煤與瓦斯突出防治信息化管理系統構建

蒲 陽，寧小亮

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)是一種典型的煤巖動力災害，其一旦發生則會造成嚴重的人員傷亡與財產損失。我國在長期的煤與瓦斯突出防治(以下簡稱“防突”)實踐中，探索出了兩個“四位一體”綜合防突技術體系，對于突出防治工作意義重大，其作為一項實用型技術，在“互聯網+”浪潮中，應積極探索構建“互聯網+兩個‘四位一體’”防突技術體系，充分利用互聯網優勢重塑、優化兩個“四位一體”實現手段，進而在防突技術上取得新的突破。要實現這一目標，目前存在的主要問題在于防突信息化水平嚴重不足，重要防突參數仍然采用人工填報方式管理，不僅制約防突效率的提升，而且給數據深度分析帶來極大不便[1-4]。另外，在2019年頒布實施的《防治煤與瓦斯突出細則》中，也提出了“鼓勵突出礦井建立防突信息系統，實施防突信息化管理”[5]，這也說明了防突信息化建設是大勢所趨。

筆者以陽煤五礦為試驗礦井，通過構建礦井防突信息化管理系統，以信息化技術全面升級防突數據采集與傳輸、數據分析及數據存儲等關鍵技術，進而提升防突效率、效果，這也是陽煤五礦積極響應“兩化”深度融合、“互聯網+”戰略、智能化礦井建設的重要舉措[6-11]。

1 防突信息化管理系統構建

陽煤五礦防突信息化管理系統由硬件支撐體系、數據自動傳輸技術及防突信息化管理軟件3部分構成。硬件支撐體系借助自動化、信息化設備，為防突信息采集、傳輸及分析提供硬件平臺；數據自動傳輸技術通過構建多網融合下的防突信息自動傳輸、共享機制，實現防突信息跨網絡快速、穩定、安全傳輸及移動審批；防突信息化管理軟件采用電腦、手機客戶端聯合運行方式，為用戶提供專業、便捷的防突信息分析、查詢與審批工具。

1.1 硬件支撐體系搭建

硬件設備是防突信息化的基礎，通過多種設備聯動運行，搭建硬件支撐體系，主要支撐數據采集、傳輸、存儲、分析等功能的實現。按照應用場所不同，硬件設備可分為井下設備、地面設備。

1.1.1 井下設備

1)WTC-1型突出參數測定儀。該設備是陽煤五礦原有瓦斯突出參數測定儀的升級版，工作原理與原設備相同，但在數據管理的信息化、數據上傳的自動化及設備的便攜性方面優勢明顯。使用該設備可以便捷地將井下測定的突出參數自動上傳至地面服務器，從而避免人工填報模式的種種弊端。

2)井下無線通訊基站。礦用無線通訊基站通過將有線信號轉換為無線信號，實現井下無線信號覆蓋，為瓦斯參數自動上傳提供便利。該設備采用礦用隔爆兼本安型直流電源供電，即使井下交流電停電，也可以保證基站連續工作時間不少于2 h。

1.1.2 地面設備

1)服務器。服務器是具有高速運算能力、長時間可靠運行能力及高負載能力的計算機，在防突信息化管理系統中既是數據存儲與分析中心，同時也是多網數據融合中樞，是硬件設備的核心。

2)電腦客戶端。電腦客戶端是數據采集終端，也是信息發布終端，同時還是系統運行維護的主要設備。在電腦客戶端運行的防突信息化管理軟件，是數據維護、信息發布與查詢，以及系統運行情況監測的主要工具。

3)手機客戶端。利用手機客戶端可在安卓智能手機上運行防突信息化管理軟件，其主要支撐實現防突信息的移動審批、移動查詢。

4)短信發布平臺。其作用是將工作面防突信息以短信形式發送給相關人員，這是為保障防突信息及時、可靠發布而設計的一套冗余設備，防止由于網絡故障等原因造成關鍵信息無法及時發布。

