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摘要：簡(jiǎn)單介紹了煤礦智能化概念，對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)與智能化建設(shè)的差距進(jìn)行了分析。主要從傳輸架構(gòu)簡(jiǎn)單化、裝備智能化兩方面提出了提高安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平的思路。通過(guò)完善、增加、優(yōu)化系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)架構(gòu)傳輸、智能識(shí)別、智能分析、自主判斷、自動(dòng)控制等功能，達(dá)到提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平的目的。
關(guān)鍵詞：安全監(jiān)控；智能化；技術(shù)探討
目前各煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中的有毒有害氣體和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、超限控制、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等基本功能。但隨著安全監(jiān)控技術(shù)及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以及國(guó)家對(duì)智能化礦山建設(shè)的高度重視和煤礦企業(yè)對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的個(gè)性化、智能化需求的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的傳輸架構(gòu)較復(fù)雜、系統(tǒng)功能單一、多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)程度不夠深入、系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力較弱、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的利用率較低等問(wèn)題突顯。本文通過(guò)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)需求，結(jié)合安全監(jiān)控技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，從監(jiān)控系統(tǒng)傳輸架構(gòu)、裝備智能化、傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)的應(yīng)用等方面提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。
1煤礦智能化概念
煤礦智能化是將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)拓、采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過(guò)程的智能化運(yùn)行。
2安全監(jiān)控系統(tǒng)與智能化建設(shè)要求差距
2020年3月，國(guó)家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》通知，明確到2035年各類(lèi)煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化的總體目標(biāo)，建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系。目前安全監(jiān)控系統(tǒng)與智能化建設(shè)要求還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）系統(tǒng)傳輸架構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜有線傳感器端到地面中心站采用3級(jí)傳輸，無(wú)線傳感器端到地面中心站采用4級(jí)傳輸，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及交互環(huán)節(jié)較多、系統(tǒng)巡檢周期長(zhǎng)、線路干擾較大等問(wèn)題。（2）系統(tǒng)功能較單一、數(shù)據(jù)量較少、自主數(shù)據(jù)分析能力較弱目前傳感器只對(duì)環(huán)境中的有毒有害氣體和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，未對(duì)傳感器自身工作狀態(tài)（供電、調(diào)校、自檢、故障、工作時(shí)長(zhǎng)）等參數(shù)進(jìn)行采集；系統(tǒng)未對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的挖掘和利用，如采掘工作面瓦斯?jié)舛戎饾u升高，沒(méi)有判斷前方是否存在地質(zhì)構(gòu)造、是否需要加大風(fēng)量稀釋瓦斯等。（3）井下設(shè)備較多安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備主要包括各類(lèi)傳感器、斷電器、安全監(jiān)控分站、交換機(jī)、電源箱。各類(lèi)傳感器都只能夠采集單一的參數(shù)，造成傳感器種類(lèi)、數(shù)量繁多，傳感器類(lèi)型主要包括瓦斯、CO、風(fēng)速、溫度、O2、H2S、設(shè)備開(kāi)停、煙霧、風(fēng)門(mén)、饋電等20余種，因此，應(yīng)采用多參數(shù)傳感器，即1臺(tái)傳感器采集多種參數(shù)。（4）多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)程度不夠深入目前各礦井基本采用地面軟件進(jìn)行多系統(tǒng)融合，存在數(shù)據(jù)延遲、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，融合聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)也只有人員定位和應(yīng)急廣播。（5）系統(tǒng)自診斷、自評(píng)估、故障自排除能力較弱系統(tǒng)不能對(duì)傳感器安設(shè)是否符合要求，報(bào)警值、斷電值、復(fù)電值及斷電范圍設(shè)置是否符合要求進(jìn)行自診斷和自評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障不能自排除，如1條總線上的其中1臺(tái)傳感器故障后，會(huì)影響其他傳感器的正常工作。
