矿井智能通风与灾变应急决策平台.pdf

第 卷 第 期 年 月 中国安全科学学报 中文引用格式魏连江，周福宝，夏同强，等矿井智能通风与灾变应急决策平台中国安全科学学报，，（） 英文引用格式 ， ， ， ，，（） 矿井智能通风与灾变应急决策平台 魏连江，副教授， 周福宝教授， 夏同强副教授， 王 凯教授， 蒋合国高级工程师， 王 健 （ 中国矿业大学 城市地下空间火灾防护江苏省高校重点实验室，江苏 徐州 ； 彝良驰宏矿业有限公司，云南 昭通 ） 中图分类号 文献标志码 基金项目国家自然科学基金面上项目资助（，）；中国工程院咨询研究项目（）。 文章编号（）； 收稿日期； 修稿日期 【摘 要】 为保证矿井通风系统按需可靠经济供风，实现矿井通风网络实时解算、异常诊断、灾情 研判与风流应急调控，深入剖析矿井智能通风与灾变应急决策平台（）的原理和软件架构， 提出 软件架构，探讨多源数据协同融合的通信方式和数据存储方法，提出矿井通风网络 实时解算方法、通风系统异常诊断方法和灾情研判方法，开发三维可视化 ，并在宁夏羊场 湾煤矿、山东付村煤矿和鄂尔多斯转龙湾煤矿进行测试、完善。 结果表明 的研发，可以实 现矿井通风网络实时解算与异常智能诊断、灾情研判与风流应急调控。 【关键词】 矿井智能通风与应急决策平台 （）； 矿井通风网络； 异常诊断； 实时解算； 灾情研判 ，， ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， （）； ； ； ； 第 期魏连江等矿井智能通风与灾变应急决策平台 引 言 矿井通风系统是煤矿保障矿井安全生产的基 石。 目前，矿井通风参数测定与监测准确性低， 通风动力与通风网络匹配性不强、联动调节能力 弱，通风隐患、灾变判识技术发展不成熟，缺乏有 效的预防预警与应急控制手段。 矿井智能通风 与灾变应急决策平台（ ， ）的研发是实现通风隐患自主排查、通风 按需匹配和应急决策控制的关键。 多年来，国内外学者在矿井通风仿真、全风网通 风异常诊断、避灾路线自动生成等方面做了大量的 工作， 开发了一批矿井通风专用软件。 美国的 软件可以对复杂通风网络进行建模、求 解和仿真；澳大利亚的 软件可以实现矿 井风网解算、风流模拟、热模拟、经济性模拟等功 能；辽宁工程技术大学的 软件可以实现 对火灾时期风流运动、火灾蔓延时的烟浓度与温度 分布，以及通风系统变化的动态模拟；煤炭科学 技术研究院有限公司的 软件可以实现矿 井通风网络实时监测、数据永久存储管理、通风设施 远程精确控制；中煤科工集团重庆研究院有限公 司开发通风在线监测及分析预警系统，通过融合井 下监测数据进行实时解算，实现监测巷道和工作面 通风状况。 综上，现有软件功能基本实现了矿井 风流状态的解算与变化的模拟分析，但灾害模拟与 预警功能单一，无法联动井下设备实现按需供风，更 不能远程控制通风动力或调节设施实现灾变影响范 围的确定和应急调控，缺少统一的通风系统智能安 全运维管控平台。 与关于加快煤矿智能化发展的 指导意见 要求 年实现智能感知、智能决 策、自动执行多系统集成的智能化煤矿存在较大 差距。 鉴于此，笔者拟深入剖析 的原理、软 件架构，探讨多源数据协同融合的通信方式和数据 存储方法，开发 ，以期实现矿井通风数据 有机融合、通风网络实时解算与异常智能诊断、灾害 影响范围快速确定与风流应急调控。 智能通风与应急控制原理及功能 系统组成与工作原理 主要由通风与环境参数感知模块、通 风设施与动力监控模块、工业以太网通信模块、远程 监测分析与联动调控决策平台 个部分组成。 系统 动态监测通风与环境参数、通风设施与动力的运行 状态参数，通过井下工业以太网模块将多源异构信 息传输至地面服务器，远程监测分析与联动调控决 策平台从服务器调取通风关联信息，深度挖掘分析 通风系统运行状态，内置各类异常研判模型及临界 条件；利用远程监控信息进行通风网络实时准确解 算，分析关键用风地点的需风量，在进行超前模拟分 析研判的基础上，对通风设施及动力装置发出调控 指令，实现通风机、风门、风窗、防爆门、反风装置等 联动精准调控，实时研判调控过程并将调控结果反 馈在终端显示。 