邢东矿安全监控系统多系统地面融合分析与优化

靳鹏博

（冀中能源股份有限公司邢东矿，河北 邢台 054000）

邢东矿安全监测系统采用煤炭科学技术研究院生产的KJ83X(A)型煤矿安全生产监测监控系统。系统于2018年11 底完成升级改造工作，经过试运行，现处于稳定运行阶段。目前安装有280 余台传感器，实现了对邢东矿井上井下各个场所、设备的监测监控。

1 多系统概况

1.1 人员定位系统

邢东矿人员定位系统采用北京天一众合科技有限公司生产的KJ133 型人员定位系统，安全标识号为MFD090011，可实现对井下人员的实时定位跟踪，同时实现对井下人员的“实时双向无线通讯”。现井下安装矿用本安验卡分站2 台，矿用本安型读卡分站6 台，矿用本安无线收发器26 个，信号覆盖主要行人大巷、主要路口、各综采工作面及掘进工作面等重要的人员聚集区，人员携带标识卡通过井下固定位置的定位分站，定位分站实时监测标识卡的具体位置，并发送到上传机，上传机通过软件显示人员的实时位置和运动轨迹。

1.2 应急广播系统

邢东矿应急广播系统采用济南华科电气设备有限公司生产的KDW127 型广播系统，它利用矿井以太网和广播装置组成，共有分光器2 台，位于1126 车场和进风斜井底，从分光器通过光纤连接各防爆主音箱KDW127，再由各防爆主音箱通过电缆连接副音箱KDW127，现有主音箱18 台，副音箱10 台。现覆盖760 大巷，进风斜井，980 大巷，1100 南部采区、各生产工作面。当井下发生重特大突发事故时，调度指挥中心工作人员通过以扩音喊话的方式对突发事故地点进行疏散和疏导，避免二次事故的再发生。

邢东矿安全监测、人员定位、应急广播系统均为独立系统，见表1，各系统通信协议不同不能实现数据共享。在发生突发事故后需立即撤人的紧急情况下，各系统之间不能实现互动联动功能。

表1 多系统融合明细表Table 1 Multi-system integration details

2 多系统融合要求

针对全国煤矿存在的普遍问题，国家煤监局下发了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的通知：要求促进安全监测监控多元融合和信息共享，提高煤矿安全预测预警水平，实现安全监测监控信息的深度分析和综合利用。方案要求：“实现井下有线和无线传输网络的有机融合、监测监控与GIS 技术的有机融合。多系统的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。鼓励新安装的安全监控系统采用井下融合方式。在地面统一平台上必须融合的系统：环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统，也应融入。其它可考虑融合的系统：视频监测、无线通信、设备监测、车辆监测等。”要求：“安全监控系统应具有大数据分析与应用功能，至少应包括以下内容：伪数据标注及异常数据分析；瓦斯涌出、火灾等的预测预警；大数据分析，如多系统融合条件下的综合数据分析等；可与煤矿安全监控系统检查分析工具对接数据”。

3 多系统融合方式对比

3.1 地面融合

通过人员定位、应急广播系统上位机提供标准接口（FTP、OPC、以太网口），按照煤监测系统厂家提供的系统融合的协议，开发数据采集及联动控制接口，实现地面融合，投资较少，维护方便，并且井下系统互不影响，通过多系统融合平台可实现数据利用，系统联动。

3.2 井下融合方案

如果采用井下融合的方式，需要在每个采煤工作面以及掘进工作面分别布置一台KT508-F 区域协调控制器，通过CAN 总线接口或以太网接口与该区域的监控分站、定位分站以及扩播音箱连接，实现上述3 个系统的井下数据融合、应急联动功能。系统井下融合架构如图1所示。

图1 系统井下融合架构Fig.1 Underground fusion architecture of the system

井下区域协调控制器是数字式监控系统的一部分，是实现井下多系统数据融合与应急联动的重要组成设备。区域控制器分别与该区域内监控分站、人员定位分站以及矿用本安型主音箱通过CAN 总线接口或以太网接口直连，实现各个设备以及系统间的数据融合联动。且区域控制通过以太网接口就近接入环网交换机，在上述直连线断开的情况下，可通过交换机实现各设备以及系统间的数据融合，提供了冗余的链路，提升了系统的可靠性。区域协调联动如图2所示。

图2 区域协调联动示意Fig.2 Regional coordination linkages

区域协调控制器的主要功能为接收（并上传）安全监控、人员定位、应急广播等各个系统发送的应急联动数据，并依据之前设置好的联动关系，发送控制命令给相应系统，进行系统间的应急联动。区域协调控制器采用CAN 总线接口和以太网口两种通讯接口与联动设备进行通讯，同时，制定好2种接口的通讯协议，接入区域协调控制器的设备需要按照协议向控制器发送联动数据（若接入设备无法按协议进行修改，也可修改区域协调控制器的通讯程序，以满足不同情况下的使用要求）。