3提高安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平的思路
3.1減少傳輸層級(jí)和實(shí)現(xiàn)硬件融合
傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用以太環(huán)網(wǎng)+總線傳輸?shù)?級(jí)或4級(jí)架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制，存在設(shè)備數(shù)量多、鋪設(shè)線路長(zhǎng)、建設(shè)成本高、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換交互層級(jí)復(fù)雜、系統(tǒng)巡檢周期長(zhǎng)等不足。因此，將數(shù)據(jù)的采集、處理、運(yùn)算與交互環(huán)節(jié)統(tǒng)一由多功能監(jiān)控分站來(lái)完成，并由多功能監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)有線傳感器端至地面中心站端的兩級(jí)傳輸架構(gòu)模式，減少中間的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)傳輸層級(jí)。兩級(jí)傳輸架構(gòu)模式具有架構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)巡檢周期短、建設(shè)成本較低、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。兩級(jí)傳輸架構(gòu)如圖1所示。圖1兩級(jí)傳輸架構(gòu)同一臺(tái)多功能監(jiān)控分站可以同時(shí)采集安全監(jiān)控各類(lèi)傳感數(shù)據(jù)、人員定位讀取器數(shù)據(jù)，采集高壓防爆開(kāi)關(guān)內(nèi)的電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)參數(shù)，與應(yīng)急廣播系統(tǒng)、輸送帶喊話器、有線調(diào)度通信系統(tǒng)之間通信，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的硬件融合和聯(lián)動(dòng)，達(dá)到控制前移、提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性的目的。
3.2裝備智能化
裝備功能多樣化是系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)，只有監(jiān)測(cè)信息越豐富、數(shù)據(jù)量越大、運(yùn)算能力越強(qiáng)，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。因此，需要提升安全監(jiān)控系統(tǒng)裝備智能化，使其具有自主分析、自主判斷、自主控制等能力。
（1）多功能監(jiān)控分站智能化
多功能監(jiān)控分站是整個(gè)系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)整個(gè)井下現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理、交互、傳輸、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、融合、聯(lián)動(dòng)等任務(wù)，因此，多功能監(jiān)控分站的智能化尤為重要。①信號(hào)傳輸方面多功能監(jiān)控分站應(yīng)具有RS485、CAN、網(wǎng)口、光口等多種信號(hào)傳輸方式，通過(guò)多功能監(jiān)控分站組成以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)，多功能監(jiān)控分站與地面中心站之間采用以太網(wǎng)方式；模擬量傳感器至多功能監(jiān)控分站之間的有線傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、CAN傳輸方式；無(wú)線傳輸采用WaveMesh、ZigBee、WiFi、RF1D等傳輸方式；②異地交叉控制方面實(shí)現(xiàn)多功能監(jiān)控分站之間的通信，能夠在脫離主干網(wǎng)的情況下，通過(guò)多功能監(jiān)控分站完成區(qū)域內(nèi)安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播等系統(tǒng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集、融合聯(lián)動(dòng)等主要功能；③遠(yuǎn)程升級(jí)方面實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程對(duì)井下多功能監(jiān)控分站程序的在線更新升級(jí)。當(dāng)多功能監(jiān)控分站增加或完善部分功能時(shí)，無(wú)需維護(hù)人員到井下對(duì)設(shè)備進(jìn)行逐一的更新程序，只需在中心站軟件點(diǎn)擊相應(yīng)的設(shè)備，即可對(duì)井下設(shè)備的程序進(jìn)行更新升級(jí)，從而減少了維護(hù)人員的工作量；④智能識(shí)別方面多功能分站應(yīng)具有能自動(dòng)識(shí)別各通道所接傳感器類(lèi)型、量程、接入時(shí)間等參數(shù)的功能。長(zhǎng)期以來(lái)，由于地面中心站定義傳感器類(lèi)型、量程與井下現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際不相符，導(dǎo)致傳感器報(bào)警的現(xiàn)象長(zhǎng)期存在。通過(guò)完善多功能監(jiān)控分站，使其能夠自動(dòng)識(shí)別各通道所接傳感器類(lèi)型、量程、接入時(shí)間等參數(shù)，并將所有參數(shù)實(shí)時(shí)上傳至地面中心站，值班人員根據(jù)上傳參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，避免因設(shè)置錯(cuò)誤而導(dǎo)致報(bào)警，達(dá)到了由被動(dòng)定義變?yōu)橹鲃?dòng)定義的目的。
（2）電源箱智能化
