数字矿山管理平台设计方案

数字矿山在线管理平台设计

湖南中大检测技术集团有限公司

2019年6月27日

一、概述 (4)

1.1 研究背景 (4)

1.2 安全监测和管理现状分析 (5)

二、在线决策管理平台的开发 (7)

2.1 开发原则 (7)

2.2 方案设计 (7)

2.3 安全管理和危险预警系统 (8)

2.3.1 逻辑架构 (8)

2.3.2 网络结构 (9)

2.3.3 功能结构 (10)

2.3.4 基于智能终端的安全检查 (13)

2.4矿山动态信息在线监测系统 (16)

2.4.1 设计思路 (16)

2.4.2 系统构成 (16)

2.4.3 数据采集子系统 (17)

2.4.4 数据传输子系统 (19)

2.4.5 安全信息子系统 (19)

2.5三维动态模拟矿井事故救援辅助决策系统 (21)

2.5.1 面向应急救援决策的虚拟建模 (21)

2.5.2 BIM建模 (21)

2.6安全生产数据中心和综合网络平台 (23)

2.6.1安全生产数据中心 (23)

2.6.2网络系统 (24)

2.7矿井综合自动化系统 (24)

2.7.1集成功能（含扩展功能） (25)

2.7.2系统功能模块介绍 (25)

三、系统兼容性和共享性的研究 (32)

3.1软硬件系统的兼容性分析 (32)

3.2软件系统数据共享问题 (32)

3.3与市、省平台连接问题 (32)

一、概述

1.1 研究背景

我国矿产资源总量丰富，已经探明的矿产资源占世界总额的20%左右。矿业是我国基础工业的支柱，是国民经济的基础。目前我国正在处于社会结构形态转变过程中，但对矿产资源的需要却并未减少。我国大大小小的矿山，有煤矿，有铁、铜、金等金属矿为代表的非煤矿山，这些矿山遍布全国各地，由于地质条件、基础设施、开采方法、管理制度以及工作人员素质等原因，导致矿山开采中安全形式非常严峻，每年我国矿山地质灾害时有发生，给社会稳定带来了巨大影响。据统计调查，事故发生率排到第一位的是坍塌，接着分别是物体打击、冒顶片帮和高处坠落，分别占事故总数的18.75%、17.9%、16.63%、12.63%，死亡人数占到矿山总死亡人数的67%左右。事故发生类型详见图1所示。

图1：事故类型发生率饼状图

矿山开采的安全问题成为政府和矿山企业关注的重点，国家相关安全监管单位也下达了相应要求。《煤矿安全规程》在2010年对2004年版本的修订中，将原来规定“高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯突出矿井，必须装备矿井安全监控系统”变成“所有矿井必须装备矿井安全监测系统”，其目的就是为了提高矿井安全装备和管理水平，确保矿井安全生产。《煤矿安全监控系统及检测仪器使用

管理规范》也作了一些阐述，“建立和完善安全监控系统和井下瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度、风速进行实时监控；地下采矿企业应建立视频监控系统以及相对完整的升降系统，实现对井口调度室、启闭机室、加强人员进出井口、井底、中段马头门等的视频监控；监控系统最基本的功能应有数据显示、传输、存储、控制等”。2015年，湖南省国土资源厅和湖南省安全生产总局发布《关于加强矿产资源开发管理促进安全生产有关问题的通知》，明确要求切实加强安全监管，规范开采规模。在2017年第4期湖南省非煤矿山安全上产督查通报中指出各市县矿山安全监管能力较差，企业主体责任意识不强，安全隐患和问题仍然存在。

鉴于此，为了控制和预防矿山开采过程中各种地质灾害，保证资源安全、高效的开采，保护矿山环境、实现矿业的可持续发展，湖南省建立矿山安全在线管理系统势在必行，同时能形成良好的社会效益和经济效益。