实现通风系统常态功耗分析、采 场风量供需匹配研判，异常状态下的分类分级预警、 突发灾变的应急救援方案生成，达到常态智能调控 与风险化解，异常状态的防灾、减灾、抗灾、救灾的目 的。 结构组成如图 所示。 系统建设目标 围绕矿井常态通风的智能化调控、异 常或灾变状态下智能决策与应急调控的总目标。 系 统实现风速、风量、风压、温湿度、绝压、通风设施状 态等通风参数精准监测，实现通风报表、通风阻力分 布自动生成；安全监控、人员位置、通风监测等系统 数据集成融合；能够实时解算矿井通风网络，自动预 测矿井需风量，实现按需供风；矿井通风系统异常 （故障）实现智能诊断；在灾变状态下，实际灾情动 态研判，智能给出风流调整方案；在授权状态下，实 现风流智能决策与动态管控，保证通风系统安全、经 济运行。 系统功能分析 立足日常通风智能管理与灾变通风应急控制， 融合通风网络拓扑信息的动态维护、井下数据实时 采集、数据处理、灾情演化虚拟仿真、智能分析与决 策等技术，集成通风参数精准在线监测数据、安全监 控信息、人员定位数据，实现通风系统运行状态分 析、薄弱环节预警、异常灾变信息的快速研判与虚拟 仿真呈现灾害演化过程，智能辅助决策提供最佳的 应急调风方案。 主要包括通风三维可视 化平台、通风网络实时解算模块、全风网通风异常诊 断模块、通风灾变影响范围快速确定模块、智能控风 方案自动生成模块、智能控风指令分发模块 大功 能模块，具体如图 所示。 从图 可以看出，以智能通风理论与信息化系 统为基础，以灾变预警系统和专家决策平台为特色， 中国安全科学学报 第卷 年 图 结构组成 图 功能分析 融合煤矿井下安全避险 大系统平台数据，通过三 维可视化平台建成矿井智能通风系统，可实现矿井 通风系统智能决策与动态管控。 形成以智能通风设 施为基础、以矿井通风信息综合管控平台为保障、以 智能化操控队伍为主导的通风隐患排查与治理一体 化先进管理理念，提高通风系统的自动化、智能化水 平，全方位保障矿井安全生产。 通过关联智能通风子系统协作，实现 常态通风的智能调控、异常灾变下的应急决策功能。 平台主要功能与智能通风子系统及智能通风硬件相 互关系如图 所示。 系统总体设计 设计思路 按照矿井智能通风与应急控制综合信息一张图 的总体规划，实现一个管控平台、统一的数据接口标 准、统一的服务器资源、统一的展示界面风格，综合 信息一张图加各专业子系统界面。 通过汇聚安全监 测监控系统、风机监测系统、人员定位系统、通风参 数精准在线监测系统等智能通风子系统多专业的数 据，利用井上井下一体化存储与融合技术将数据有 层次集成到矿井通风三维场景中，建立分形数据结 构与各类参数临界条件、风险分析研判模型，研发通 风三维可视化、通风数据集成、通风网络实时解算、 通风日常管理、按需供风与按需控风、全风网通风异 常诊断、通风灾变影响范围快速确定、救灾避灾智 能决策等功能，基于平战结合的理念，为矿井智能通 风与应急控制提供辅助决策支撑。 总体架构 基于平台灵活性、扩展性、兼容性以及集成性和 高效率考虑，同时也是对概念层次的具体化，在分析 第 期魏连江等矿井智能通风与灾变应急决策平台 图 平台功能与智能通防子系统、硬件相互关系分析 ， 需求和系统体系结构的基础上，结合计算 机辅助设计（ ，）三维可视 化技术、 框架（ 平台上的一种开源应 用框架），提出 架构模型，主要分为基础设施 层、服务层、客户端展示层等 层架构，如图 所示。 图 架构 基础设施层主要包括网络、存储、传感器信号接 入等硬件设施，主要保证访问速度和热备性，保证单 点故障系统仍然可用。 服务层由数据存储层、基础服务层、业务层、应 用层、接入层构成。 