隔爆兼本安型電源箱是將外部輸入的交流電源轉(zhuǎn)換為本安直流電源的設(shè)備，主要為多功能監(jiān)控分站和傳感器提供本安型直流電源。供電電源是否正常是決定系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要條件煤礦井下交流供電電壓一般為127V、380V、660V三種電壓等級(jí)，傳統(tǒng)采用變壓器抽頭方式進(jìn)行變壓，變壓器能夠承受的最大電壓波動(dòng)范圍一般在±15‰左右，電壓一旦波動(dòng)過(guò)大，很容易導(dǎo)致電源箱的損壞，同時(shí)無(wú)通信功能和對(duì)電源箱內(nèi)的參數(shù)監(jiān)測(cè)功能。因此需要對(duì)電源箱智能化的提升。①交流輸入端采用寬頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交流90～1200V自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)切換，避免因外部交流電壓的波動(dòng)導(dǎo)致輸出本安電源的不穩(wěn)定或電源箱本身的損壞；②本安輸出端輸出的本安電源應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾；③電源箱內(nèi)參數(shù)監(jiān)測(cè)對(duì)電源箱輸入交流電壓、電流、供電狀態(tài)（交流、直流）及每個(gè)本安電源模塊的電壓、電流、功率、電池電壓、箱體內(nèi)溫度、充放電狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)參數(shù)上傳至地面中心站，電源箱應(yīng)同時(shí)具有電源指示、限流、限壓、短路保護(hù)和故障消除后自動(dòng)恢復(fù)的功能；④后備電源維護(hù)電源箱內(nèi)應(yīng)內(nèi)置備用電源，備用電池供電能力能夠維持在4h以上，備用電源應(yīng)采用浮充電方式，并具有防止過(guò)充電、過(guò)放電的功能；⑤通信方面電源箱應(yīng)與地面中心站之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，中心站可遠(yuǎn)程對(duì)電源內(nèi)的電池進(jìn)行充放電維護(hù)。
（3）傳感器智能化
傳感器是安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的根本來(lái)源。應(yīng)充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)代傳感技術(shù)，研究性能高、可靠性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)參數(shù)多的傳感器，傳感器同時(shí)做到自診斷、自校正、自調(diào)校、故障自排除，以提高傳感器的智能化。①傳感器數(shù)字化所有傳感器、斷電器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化傳輸，使傳輸信息更多，內(nèi)容更豐富。傳感器除正常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中有毒有害氣體以外，還應(yīng)對(duì)傳感器供電電壓、電流、功率、傳感器工作狀態(tài)（預(yù)熱、啟動(dòng)、故障、自檢、調(diào)校）、傳感器黑白元件工作時(shí)長(zhǎng)、工作狀態(tài)等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)參數(shù)上傳至地面中心站；②傳感器分級(jí)報(bào)警通過(guò)地面中心站軟件設(shè)置分級(jí)報(bào)警后，實(shí)時(shí)同步到傳感器，傳感器根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)值，按照不同的頻率發(fā)出不同的報(bào)警聲音和閃爍報(bào)警燈光；③傳感器精確定位采用UWB技術(shù)，對(duì)傳感器安設(shè)位置（距頂、距幫）進(jìn)行精確定位，確保現(xiàn)場(chǎng)傳感器安設(shè)位置符合要求；④模擬量傳感器在線調(diào)校每周定期對(duì)傳感器調(diào)時(shí)，無(wú)需在地面中心站軟件或上傳軟件上進(jìn)行設(shè)置，即可在本地以及上傳平臺(tái)上自動(dòng)顯示為調(diào)校狀態(tài)，減少了值班人員的工作量，減少了因傳感器未設(shè)置調(diào)校狀態(tài)或調(diào)校超時(shí)而導(dǎo)致報(bào)警的情況；⑤傳感器自動(dòng)識(shí)別標(biāo)校數(shù)據(jù)和運(yùn)行過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)傳感器在日常運(yùn)行過(guò)程中，能夠?qū)φ{(diào)校數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)時(shí)間最長(zhǎng)24h，存儲(chǔ)期間可通過(guò)遙控進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，但不能夠人工修改或刪除；⑥模擬量傳感器應(yīng)采用高效的開(kāi)關(guān)電源，元器件應(yīng)采用貼片類(lèi)型，降低傳感器的整機(jī)功耗，延長(zhǎng)傳感器的有效工作距離；⑦傳感器內(nèi)部應(yīng)采用抗靜電、浪涌、群脈沖、射頻輻射防護(hù)措施，增強(qiáng)傳感器對(duì)外界干擾的抵抗力；⑧模擬量傳感器應(yīng)采用不銹鋼帶內(nèi)部注塑外殼，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68，增強(qiáng)傳感器的防水防塵能力；⑨傳感器故障自動(dòng)識(shí)別實(shí)現(xiàn)模擬量傳感器元件異常、電路板異常、供電不足、線路故障等典型故障的自動(dòng)識(shí)別。
4提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力