1.2 安全监测和管理现状分析

矿山资源作为现代化社会赖以生存和发展的基础资源，是国民经济快速发展的主要动力之一。众所周知，科技的发展速度与资源利用效率密切相关，一般情况下，没有足够资源利用所产生的动力就没有科技技术的进一步发挥作用，而没有科技技术的支持，资源也不可能取得进一步的开采。随着国家经济、科技的不断发展，对矿山的安全设备设施和科技投入大幅度增大。例如在2007年，甘肃省花厅煤电股份公司安装SOS微震系统，并结合当地的地理环境，成功预测和预警多次大大小小的冲击地压事件；目前即时信息监控、动态安全预警，虚拟仿真等正在蓬勃发展，而这一切都依赖现在的“物联网”技术。它是将各种设备的感应和识别装置通过互联网或者其他局域网络进行连接，以达到物物、人物互联的状态，形成信息共享的智能网络。作为一个引领第三次信息产业的新兴产业技术，物联网技术已经开始在各行各业得到广泛应用，包括在矿山“安全避险六大系统”中也大量应用了物联网技术。该技术在非煤矿山的应用，使得人们对动态信息的监控和采集变得容易，对这些信息的管理和应用就成为了迫切需要解决的问题。但是也存在一些问题，而目前矿山的监测监控、人员定位等系统的软件都是由不同软件公司开发，普遍存在功能

单一、互不兼容、信息不能共享等问题，急需要有一标准和规范；政府和企业都缺乏行之有效的安全管理系统。

二、在线决策管理平台的开发

2.1 开发原则

平台的开发研究主要遵循以下原则：

（1）通用性原则

通过平台应能方便快捷的安装，有良好的推广价值，能够像操作系统一样随时安装在中矿山企业网络中，满足各种层次矿山企业的需求。

（2）集成性原则

在满足通用平台需求的前提下，尽可能的结合现有的系统资源，做好资源优化配置，做好整合工作，减少不必要的接口，同时尽量将设备整合为一体。

（3）实用性原则

通用平台要结合矿山实际情况，提供良好的人机交互界面，便捷的操作方式、使矿山作业人员和各级管理人员经过简短的培训就能掌握要领。

（4）良好的兼容性和数据共享性原则

通用平台安装后不应和现有各种管理系统发生冲突，在数据方面能够相互共享，以减少数据输入的数量，可以避免出现数据冲突的现象。同时考虑随着信息和计算机技术的发展，平台还要在一个时期内适应未来新接口协议和兼容性。

2.2 方案设计

基于物联网技术的矿山（含非煤矿山）安全决策管理平台是一个以信息化和物联网技术为基础，应用三维可视化虚拟仿真技术开发的通用信息平台，平台上搭载基于物联网技术的地下矿山动态信息在线监测系统、非煤矿山安全管理和危险预警系统、三维动态模拟矿井事故救援辅助决策系统；非煤矿山安全管理和危险预警系统基于物联网技术的地下矿山动态信息在线监测系统，为三维动态模拟矿井事故救援辅助决策系统提供数据支撑；基于物联网技术的地下矿山动态信息在线监测系统为安全管理和危险预警系统提供实时数据预警。这几大系统又分别由一系列子模块构成，它们既可以独立运行，又可以联合运行，互相支撑，共享数据资源，该平台的总体架构如图2所示。

图2：决策管理平台总体框架图

（1）非煤矿山安全管理和危险预警系统以现有安全生产标准化系统为蓝本，以实现安全信息工作的科学化、规范化、现代化以及前瞻性管理为目标，具备对安全信息的采集、统计、分析、处理、传递和预警功能，是整个平台的基础。系统具备安全信息的分级管理、控制能力，对已发生事故的分析与统计能力，以及对危险源的辨识和潜在事故的预警预控能力。

