王萬麗，孫 超，宿國瑞

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.應急管理部信息研究院，北京 100029；3.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；4.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125000)

隨著礦山信息化的發(fā)展，監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)等已經(jīng)在煤礦普及，并在一定程度上，提高了煤礦安全生產(chǎn)管理水平[1，2]。隨之而來的是各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)了一個指數(shù)級別的增長，已經(jīng)形成TB甚至PB級別的數(shù)據(jù)集[3，4]。并且很多關(guān)鍵的系統(tǒng)和模塊都處于獨立應用狀態(tài)，沒有形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，造成了煤礦數(shù)據(jù)孤島，對于采集的這些數(shù)據(jù)，并沒有得到良好的利用；且隨著數(shù)據(jù)量的不斷增多，降低了數(shù)據(jù)存儲、傳輸和處理的效率[5]。

隨著云計算、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，在很多行業(yè)及領(lǐng)域得到了應用[6-10]。云計算是實現(xiàn)智慧礦山的基礎，可以進行模擬、計算和不確定性分析等[11，12]，鑒于此筆者提出了基于云平臺的煤礦安全智能管控信息平臺，實現(xiàn)煤礦基礎數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸和處理等統(tǒng)一管理，確保數(shù)據(jù)可靠性，打破煙筒式建設，實現(xiàn)煤礦各生產(chǎn)系統(tǒng)互聯(lián)互通，并通過數(shù)據(jù)挖掘建立煤礦安全風險分析模型對煤礦安全生產(chǎn)狀況進行有效分析預測，對提升煤礦的安全管理水平有著重要的現(xiàn)實意義。

1 智慧煤礦安全管控信息平臺設計

智慧礦山是兩化深度融合的產(chǎn)物，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，將井下井上各類傳感器、自動控制器等設備聯(lián)合網(wǎng)絡、軟件等，形成能夠主動感知、自動分析的一套智慧體系，依據(jù)學習模型，實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟、綠色的礦山[13-15]。智慧煤礦安全管控信息平臺將煤礦基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、工業(yè)視頻數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行采集、存儲、處理，通過風險分析模型預測風險情況，最后進行“一張圖”發(fā)布。平臺架構(gòu)主要由感知層、平臺層、應用層3層組成，如圖1所示。

圖1 煤礦智慧安全管控信息平臺建設總體架構(gòu)圖

1)感知層：主要由現(xiàn)場大量傳感器、工業(yè)視頻前端攝像機、井下防爆終端、電源、定位裝置等設備構(gòu)成，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境安全、生產(chǎn)工況的全面感知，依托井下各傳感裝置、控制裝置、定位裝置的物聯(lián)規(guī)則，實現(xiàn)各傳感器、控制器之間的自動智能識別與就地控制。

2)平臺層：主要依托于混合云平臺，即私有云和公有云混合平臺。私有云主要是煤礦集團內(nèi)部管理，為煤礦涉密數(shù)據(jù)提供內(nèi)部存儲庫；公有云作為擴展使用，主要提供計算資源，兩者相結(jié)合對采集的海量數(shù)據(jù)進行清洗、選擇、存儲、計算、分析。同時，風險分析模型也設計在此部分，將大量風險分析指標數(shù)據(jù)，利用設計的模型進行風險分析研判。

3)應用層：主要是將采集的數(shù)據(jù)和模型計算結(jié)果進行展示，包括基礎數(shù)據(jù)管理、風險分析信息、專題多維分析和基于GIS地圖的“一張圖”綜合展示等。具備統(tǒng)一訪問入口、統(tǒng)一身份管理、統(tǒng)一權(quán)限管理、個性化展現(xiàn)定制等功能，為煤礦從業(yè)人員、安全生產(chǎn)監(jiān)管部門管理人員、集團公司相關(guān)業(yè)務人員等提供隨時、隨地、按需訪問的安全生產(chǎn)領(lǐng)域信息的獲取渠道。

2 平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 混合云架構(gòu)

混合云融合了公有云和私有云，是近年來云平臺的主要模式和發(fā)展方向。它將公有云和私有云進行混合和匹配，以獲得最佳的效果，這種個性化的解決方案，達到了既節(jié)省資源又安全的目的。根據(jù)NIST(National Institute of Standards and Technology，美國國家標準與技術(shù)研究院)定義的云計算的服務模式，混合云架構(gòu)分為SPI三個層次，即“軟件即服務”(Software as a Service-SaaS)，“平臺即服務”(Platform as a Service-PaaS)和“基礎設施即服務”(Infrastructure as a Service-IaaS)3個層次?；旌显萍軜?gòu)圖如圖2所示。