数据存储是平台中各类数据的 持久化，根据数据性质存储到不同的介质中，包括分 中国安全科学学报 第卷 年 布式文档存储数据库 、分布式搜索和分析 引擎 集群、远程字典服务（ ，）缓存等。 基础服务层保证 项目运行的通用组件，如日志、消息队列、大数据分 析模块等。 业务层主要包括权限、账号管理、实时数 据过滤、分析、路由功能。 应用层包括监控预警、控 制中心、实时解算、逃生路线规划、灾害模拟、智能控 风、灾害预警等应用。 接入层提供负载均衡的、友好 路径的统一外部访问端口。 客户端展示交互，为用户提供一个良好的使 用体验。 矿井的各类统计数据、状态情况实时展 现三维矿井、实时井下数据、灾害模拟、灾害预 演等。 数据通信方式与数据存储 ） 数据通信方式。 子系统种类繁多， 而子系统间的通信协议更是多样并存，系统存在大量 的相互调用，从而增加了不同系统间的耦合度，导致 维护困难。 系统采用消息队列的方式进行消息交换， 如图 所示。 子系统都依赖于消息队列，相互之间没 有依赖关系，任何单一系统崩溃，不会影响其他系统 的运行。 煤矿感知数据接入规范（试行）推荐 的消息交换方式有 、文件传输协议（ ，）、消息队列。 消息队列相比 、 能够保证消息的到达，服务器断电 重启依然能够保证消息不丢失。 文中平台采用的消 息队列为分布式发布订阅消息系统 集群，具有 高吞吐量、易扩展、低延迟、高可用性等特点。 图 数据通信方式与数据存储 系统的消息队列集群由运行在 台服务器上的 个 实例组成，由分布式应用程序协调服务软 件 负责协调数据的一致性，消息队列集群 如图 所示。 为提高系统的高可用性，将 服务搭建成集群结构，分别运行在 个 服务 器上，这样能保证任何 台服务器出现故障，均不影 响系统的运行。 当故障解决后，系统会自动处理故 障期间消息的一致性。 ）数据存储。 数据主要分为配置数 据、基础业务数据、实时业务数据 类。 配置数据是 描述系统运行方式，变更频率很低，保存在配置文件 中。 业务基础数据主要是矿井及其设施的基本参 数，如矿井的三维结构，巷道、通风设施的基本参数， 传感器的位置等。 此类数据会随矿井的实际变化而 变化，频率相对较低，且对于单个矿井数据量不大， 则以轻量级的数据交换格式 （ ，）。 文档的形式保存在 中。 实时业务数据主要是指通过传感器实时采集到的数 据，如矿井中的温度、湿度、大气压，风门、风机等通 风设施的运行状态，数据数量大，并有时序性，且需 第 期魏连江等矿井智能通风与灾变应急决策平台 要实时分析处理，存放在 中。 此外， 根据业务需求将频繁访问的数据或实时数据的最新 版本缓存在 数据库中。 图 消息队列集群 后台服务器端技术 系统后端服务采用 搭建，考虑到煤 矿的客户端应用场景并非高并发环境，所以仅在服 务的访问层搭建 套 （ 和反向代理 服务器）服务，均衡地将请求消息转发到后端的 个 服务实例上，用于提高服务的高可用 性。 个 实例采用 缓存进行会话 控制 同步，保证请求被发送到 个实例时的 上下文一致性。 服务拓扑如图 所示。 图 服务拓扑 系统功能实现与应用效果 通风三维可视化 系统基于成熟的三维 组件，采用等比例模 拟矿井真实结构与通风设施，支持 软件图 形直 接 导 入 或 软 件 数 据 文 件 格 式 （ ，） 导入，支持图形 编辑操作。 利用贴图技术展现风门、风窗、风机等通 风设施。 利用颜色的分段展示技术，将后台计算出 的模拟数据转换成颜色数据展示在三维图形中，从 而能够直观动态的展现风网属性（温湿度、风量等） 的变化情况。 通风三维可视化子系统支持风网数据导入与导 出、图形数据导入以及直接绘制等方式，动态生成矿 井通风系统三维模型，支持巷道及节点的精确拾取、 后期巷道、通风设施数据更新维护。 通过风流动画， 直观查看风流流向、流速、巷道总体风量分布等情 况。 