（2）矿山动态信息在线监测系统主要是针对矿山地面和井下温湿度、风速、风质、氧气和有毒有害气体、粉尘等工作环境参数；风压、电流、电压等设备设施参数；地压、涌水量等地质参数进行监测，主要是为安全管理和预警系统提供原始数据，同时为应急救援辅助决策系统提供井下实时数据，供决策者参考。

（3）三维动态模拟矿井事故救援辅助决策系统在三维矿山模型数据库的基础上，利用矿山动态信息在线监测系统监测到数据及时掌握井下人员分布和实时状态、灾害扩散状态；结合事故处置知识库，采用合理的算法确定井下各部分人员的动态逃生路线。为应急决策者提供辅助信息。不仅能够在事故发生时使用，还可在应急救援演练时使用，使用过程中还可对系统进行升级，提高可操作性。

2.3 安全管理和危险预警系统

2.3.1 逻辑架构

系统逻辑结构如图3所示，分为用户接口层、业务层、数据层和基础层，并以信息安全保障体系和安全标准规范保障体系为支撑，涵盖了25个功能模块。

图3：系统逻辑示意图

2.3.2 网络结构

系统采用如图4所示的网络拓扑结构。

图4：网络拓扑结构图

2.3.3 功能结构

◆系统包括

◆企业资质

◆安全生产组织保障

◆员工安全档案管

◆安全教育培训

◆特种设备

◆危险作业许可

◆安全生产费用

◆职业危害信息

◆“三同时”信息

◆安全卫生设备设施

◆安全检查与隐患整改

◆职业卫生健康

◆风险管理与评价

◆文件与资料

◆安全生产法律法规◆作业现场安全

◆系统管理评审

◆风险抵押金

◆应急信息

◆事故管理与统计分析◆安全管理缺陷预警◆安全绩效

◆安全文化管理

◆系统维护

具体结构见图5所示。

图

5：系统功能模块图

2.3.4 基于智能终端的安全检查

基于智能移动终端的安全检查是政府监管部门或企业贯彻落实“安全第一、预防为主、综合治理”方针的重要手段，同时也是发现安全隐患，堵塞安全漏洞，强化安全管理的重要举措。只有在安全检查中及时发现作业过程中人的不安全行为、物的不安全状态、管理缺陷、环境缺陷，才能及时准确的整改安全生产中的事故隐患，做到“防患于未然”。安全检查主要采用检查表方式，但是由于安全检查项目繁多，检查人员专业知识有限，检查结果深度不一，为隐患的定性定量分析带来了困难；同时一些检查人员疏忽职守，没有到现场进行检查，使安全检查流于形式；同时对于检查到的隐患不能进行及时处理整改，这些都使安全检查对事故的预知预防的功能大大削弱。

为此，开发基于智能移动终端的安全检查系统，对提高企业安全管理水平有着非常重要的现实意义。基于智能移动终端的安全检查系统利用智能手机、平板电脑等便携式设备，通过对现场设备设施、作业环境、现场作业人员的作业行为安全状态的记录，检查结果通过无线网络实时的传输到服务器端。各级领导根据检查结果，及时准确地下达隐患整改指令单，并跟踪执行效果，大大提高安全检查和隐患整改的效率，可以避免出现以前安全检查中存在的虚假检查结果问题；同时可以统计分析安全隐患，为各层领导提供安全管理依据，并可以及时更新检查表库，使之适用不断变化的安全生产需求。

移动智能终端可以采用自带系统为Android系统的智能手机、平板电脑等各种便携式设备，整个系统采用B/S架构，与服务器上的安全检查信息处理模块共同构成基于智能移动终端的安全检查系统。为了实现便携式终端和服务器中安全检查信息处理模块信息共享，两者采用了相同的数据库设计。智能终端操作界面演示如图6、图7、图8、图9所示。