圖2 混合云架構(gòu)圖

1)SaaS層主要提供智慧煤礦安全管控信息平臺服務，能夠使用各種設備上通過Web界面訪問，可以滿足多級管理用戶需求。

2)PaaS層提供開發(fā)語言和工具，可以通過API接口調(diào)用Iass基礎設施中混合云的資源。通過API可以獲取或集成傳感器、視頻等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，同時可以進行必要的數(shù)據(jù)清理，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；可管理分布式數(shù)據(jù)庫、大容量存儲和高層次分析設備等。GIS平臺提供可視化服務，為用戶提供統(tǒng)一的服務接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、模型選擇和計算資源管理。

3)IaaS層為混合云資源層，是云服務最基礎層，提供動態(tài)云計算管理服務，主要包括物理資源管理，如彈性IP資源、網(wǎng)絡設備等；虛擬資源管理，如虛擬機、鏡像、存儲等；自動伸縮管理；資源監(jiān)控管理；用戶身份管理等。

2.2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

由于智慧煤礦安全管控信息平臺數(shù)據(jù)來源廣泛，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，平臺所面臨的基本挑戰(zhàn)在于收集、整合、匯總和處理來自異構(gòu)源的所有可能的數(shù)據(jù)，并深度數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的及時融合與處理需要大量資源，可通過云計算處理大數(shù)據(jù)并實時計算，為煤礦安全管理提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)主要包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析三方面。安全管控信息平臺數(shù)據(jù)包括監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程圖

1)數(shù)據(jù)采集：采集時在煤礦部署智能采集系統(tǒng)，煤礦各監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將按照《煤礦安全生產(chǎn)在線監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)備查系統(tǒng)通用技術(shù)要求和數(shù)據(jù)采集標準》生成的安全監(jiān)測文件，通過FTP方式，推送到煤礦端應用服務器的智能采集系統(tǒng)中；工業(yè)視頻只采集違章視頻，通過部署的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，把實時采集的視頻數(shù)據(jù)上傳至部署在煤礦端的視頻分析服務器上，通過視頻分析服務器，對工人未戴安全帽、敏感區(qū)域人員入侵等進行分析識別，并以違章行為名稱、監(jiān)控點、時間等關(guān)鍵字進行命名，保存格式為AVI、MP4等主流視頻格式。基礎數(shù)據(jù)主要是煤礦證照、圖紙、主要人員等信息；管理數(shù)據(jù)包括隱患、事故、“三違”等過程管控數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)存儲：需根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行相應存儲。時序數(shù)據(jù)存儲，通過云表格存儲服務(Cloud Table)來進行時序數(shù)據(jù)的存儲；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，使用文件存儲服務(SFS)來進行非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(主要是視頻數(shù)據(jù))的存儲；海量數(shù)據(jù)存儲，通過對象存儲服務(OBS)服務進行海量數(shù)據(jù)的存儲；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，通過MySQL數(shù)據(jù)庫來進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲。

3)數(shù)據(jù)分析：依托煤礦基礎數(shù)據(jù)、多源監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、安全管理數(shù)據(jù)、風險分析模型庫，進行數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)，結(jié)合數(shù)值計算和模擬仿真等功能。主要包括數(shù)據(jù)加工與批處理、非實時交互分析、明細查詢、實時分析、交互式查詢以及分析算法庫，以上都是通過搭建基于Hadoop的大數(shù)據(jù)平臺來實現(xiàn)。

2.3 風險分析模型

風險分析模型是通過建立分析指標，利用指標的隸屬度函數(shù)，將指標進行歸一化處理，然后對指標進行權(quán)重計算，最夠?qū)⒏髦笜说梅诌M行疊加，得到煤礦風險得分，評定風險等級，進行風險分析，根據(jù)分析結(jié)果制定風險管控方案。