1.2 數據自動傳輸技術構建

防突信息從井下采集到地面防突信息服務器，再到云服務器，過程涉及井下工業環網、地面辦公網及廣域網之間的跨網絡數據傳輸，數據傳輸網絡結構如圖1所示。

圖1 數據傳輸網絡結構示意圖

1.2.1 局域網數據傳輸

局域網數據傳輸的目的是將各類防突信息上傳至服務器集中管理，主要有兩種方式：一種是跨網絡傳輸，對于WTC-1型突出參數測定儀采集的日常預測及鉆孔數據，由測定儀主機經井下工業環網無線基站上傳至地面辦公網絡防突信息服務器，為保證網絡安全，兩局域網之間采用硬件防火墻隔離，數據單向傳輸；另一種是辦公網內部傳輸，即由電腦客戶端在局域網內將防突措施鉆孔竣工參數、區域預測及其他觀測信息等直接上傳至防突信息服務器。

1.2.2 云同步服務構建

要實現防突信息局域網外的移動管理，需通過云同步服務將數據接入廣域網，也就是將數據傳輸至移動客戶端可以實時訪問的云服務器。為實現防突信息云同步，首先對陽煤五礦本地數據庫進行重新設計，以滿足云同步機制的要求，主要包括：①建立同步標識字段，并以標識字段為參照實現本地數據庫與云數據庫數據同步更新；②選擇同步內容，如指標信息、鉆孔信息、班次信息、部分圖件信息等，對不符合要求的數據結構進行重新設計；③建立數據同步容錯機制，解決同步過程中可能出現的網絡適配、同步中斷、數據量過大等問題。然后以數據表為對象，建立相關的檢索標識、內容判斷機制、同步頻率、同步類型，以及其他同步依據形成同步機制，實現防突信息服務器與云服務器數據雙向同步。

1.3 防突信息化管理軟件開發

防突信息化管理軟件分為電腦客戶端、手機客戶端軟件，兩者共享數據信息，功能設置各有側重：電腦客戶端軟件側重數據分析、系統維護；手機客戶端軟件側重防突信息查看、移動審批。

1.3.1 電腦客戶端軟件

電腦客戶端軟件通過各項專業的分析管理功能，實現對防突信息管理的信息化、規范化、集約化，主要功能可分為3部分：防突數據信息化管理、防突數據分析及可視化、系統管理[12-16]。

1)防突數據信息化管理。按照兩個“四位一體”防突技術體系的標準，采用專用電子表格，對各工作面區域及局部預測指標、鉆孔參數等數據按時序、分循環進行管理，可以便捷查詢任意工作面、任意時間區間內的突出預測(效檢)或防突措施數據。針對陽煤五礦執行頻次較高的工作面日常預測工作，首先根據礦井原有紙質預測表單樣式創建電子表單，并以井上下硬件設備為支撐，通過軟件專業功能實現日常預測表單的自動填報及數據云同步，為手機移動審批奠定基礎。

2)防突數據分析及可視化。統計分析實測防突數據，掌握其時空變化規律，對于預測未知區域突出危險性大小意義重大。數據統計分析功能的實現主要通過專業工具，對防突數據的時空變化規律、循環變化規律、數據變化趨勢及防突措施執行效果等進行多角度全面分析，并以防突大樣圖、步進圖、曲線圖、柱狀圖等形式實現數據可視化。其中大樣圖以工作面防突時空關系為主線，全面反映預測(效檢)鉆孔情況、預測(效檢)指標值，以及措施鉆孔施工情況、施工時間、巷道循環進度等信息；步進圖主要反映工作面日常預測(效檢)指標值與工作面推進度關系，圖形能夠直觀顯示工作面預測(效檢)指標值、工藝類型、工作面循環進度、累計進度，以及是否存在指標超限、超采超掘等異常狀況等信息；曲線圖主要反映預測(效檢)指標值隨采掘進度或時間的變化規律；柱狀圖通過統計各工作面選定時間內預測(效檢)指標值區間分布情況，從總體上反映工作面突出危險性大小。各類統計圖件分別從不同角度，系統反映兩個“四位一體”執行情況，以及工作面突出危險性大小，具有較高的實用價值。

防突數據分析的另一個重要內容是防突措施鉆孔施工效果分析，即根據鉆孔竣工參數來分析鉆孔空間分布，判識是否存在空白帶或是控制范圍不足等防突措施缺陷[17-20]，從而超前捕捉工作面潛在的突出隱患信息。