图6：登录界面

图7：检查表选择

图8：安全检查示意图

图9：提交界面

2.4矿山动态信息在线监测系统

2.4.1 设计思路

通过建立实时在线监测系统，实现对由于地应力集中与重分配所引起的冒顶片帮、深部岩爆、地表塌陷、井下突水、大面积空区坍塌等地质灾害的监测。在线动态安全预警的核心内容是根据在线采集的动态数据提前判断系统的安全状态，对系统中的隐患进行主动防御，其最高目标是“防患于未然”。在线动态安全预警系统主要由数据采集、信息处理、指标体系、预测评价等子系统组成。

数据采集子系统是安全预警的数据基础，所研究的预警系统涉及的数据主要有两种，一种是根据动态在线监控系统采集的实时动态数据，一种是从安全管理系统中共享的管理方面的预警数据；信息处理子系统负责对采集到的信息进行识别、分类、处理、存储；预警指标体系子系统主要完成指标的选取、指标体系的建立、预警准则和预警阈值的确定；警报输出子系统主要完成预警对象的选择，根据预警准则、选择预警方法模型，根据危险级别状态，进行报警。

2.4.2 系统构成

系统有多个功能字系统组成，所有组成子系统通过标准化的服务接口调用基础平台获得统一数据交换服务达到信息互通的目的。系统结构图见图10所示。

图10：系统框架桥图

（1）数据采集子系统：利用各类传感器、高清摄像头等设备设施对井下人员、设备、工程地质、环境参数进行采集；

（2）数据传输子系统：由井下敷设有线、无线传输网络组成，能够将各种监测（检测）设备或传感器采集的数据上传到服务器和监控终端数据库；

（3）安全信息管理子系统：主要是通过矿山地理信息系统将不同的监测信息系统有效地集成在一起；

（4）安全预警信息系统：将采集到的预警指标数据传输给在线动态安全预警系统；

（5）救援决策信息子系统：在井下事故发生或应急救援演练时从安全信息管理系统中提取灾变情况下井下人员、设备设施工况、作业环境的实时参数，为应急救援辅助决策系统提供即时信息保障。

2.4.3 数据采集子系统

根据动态在线监控系统采集的实时动态数据主要包括矿山各种设备设施运行参数、环境参数、岩土体应力应变状态、支护结构防护以及水环境等，这些数据都是通过各种检测对象上面设置的传感器采集后传输到计算机进行处理、存储、分析的。

由于井下空间有限，且有频繁的爆破、运输和装载作业，冒顶片帮事故时有发生，加之存在高温、高湿、粉尘环境，导致有线网络面临很大的生存问题，只能敷设在相对安全的主巷或者支护相对较好的区域，而经常有人员工作

的作业面却不能覆盖，造成监测盲区。同时由于无线网络结构相对比较灵活，而且还具有多跳、自组织等众多优点，在恶劣环境下生存能力较强。因此可以采用有线和无线结合的方式对井下的作业面等环境恶劣且容易产生网络盲区的重点区域进行监测，从而达到网络全覆盖，和目前井下监测系统形成有效互补。

传感器的选型和其与移动终端的连接能实现一下功能：

定位功能：在井下敷设读卡器节点，通过人员或运输设备所携带的各种有源或无源卡，利用定位技术对人员或运输设备等移动物体进行定位和跟踪。

数据监测：在无线网络上搭接各类传感器，对工作环境（粉尘浓度、有毒有害气体浓度、温度、湿度等环境参数）和设备运行状态（电流、电压等设备参数）进行检测，能够连续实时动态的采集参数数据，通过分析及时发现环境中的缺陷和设备的不安全状态。

语音、视频监视：在无线网络上安装高清摄像头、移动电话等语音和视频设备，对炸药库、中央变电所、水泵房等重点区域进行监视，能防止各类事故的发生；同时可以通过语音通讯设备，组建矿山井下移动通讯网络。