通过巷道信息标签显示，实现巷道属性信息、传 感器监测信息的实时展示，构建井上井下一体化模 型，实现巷道内部结构和井上工作区域虚拟仿真，以 及通风网络解算和方案优化设计。 通防数据集成 基于消息队列 集群，实时采集与基础矿 井安全监控系统、人员位置监测系统、通风设施远程 控制系统、局部通风机集中控制系统、主要通风机控 制系统、防尘远程集控系统、自动注浆系统等数据。 将全矿井数据集成和通风地理信息一张图式管理， 实现联动自动更新智能平台相应数据库内容。 通风网络实时解算 矿井通风网络实时解算是指依据风量平衡定 律、风压平衡定律、阻力定律，以风网各分支的风阻、 主要通风机特性和监测监控系统风速（风量）、压 差、温度、湿度、大气压力等传感器实时数据为基础， 实时修正风阻和自然风压、变风阻分支和调节设施 风阻、风机特性曲线，建立方程组，实现在线求解通 风网络所有分支风向和风量的过程，原理如图 所 示。 基于通风系统三维模型、主要通风机特性曲线、 压差、温度、湿度、大气压力等传感器实时数据，融合 热湿通风网络实时计算、拓扑关系动态变换、风流扰 动识别处理、阻力系数自适应调整等功能，实现基于 通风监测数据的风网实时解算，可为矿井通风异常 诊断、通风系统智能调控奠定数据基础。 通风日常管理 基于通风网络实时解算，快速确定最大阻力路 线，并根据通风参数在线监测自动生成通风报表；具 有多指标约束的通风参数自适应调控功能，实现矿 井通风智能化按需调节，自动生成配风方案；集成主 要通风机、局部通风机、风门风窗监测数据，综合应 急通风控制决策层和井上 下联动设备执行层，实现 风流调控智能辅助决策、区域按需供风调控。 通风网络异常诊断 矿井通风异常与风门压差变化耦合机制是进行 矿井通风异常诊断的关键。 矿井通风异常后，通风 中国安全科学学报 第卷 年 图 矿井通风网络实时解算原理 网络能量重新分布，风门压差相应变化，风门压差变 化与矿井通风异常密切相关。 通风网络异常诊断原 理如图 所示。 在风门压差利用高精度压差传感器 准确监测的基础上，结合通风网络实时解算和径向 基（ ，）神经网络方法，进行 矿井通风异常源、影响范围、严重程度诊断，并结合 瓦斯、一氧化碳、温度、绝压、风速等多元监测数据诊 断矿井通风异常原因。 图 通风网络异常诊断原理 通风系统灾情研判 通过灾变网络风烟流运移特征分析，可为灾情 态势预判提供理论依据和数据基础。 构建复杂网络 条件下火灾（爆炸）烟流逆退、风流逆转、灾变气体 扩散的动态变化数学模型；建立突出冲击气流传播 的场模型和矿井灾变风流的网络模型，获得突出作 用下的矿井风流灾变紊乱特征；通风系统灾情研判 原理如图 所示。 建立场区网耦合的矿井风网 灾变风流动态演化数值灾变模型，进而可以实现包 括矿井火灾、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾变仿真， 支持拾取灾害发生点，设置类型、能量大小等灾害基 础参数。 不同类型灾变发生后，采取三维系统的灾 害数据模式，在模型网格细分的基础上，通过颜色 维、空间维反距离加权插值反应温度、冲击波、风烟 流等运移情况和灾害监测指标数据连续动态可视化 仿真，实现通风系统灾变影响范围快速判定与巷道 图 通风系统灾情研判原理 内部灾情发展动态研判。 灾变应急决策 模拟灾变条件下风网通风安全参数的演化情 况，超前仿真不同控风方案下灾情演化和人员逃生 状况，确定效果最佳控风方案，建立灾情演化人员 逃生控风预案库。 基于预案库、实时监测数据、通风 网络实时解算和机器学习，快速确定灾害影响范围 和相应的应急控风决策方案，如图 所示。 灾变状态下的控风决策方案自动生成系统，能 够研判灾情动态，以声音、图形、短信等形式实现灾 变前预警。 风量敏感度分析和风烟流动态跟踪快速 自动生成控风方案，并结合远程分发控制指令系统， 实现风门、风窗按需进行远程调节，主要通风机一键 反风倒机等。 