3)系統管理。由于防突信息化管理系統運行涉及跨網絡、多臺設備聯合運行，且防突管理本身就是一項精細化工作，因此必須建立嚴格的運行管理機制，才能確保系統正常運行。在系統運行方面，嚴格規范操作者權限、網絡配置、硬件配置、數據上傳設置、工作面關聯等關鍵控制點信息，保證系統按流程正常穩定運行。在業務流程方面，基于兩個“四位一體”綜合防突技術體系，按照“突出危險性預測→若超標，執行消突措施→措施效果檢驗→未達標，繼續執行消突措施，直至消除危險”的管理流程，對防突信息審批實行閉環管理，只有當各級審批人員全部審批通過以后才能生效，否則，返回重走審批流程。

1.3.2 手機客戶端軟件

為實現防突信息移動審批、移動查詢，基于Android系統開發了防突信息化手機客戶端軟件，可以通過手機實時查看突出參數及其變化規律、防突措施執行情況、瓦斯異常等信息，這不僅是對突出參數查閱途徑的擴展，更是對防突智能化管理的技術革新。手機客戶端軟件主要功能包括防突信息審批、防突信息查詢。

1)防突信息審批。在手機端本地存儲支持下，通過無線局域網或移動互聯網，對已經執行區域驗證、局部預測或局部效檢的工作面，根據不同職位審批級別，進行是否允許施工、允許進尺、允許實施措施的審批；對于已經本人審批，但下一審批人在給定時間內未進行及時審批的信息，可以發送短信進行催促提示。在非聯機狀態，也可執行審批，即將審批結果保存于本地數據庫，手機端軟件在網絡連通時，將自動執行上傳操作。在審批過程中，可以通過手機查詢工作面施工信息、工作面循環信息、工作面預測指標詳情、工作面鉆孔施工信息、提請審批的基本情況或審批意見等信息。

2)防突信息查詢。手機客戶端軟件提供了防突信息圖形、圖表查詢，其中，圖形查詢主要類型有鉆孔施工圖、預測指標變化曲線、指標值分布直方圖等；圖表查詢主要類型有最新突出預測報表、歷史預測統計表、防突信息審批情況列表等。

2 現場應用情況

陽煤五礦防突數據信息原采用人工填報紙質表單方式進行審批與管理，這種方式主要存在以下不足：①突出預測時效性差，表單填報、審批耗時過長，管理人員無法第一時間獲知工作面突出危險信息，從而導致錯失最佳防突消突時機；②突出預測準確性易受人為因素影響，無法避免數據篡改或是錄入失誤；③缺乏有效的防突措施執行效果分析工具，無法判識是否存在防突措施空白帶，可能給工作面留下潛在的突出隱患；④防突數據信息多以紙質表單零散保存，數據統計分析不便，難以系統、準確地把握工作面突出危險性大小及變化趨勢。

防突信息化管理系統在陽煤五礦應用以后，在采掘工作面利用WTC-1型突出參數測定儀采集的突出參數，可以在井下直接上傳至地面防突信息服務器，并通過云同步實現預測報表移動審批，既大幅壓縮了突出預測表單填報、送審等中間環節耗時(平均減少約70%)，又有效避免了人為因素對數據準確性的影響；此外，通過系統提供的專業數據分析及管理工具，可以對防突信息的時空變化規律及防突措施執行效果等進行全面、綜合分析，并對各類數據按時序、分層級進行管理，能夠有效指導礦井防突工作，并為相鄰工作面防突工作提供參考。系統運行效果如圖2和圖3所示。

圖3 防突措施執行效果分析界面

3 結語

針對目前防突信息化不足導致的諸多問題，在陽煤五礦構建了集硬件支撐體系、數據傳輸與云同步機制、軟件平臺于一體的防突信息化管理系統，實現了對防突數據從獲取、傳輸到分析，再到結果發布、歸檔存儲的全過程、全方位的集約化管控。該系統在陽煤五礦應用以來，一方面以自動化、信息化手段，實現了防突數據的自動采集上傳、移動審批，大大提升了防突工作效率；另一方面，采用專業化的數據分析工具，實現了多元防突數據的有效融合、聯合判識，突出預測更加精準、及時，為礦井防突決策提供了有力支撐。