数据集成：有效集成应用层上各类监测系统采集到的数据，为现有其他监测系统提供开放的传输协议和友好的接入接口，将不同厂家和型号的设备集成在一起。借助无线传感器网络，可以有效将图像、监测数据、语音等信息在动态信息在线监测系统的传输层上统一传输，同时可以在矿山GIS上实时发布所采集到的井下作业环境、设备工况、人员或移动设备位置等信息，并且通过组态可以实时的显示监测数据以及对监测数据进行统计分析，使矿山井下各种信息实现可视化监控功能。

图11：数据采集子系统图

2.4.4 数据传输子系统

数据传输子系统主要解决的是数据传输问题，目前井下主要采用光纤等有线方式敷设网络，但是受到井下潮湿、震动等恶劣环境的影响，生存能力有限；加之作业面经常要采取爆破方式进行采掘，采取有线敷设是不现实的，有线网络敷设目前只是在主要大巷，在井下存在很多盲区。无线传输网络虽然灵活、并且具有自修复性，但是仅仅在区域内有效，远距离传输是其目前尚难克服的难题。这里采用无线、有线相结合的方式，取长补短，可以有效克服各自缺点，构造有效的井下全覆盖网络，在很大程度上提高了矿山安全管理水平。

2.4.5 安全信息子系统

矿山井下环境、设备设施、人员等各类信息与所处的位置信息关系紧密，同时又处于实时变化的动态过程，如何有效管理和分析整理这些数据对于矿山安全管理的提高起决定性的作用。安全信息管理子系统就是在矿山地理信息的基础上将这些不同监测系统采集、类型各不相同且形式分散数据内容进行有效集成，将全面统一的安全信息提供给矿山各级管理人员。该系统处理的信息主要包括：矿山地理信息、环境信息、设备信息、人员和设备定位跟踪信息、语音通讯和视频监控等信息。

1、矿山地理信息

应用测量、摄影与遥感等技术采集信息，并通过机助制图和图象处理等手段，构建一个以三维坐标为主线的矿山安全地理信息模型（描述矿山中与安全有关的重要信息，按三维坐标组织、存储起来，并提供有效、方便和三维可视

化的检索手段），对矿山有关安全的地理信息进行采集、存储、处理，实现对信息的查询检索、综合分析、动态预测和评价、信息输出等功能。

矿山安全地理信息在平台中主要是为在线监控、人员定位、调度指挥、危险预警与应急救援辅助决策等功能提供所需的数据支持。

2、环境信息

环境信息主要包括井下关键部位（作业工作面、炸药库、卷扬机房、水泵房等人员易集中或作业地点）的作业环境信息。这些信息主要是依靠固定或便携式传感器采集。采集到的数据经过分析处理，为安全预警系统提供数据基础，同时在事故状态下为应急救援辅助系统提供实时环境参数。

3、设备信息

矿山设备信息监测结合相关嵌入式软件系统，不仅可以实时采集设备设施的运行工况参数，还可以对设备设施进行故障诊断，必要时可以自动关闭或进行简单的自我修复。

设备信息主要包括井下运输、通风、排水、提升等设备设施的运行状态和各类工况参数，发现问题及时报警，以保证各类生产和辅助系统良好运行。

4、人员、运输设备定位与跟踪

人员、运输设备定位与跟踪对应急救援辅助决策具有不可替代的作用，一旦井下发生事故或灾难，可在电脑上立刻查出事故地点的人员数量和事发后人员的动态分布情况，考虑现场环境（查看瓦斯监测网）等多种因素，为及时组织救援在极短的时间提供准确和科学可靠的决策依据。从而避免了传统人工方式传递信息的低效率、不准确、救援的盲目性和冒险性，为有效地组织救援赢得宝贵的生命时间，使灾难的危害降到最小。

5、语音通讯

通过工业以太网络将数字语音通信信号传输至广播控制器，广播控制器将音频信号放大播放，并将音频信号通过音频屏蔽线传至其他本安型音箱或扩音电话，同时在地面可与调度通信系统或程控交换系统对接，利用部分电话线路资源方便组网。

6、视频监控