煤礦安全風險分析指標體系選取應基于安全原理中的人、機、環(huán)、管為主體，同時考慮煤礦本身固有風險因素，并從一級指標中細化出二級指標。針對煤礦具體情況對應展開單項指標，單項指標應體現(xiàn)影響煤礦安全風險的關(guān)鍵因素。在確定指標體系后，應選取正確的風險分析模型對指標體系進行分析研判，風險分析結(jié)果等級評判方法見表1。根據(jù)評判結(jié)果，采用梯度級別預警模型，將煤礦安全風險等級分為四級，風險分析評判流程如圖4所示。

采用層次分析法、隸屬度函數(shù)相結(jié)合方法，建立風險分析研判模型。指標權(quán)重計算采用層次分析法。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。利用層次分析法進行人-機、人-環(huán)、人-管、人-固有因素，機-環(huán)、機-管、機-固有因素，環(huán)-管、環(huán)-固有因素進行兩兩比重研究，確定相應權(quán)重，部分指標權(quán)重結(jié)果見表2。

考慮到指標因素眾多，量綱不一致，需對指標進行歸一化處理。從人、機、環(huán)、管、煤礦固有因素5個方面構(gòu)建隸屬度函數(shù)，實現(xiàn)歸一化處理。隸屬度函數(shù)的分界值的來源主要來自于《煤礦安全規(guī)程》(2016)的相關(guān)數(shù)據(jù)，作為隸屬度函數(shù)的界定標準。例如瓦斯壓力指標按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定：瓦斯壓力達到或者超過0.74MPa，必須進行煤層突出鑒定。否則將處以重額罰款，并責令整頓。隸屬度函數(shù)為：

表1 風險分析結(jié)果等級評判方法

圖4 風險分析評判流程圖

表2 部分指標權(quán)重結(jié)果

3 平臺功能模塊設計

智慧煤礦安全管控信息平臺從井上下傳感器、控制器等設備采取數(shù)據(jù)，上傳至云平臺進行清洗后，結(jié)合制定的指標體系進行風險分析研判，通過多維度、深層次挖掘風險分析信息，出具風險研判處置建議報告，并實現(xiàn)安全管控信息的可視化展現(xiàn)，平臺展現(xiàn)界面如圖5所示。

平臺主要包括基礎信息管理、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理、風險分析指標管理、風險分析研判與處置、風險分析數(shù)據(jù)展現(xiàn)5個子系統(tǒng)。

1)基礎信息管理：實現(xiàn)煤礦的基礎信息采集，并展示煤礦的各類基礎信息。對于證照、重大設備檢測檢驗信息等進行到期預警。

2)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理：主要對煤礦采集的監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)進行采集分析，應當接入所有在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)所有聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。

3)風險分析指標管理：根據(jù)煤礦類型、災害類型、開采工藝等條件從指標庫中自動選擇合適的風險指標體系，并根據(jù)煤礦實際情況進行必要的修改完善。

4)風險分析研判與處置：根據(jù)煤礦實際風險情況、風險指標體系和風險預警模型，自動計算風險結(jié)果，然后研判煤礦風險等級，并根據(jù)研判結(jié)果進行風險處置，出具風險研判處置建議報告。

5)風險分析數(shù)據(jù)展現(xiàn)：將風險分析結(jié)果按照圖表、礦井一張圖、報表等進行直觀展現(xiàn)?？梢孕蜗笳故久總€指標項的得分和權(quán)重，并突出展現(xiàn)重點風險因素指標。

圖5 平臺展現(xiàn)界面圖

4 結(jié) 論

1)面對煤礦數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，增長速度快，數(shù)據(jù)孤島，數(shù)據(jù)存儲、傳輸和處理效率低等問題，提出構(gòu)建基于云平臺的煤礦安全智能管控信息平臺，利用混合云進行數(shù)據(jù)的存儲、計算，減少資源建設，提高數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、計算效能。

2)基于云平臺的煤礦安全智能管控信息平臺從井上下傳感器、控制器等設備采取數(shù)據(jù)，上傳至云平臺進行清洗后，結(jié)合制定的指標體系進行風險分析研判，通過多維度、深層次挖掘風險分析信息，突出重點危險指標，然后出具處置建議報告。使煤礦管理人員迅速把握安全管控要點，提升煤礦本質(zhì)安全。

3)通過建立風險分析指標，進行煤礦風險等級研判，進而實現(xiàn)安全管控，為煤礦安全生產(chǎn)管理提供了新的思路。