中心站軟件主要是將井下實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，并提供歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、報(bào)表打印等功能，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安設(shè)情況對(duì)井下設(shè)備的安設(shè)位置、報(bào)警值、斷電值、復(fù)電值、斷電范圍、邏輯關(guān)聯(lián)等參數(shù)進(jìn)行定義設(shè)置。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化，中心站軟件還需要完善或增加以下功能：（1）增加即插即用功能中心站軟件自動(dòng)識(shí)別各測(cè)點(diǎn)所接傳感器類(lèi)型、量程、接入時(shí)間等參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)中心站軟件定義的傳感器類(lèi)型與實(shí)際掛接的傳感器類(lèi)型不一致時(shí)，軟件能進(jìn)行類(lèi)型不匹配報(bào)警，同時(shí)不保存采集的異常數(shù)據(jù)。（2）完善傳感器調(diào)校提醒管理功能按照《煤礦安全規(guī)程》要求，甲烷傳感器應(yīng)15d進(jìn)行1次調(diào)校，如果未按規(guī)定時(shí)間調(diào)校，軟件可進(jìn)行提醒，并對(duì)傳感器調(diào)校過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。（3）增加傳感器在線調(diào)校功能當(dāng)傳感器進(jìn)入到調(diào)整狀態(tài)時(shí)，中心站軟件將自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，并將該數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)校標(biāo)注，與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。（4）增加區(qū)域管理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通風(fēng)類(lèi)型區(qū)域內(nèi)傳感器類(lèi)型、數(shù)量和參數(shù)設(shè)置是否符合規(guī)范的檢查提醒。（5）提高自診斷、自評(píng)估能力系統(tǒng)能夠定期對(duì)自身的雙機(jī)熱備、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能進(jìn)行診斷、評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果給出排除故障的措施。（6）增加傳感器、控制器設(shè)置及定義診斷評(píng)估功能可根據(jù)基本配置信息自動(dòng)診斷傳感器安設(shè)和傳感器報(bào)警、斷電、復(fù)電門(mén)限設(shè)置是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)不符合要求時(shí)，系統(tǒng)不能夠正常定義，并發(fā)出語(yǔ)音提示報(bào)警。（7）實(shí)現(xiàn)對(duì)分站工作狀態(tài)、電源供電狀態(tài)、通信設(shè)備連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接狀態(tài)、軟件各個(gè)模塊運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)任意狀態(tài)異常時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示。（8）增加分級(jí)報(bào)警功能根據(jù)監(jiān)測(cè)值、報(bào)警時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)的不同，能夠分別設(shè)置不同的報(bào)警級(jí)別，不同的報(bào)警級(jí)別用不同的顏色表示，中心站設(shè)置的報(bào)警級(jí)別實(shí)時(shí)同步到傳感器，分級(jí)報(bào)警功能一般不少于4級(jí)。（9）增加中心站遠(yuǎn)程對(duì)井下模擬量傳感器的在線升級(jí)功能當(dāng)傳感器增加或完善部分功能時(shí)，無(wú)需維護(hù)人員到井下或?qū)⒃O(shè)備更換至地面進(jìn)行逐一地更新程序，只需在中心站軟件點(diǎn)擊相應(yīng)的設(shè)備，即可對(duì)井下設(shè)備的程序進(jìn)行更新升級(jí)，從而減少了維護(hù)人員的工作量。（10）具有信息篩選、過(guò)濾功能支持分類(lèi)信息查詢(xún)和快速篩選統(tǒng)計(jì)，具體如下：①傳感器標(biāo)校數(shù)據(jù)分析當(dāng)傳感器進(jìn)入標(biāo)校時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別并標(biāo)記，當(dāng)標(biāo)校結(jié)束后能自動(dòng)恢復(fù)標(biāo)記，軟件中可對(duì)標(biāo)校期間的數(shù)據(jù)與正常采樣進(jìn)行區(qū)分；②異常數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行過(guò)程中的突變數(shù)據(jù)，按照絕對(duì)值或斜率變化進(jìn)行識(shí)別，變化級(jí)別可設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯突變和火災(zāi)的預(yù)報(bào)警；③大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的多項(xiàng)組合篩選條件，對(duì)長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析。（11）具備設(shè)備臺(tái)賬管理功能從開(kāi)始設(shè)備投入使用到最后一次移除，期間所有的報(bào)警、標(biāo)校、斷電、故障、刪除記錄等可形成報(bào)表臺(tái)賬。
5結(jié)語(yǔ)
通過(guò)減少中間網(wǎng)絡(luò)傳輸層級(jí)，采用兩級(jí)傳輸架構(gòu)模式，豐富多功能監(jiān)控分站、電源箱、傳感器等設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)，提高對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷能力；增加中心站軟件，實(shí)現(xiàn)地面中心站實(shí)時(shí)在線對(duì)井下傳感器、多功能監(jiān)控分站、電源箱等設(shè)備的程序更新升級(jí)及遠(yuǎn)程對(duì)備用電源進(jìn)行充放電維護(hù)、即插即用、在線調(diào)校等功能，可以有效提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。
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作者：陳強(qiáng) 單位：國(guó)家能源集團(tuán) 國(guó)際工程咨詢(xún)有限公司