结合人员定位系统、超前仿真模拟数 据，实现最优避灾路线快速自动生成及安全区域三 维直观展示。 第 期魏连江等矿井智能通风与灾变应急决策平台 图 灾变通风应急决策 工程推广应用 全面贯彻落实全国煤矿智能化建设现场推进会 精神，按照关于加快煤矿智能化发展的指导意见 （发改能源 号）的要求，将文中研究成果 应用在宁夏国家能源集团羊场湾煤矿二号井、山东 能源集团付村煤矿和鄂尔多斯转龙湾煤矿等矿井。 通过优化传感器和通风设施布置地点，融合煤矿通 风 大系统基础数据，建立三维仿真模型，实现通风 网络实时解算、按需供风、故障诊断，完成通风系统 优化和通风地理信息一体化管理。 联合井下通风设 施和应急装备，构建救灾避灾一体化控风方案预案 库，建设 ，主要分为 和 这 部 分， 部分主要功能如图 图 所示（以付村 矿为例）， 部分主要功能如图 图 所示 （以付村矿为例）。 图 主界面 平台在实际应用中的优点为现场实际应用效 图 灾害动态研判 图 灾变控风决策 图 通风系统数据融合与分析 图 主要通风机控制 果，集成矿井一通三防子系统数据，具备所融合系统 中国安全科学学报 第卷 年 图 风门风窗集成控制 的主要功能，能够实现通风系统常态运行与风险预警 一张图展示。 根据智能监测结果自动实时进行通 风阻力解算，实现通风系统状态识别和需风量预测。 实现矿井主要通风机一键启停、反风、倒机，根据监 测分析结果实现对风门风窗远程联动控制，实现无人 值守及远程集中控制，达到减人提效的目的。 目前，平台在实际应用中也存在部分问题为 实时解算精确度对传感器种类，数量要求高，多数 煤矿现有传感器布置不能满足实时解算精度的要 求。 矿井通风网络实时解算模型维护工作量大， 有时维护不及时，易导致实时解算产生误差。 结 论 ） 在分析平台需求与智能通风子系统、智能通 风硬件相互关系的基础上，提出 架构，能 够实现一个管控平台、统一的数据接口标准、统一的 服务器资源。 ） 实现 数据通信方式和数据存储 方式，有助于降低不同系统间的耦合度。 ） 在解决矿井通风网络实时解算、异常诊断、 灾害动态研判与风流应急调控等关键问题的基础 上，开发了三维可视化 。 参 考 文 献 王海宁，彭斌，彭家兰，等基于三维仿真的矿井通风系统及其优化研究中国安全科学学报，，（） ， ， ， ，，（） 周福宝，魏连江，夏同强，等矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现煤炭学报，，（） ， ， ， ， ， ， （） 王国法，王虹，任怀伟，等智慧煤矿 情景目标和发展路径煤炭学报，，（） ， ， ， ， ， （） 疏礼春基于大数据的云边一体化煤矿安全生产风险监测预警平台煤矿安全，，（） ， ， （） 卢新明，尹红矿井通风智能化理论与技术煤炭学报，，（） ， ， ， （） （） 柳明明 三维通风仿真系统在金属矿山的应用金属矿山，（） ，（） 第 期魏连江等矿井智能通风与灾变应急决策平台 李宗翔，王雅迪，李林上行风流火灾 矿井通风系统灾变过程仿真煤炭学报，，（） ， ， ， ， （） 宋军 在矿井通风系统优化过程中的应用当代化工研究，（） ， （） 康雪，韩文骥，梁军，等矿井通风在线监测及动态分析预警系统在打通一矿的应用山东科技大学学报自然科 学版，，（） ， ， ， ，， （） 国家能源局关于加快煤矿智能化发展的指导意见的政策解读 （） 张巨峰，施式亮，鲁义，等矿井瓦斯与煤自燃共生灾害耦合关系、致灾机制、防控技术中国安全科学学报， ，（） ， ， ， ， ， ， ， （） 曾胜重大危险源动态智能监测监控大数据平台框架设计中国安全科学学报，，（） ，，（） 国家煤矿安全监察局煤矿感知数据接入规范（试行） （） 作者简介魏连江（），男，江苏连云港人，博士，副教授，主要从事矿井通风、人 工智能在安全工程中的应用等方面的研究。 。