3.2.1 其他系统配接监测系统设备

配接的安全监控系统，采用总线监听和主动查询2 种获取数据方式，区域协调控制器获取到报警信息后，发送控制命令给扩播和人员定位系统，实现应急联动。与人员定位系统和网络扩播系统的设备接通讯时，需使用定制的通讯协议，以便区域协调控制器及时发布联动指令或获取2 个系统的设备数据。正常工作时，各系统数据依然通过原有方式上传数据至上位机。同时，以太网协调控制器应具有大容量的本地存储芯片，可实现在与上位机通讯中断的情况下，在本地存储联动数据或其他有用数据。

3.2.2 所有系统共同外接一台设备

针对开放通讯协议的厂家，可采用总线监听和主动查询2 种获取数据方式，区域协调控制器获取到报警信息后，发送控制命令给扩播和人员定位系统，实现应急联动。针对不开放通讯协议的厂家，需通过一台主站汇总同一区域内所有分站的应急联动数据并集中发送至区域协调控制器。区域协调控制器下发的联动命令也通过主站转发给同一区域内各相关分站。

3.2.3 设备对外接口

区域协调控制器设计了6 块可插拔的RS485和CAN 可互相转换的协议转换模块，可实现CAN数据与RS485 数据间的相互转换，所有转换板与主板CPU 间的通讯协议为固定的标准协议（分CAN 和RS485 两种），该设计具备2 个优点：外接其他系统设备，需要协议转换时，只需要修改协议转换板的程序，无需修改主板程序；主板对外的输出接口比较灵活，可配置为x（x 范围0～6） 路CAN 接口和6-x 路RS485 接口，各个接口可以配置为主通讯接口或子系统接口，也可以配置相互间的中继功能，以适应不同区域总线接口需求。

根据邢东矿生产情况，邢东矿自2001年开始投产至今，为投产多年的大型矿井，目前井下各系统均已经建设完毕，当选用井下融合多系统的方式，需要邢东矿联系协调人员定位系统、应急广播厂家，开放通讯协议，或者重新建立一套人员定位系统和应急广播系统再实现重新协议融合。根据分析可知地面融合比井下融合人力简单、物力较少、建设周期短、操作过程容易、花费资金较少，综合比较利弊后决定邢东矿多系统融合方式采用地面融合方式实施开展。

4 邢东矿多系统融合方案

邢东矿系统融合采用地面方式，融合的系统包含：安全监控系统、人员定位系统、应急广播系统，本次邢东矿多系统融合还对供电监控系统进行了融合，实现地面监控中心对井下各个变电所的数据采集、监视监测等功能。本次融合主要采用监测监控系统升级改造时配备的多系统融合模块和GIS平台模块来实现，如图3。

图3 安全监测系统多系统融合GIS 平台展示Fig.3 Display of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

4.1 多系统融合

针对邢东矿各系统属于不同厂家的现状，选取地面融合方法，采用软件开发平台，通过制定标准协议函数，达到各系统之间的数据获取的目的。

KJ83X(A)型数字监控系统GIS 平台通过数据接口获取人员定位系统某区域（读卡机位置） 人员位置信息和工作状态进行统计显示；通过数据联动应急广播报警通知人员撤离；通过数据接口能够获取主要供电监控系统设备的馈电状态和监测数据，并在GIS 平台上采用不同的颜色进行显示。

4.2 多系统联动

KJ83X(A)监测系统传感器或断电区域具有与人员定位系统读卡机ID 绑定设置，当发生某区域数据超限、断电报警，可以通过数据接口下发到人员定位系统读卡机或应急广播系统设备，进行人员危险通知或语音报警；当人员进入井下禁区，GIS 平台可以实时显示，并通过应急广播系统进行提示。

4.3 系统GIS 平台实现

系统融合GIS 平台通过多图层叠加设计实现集成展示，融合后，监控系统会将其它系统获取的数据进行存储，为系统之间的互动做好准备，获取不同系统的基本数据后，根据实际的需要，对不同系统的设备进行关联存储，并设定触发的条件，实现系统之间的互动提示或报警，如图4和图5所示。

图4 安全监测系统多系统融合GIS 平台应急联动示意Fig.4 Emergency linkage indication of multi-system integration GIS platform for safety monitoring system

图5 安全监测系统多系统融合应急联动命令下达示意Fig.5 Safety monitoring system multi-system integration emergency linkage command issued instructions

通过多系统的融合后，采用大数据分析可改变以往“被动”监控的状态，主动对监控信息进行智能分析，消除伪数据及异常数据，实现瓦斯涌出、火灾等突发事件的预测预警，达到事前预警、有效监视，把事件的发生消灭在萌芽阶段。

多系统联动功能的条件、参数和应急方案由邢东矿根据实际情况设定。联动条件触发时，系统不断发出警告声音，并弹出对话框由安全监测值班人员确认是否发出联动控制信号，值班人员确定后，系统自动根据预设方案进行联动控制，当甲烷或一氧传感器达到规定的报警值时，启动应急预案下发撤人命令。

5 结语

依据国家下达的升级改造技术方案要求，需要对人员定位、应急广播系统进行进行多系统融合，以提高煤矿安全预测预警水平。邢东矿采用地面融合的方式实现了监测系统与其他系统的多系统融合，实现在瓦斯超限时，通过应急广播系统播放撤离信息，通过人员定位系统发送撤离信号，通过供电监控系统监测供电情况，实现了多系统互动联动功能，保证了邢东矿职工人身安全。