺,对多个系统进行融合时,无法完成大量的边缘运算,数据的收集和处理的数据量太大,对系统实时性有很大的影响。(3)多个系统只在井上融合,对主干环网的依赖性较高,不能独立运行。针对系统的数据利用特性和业务关联性,建立了一个基于监控、人员定位、广播等系统的系统,并结合相应的辅助系统,例如:引导、发布、供电系统等,建立了矿井“人机环”协同管控应急联动预案。
8、由于当时技术和产品规范的限制,需要将有关的设备集成到井上中心站的平台,目前大多数矿井设备生产厂家、科研院所已经实现了这一目标,但在实际应用过程中,其缺点也随之显现出来。在井上融合中,每个系统都占据了各自的数据链路层,数据在各个系统中独立使用,共享难度大,不能在井下实时获得对方监测数据和状态。此外,在与主干网分离后,一旦发生异常,原有的应急反应方案将会失效,使其不能独立工作,由点式管理向面式管理转变实现困难。因此,在智能化矿井建设的发展趋势下,必须要进一步完善煤矿安全监测体系中的“人机环”的综合管理模式。在矿井智能化的矿井安全控制中,实现了多个系统的集成和应急联动。2基于边缘协调管控技术的多系统
9、融合与应急联动针对目前矿井监测与整合后的矿井监测与集成的主要问题,采用分布式处理、边缘计算等技术,将应急联动、数据分级计算等工作向边缘子站延伸。这种方式不仅可以在网络的边缘处理各种应用程序和各种数据,而且还可以实现分站和数据中心间进行数据流与控制信息的双向流通,从而可以降低网络压力,加快信息处理速度,提高分析和判断能力,从而达到对“云”、“边”和“端”等多种负荷的配合优化。2.1边缘协调管控分站技术为了保障系统高效、稳定运行,需要设计一种计算能力强、具有多路线场总线、多种通讯协议的边缘协调管控分站,该分站既能够实现数据采集和边缘计算,还能够实现安全监测。依托多种现场总线,实现对系统中设备的信息
10、采集,将避险信息及时发布到引导屏上,并利用该系统实时、精确地播出各监控站的警报状况。利用以太网对控制标识进行预警,并对其它地区的数据进行采集,从而达到不同地区的数据融合,基于工业总线和各种数据的数据采集与控制输出标准的界面,可以收集不同系统的数据,实现了数据的规范化和标准化,能够实现系统功能的全部实现,信息采集和信息处理模块实现分离,数据可以长期存储,确保数据完整性。图1显示了边界协同控制子系统的硬件结构。所述分站包括处理单元、有线通信单元、无线通信单元、数据存储器和人机交互部分。以STM32MP157为主要控制器,计算能力高,接口丰富,主要用于数据计算和逻辑运算;有线通信系统由RS485总线
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