中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄

針對煤礦多災(zāi)害特征參數(shù)感知不夠精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸效率低、多源信息融合率不高、預(yù)報(bào)警能力不足等核心痛點(diǎn)，構(gòu)建基于“云-邊-端”協(xié)同架構(gòu)的煤礦一體化智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，由端設(shè)備智能感知層、邊緣側(cè)智能計(jì)算層和云平臺(tái)智能管控層組成。分析系統(tǒng)在多模態(tài)精準(zhǔn)感知、通算控邊緣信息匯聚控制和私有云一體化智能管控等關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)階段性研究成果和現(xiàn)場應(yīng)用效果，煤礦“云-邊-端”一體化智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，提升了多種災(zāi)害氣體傳感器智能化水平和井下智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信速率，形成了全礦井多災(zāi)害一體化集中監(jiān)控預(yù)警與數(shù)智化管控新模式。

文章來源：《智能礦山》2025年第7期“中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄”

第一作者：鄧飛，現(xiàn)任中煤科工重慶研究院有限公司黨委書記、董事長，主要從事煤礦災(zāi)害防治、信息化與智能化領(lǐng)域的研發(fā)與管理工作。E-mail：77783075@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司

引用格式：鄧飛，樊榮，饒興鑫. 煤礦“云-邊-端”一體化智能安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(7)：46-53.

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目前，國內(nèi)部分煤礦已基本實(shí)現(xiàn)中級智能化建設(shè)目標(biāo)，在“減人增安、提質(zhì)增效”等方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但從全國范圍來看，煤礦智能化建設(shè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其在災(zāi)害監(jiān)測監(jiān)控方面，存在智能傳感不完善、傳輸效率低、數(shù)據(jù)融合困難以及預(yù)警能力不足等問題，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）智能傳感技術(shù)尚不成熟

瓦斯、水害、火災(zāi)、頂板壓力及粉塵等典型災(zāi)害監(jiān)測使用的傳感器多數(shù)不具備自校準(zhǔn)、自診斷、互操作等智能化功能。受井下高溫高濕、強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜工況影響，傳感器誤報(bào)警現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；調(diào)校不規(guī)范、未定期測試閉鎖功能等問題普遍存在，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的可信度不高。災(zāi)害前兆特征參數(shù)存在測不全、測不到、測不準(zhǔn)的現(xiàn)象，難以準(zhǔn)確捕捉隱患風(fēng)險(xiǎn)演化過程中的關(guān)鍵信號。面對種類繁多、形式復(fù)雜的隱患與違章行為，在線監(jiān)測與自動(dòng)辨識(shí)手段仍顯不足。

（2）數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制存在短板

傳統(tǒng)RS485串行總線通信方式難以滿足現(xiàn)代煤礦多節(jié)點(diǎn)并發(fā)傳輸?shù)男枨螅叫柘蛉獻(xiàn)P化接入與F5G全光網(wǎng)絡(luò)方向升級。在無線傳輸方面，WiFi、ZigBee等協(xié)議易受井下復(fù)雜地形和電磁干擾影響，導(dǎo)致較高數(shù)據(jù)丟包率，重傳機(jī)制與錯(cuò)誤檢測算法亟待優(yōu)化。主干網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備間“最后一公里”鏈接問題突出，采掘工作面等關(guān)鍵區(qū)域常出現(xiàn)信號中斷、協(xié)議轉(zhuǎn)換效率低等現(xiàn)象，限制了邊緣計(jì)算能力的有效發(fā)揮。因此，亟需發(fā)展具備邊緣匯聚與智能處理能力的“一站式”通信解決方案。

（3）智能應(yīng)用系統(tǒng)集成度低

現(xiàn)有災(zāi)害監(jiān)測信息缺乏統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，造成信息對齊與融合困難，難以形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖。采掘工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，缺乏高精度建模與實(shí)景反演手段，無法有效還原孕災(zāi)-致災(zāi)-災(zāi)變的全過程演化機(jī)制。基于透明地質(zhì)模型的災(zāi)害融合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)尚處于起步階段，模型普適性差、預(yù)警準(zhǔn)確率低，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中對多災(zāi)種耦合風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)識(shí)別與處置需求。

因此，圍繞災(zāi)害精準(zhǔn)感知-隱患自動(dòng)判識(shí)-風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警防控的主線，開展關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備的攻關(guān)研究，構(gòu)建基于“云-邊-端”協(xié)同架構(gòu)的礦山安全智能監(jiān)控與預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)對礦山“人、機(jī)、環(huán)、管”全要素信息的全面感知、自主融合、動(dòng)態(tài)識(shí)別、精準(zhǔn)預(yù)警與協(xié)同控制，全面提升礦山安全保障能力。

煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)由云平臺(tái)、邊緣側(cè)和端設(shè)備3部分組成。端設(shè)備側(cè)是指系統(tǒng)中的終端設(shè)備，如各類傳感器、斷電儀、報(bào)警器、攝像頭等；邊緣側(cè)主要承載災(zāi)害監(jiān)測信息井下一站式匯聚、重大風(fēng)險(xiǎn)與隱患本地判識(shí)，以及預(yù)報(bào)警就地控制；云平臺(tái)基于微服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、監(jiān)測、分析與協(xié)同控制，賦能煤礦安全智能化管控。煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 端設(shè)備側(cè)即多模態(tài)數(shù)據(jù)感知層

端設(shè)備由各類海量高精度傳感器組成，包括瓦斯、一氧化碳、粉塵、煙霧、頂板離層位移等各類災(zāi)害監(jiān)測傳感器，以及聲紋識(shí)別、AI視頻違章識(shí)別等音視頻多模態(tài)傳感器和智能攝像儀。

端設(shè)備側(cè)部署4G/5G/WiFi等融合基站，構(gòu)建井下高速率低時(shí)延通信網(wǎng)絡(luò)；注氮灑水等滅火設(shè)備、風(fēng)門風(fēng)窗等通風(fēng)調(diào)控設(shè)備、應(yīng)急廣播與聲光報(bào)警裝置等聯(lián)動(dòng)控制相關(guān)的終端設(shè)備；人員定位基站、移動(dòng)巡檢機(jī)器人、智能礦燈及智能穿戴等定位與移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備。端設(shè)備側(cè)傳感器具備自診斷、自校準(zhǔn)、自描述和自適應(yīng)等智能化特性。

（1）自診斷是指傳感器在工作過程中可進(jìn)行自檢，判斷傳感器各部分的正常運(yùn)行并進(jìn)行故障定位。

（2）自校準(zhǔn)是指傳感器可通過內(nèi)置算法或參考標(biāo)準(zhǔn)（如零值或已知標(biāo)準(zhǔn)量），在無需人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)偏移或增益誤差，持續(xù)保持測量精度和穩(wěn)定性。

（3）自描述是指傳感器通過內(nèi)置通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口，主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中的外部設(shè)備傳輸其元數(shù)據(jù)信息，包括但不限于身份標(biāo)識(shí)，如唯一序列號、型號代碼；功能特性包括測量范圍、精度等級、輸出類型；實(shí)時(shí)狀態(tài)包括工作健康度、校準(zhǔn)周期、故障代碼；拓?fù)湮恢冒ňW(wǎng)絡(luò)地址、物理安裝位置等。

（4）自適應(yīng)是指傳感器通過對自身模型進(jìn)行調(diào)節(jié)主動(dòng)適應(yīng)外部環(huán)境的變化，如溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、跌落識(shí)別等。

1.2 邊緣側(cè)即邊緣計(jì)算層

邊緣側(cè)主要承載監(jiān)控系統(tǒng)災(zāi)害監(jiān)測信息井下一站式匯聚、重大風(fēng)險(xiǎn)與隱患本地判識(shí)、預(yù)報(bào)警信息發(fā)布與就地控制等功能。

邊緣側(cè)負(fù)責(zé)各類終端設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、注冊與接入，構(gòu)建長距離全I(xiàn)P本安傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的一網(wǎng)承載與數(shù)據(jù)的高速交互。邊緣側(cè)在自有存儲(chǔ)和算力基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型、圖像識(shí)別模型、災(zāi)害成因機(jī)理判識(shí)模型、區(qū)域協(xié)同控制模型等小模型的本地化部署與實(shí)時(shí)響應(yīng)，提升控制效率和隱患判識(shí)精準(zhǔn)度。

1.3 基于微服務(wù)架構(gòu)云平臺(tái)

云平臺(tái)利用智能礦山數(shù)據(jù)中心云服務(wù)器資源，采用私有云部署模式，承載瓦斯、水、火等災(zāi)害信息統(tǒng)一采集、一體化監(jiān)測、數(shù)據(jù)智能分析、避災(zāi)路徑輔助規(guī)劃、預(yù)警集成、協(xié)同控制、故障模擬仿真和數(shù)字孿生可視化展現(xiàn)等功能。

通過礦端部署的AI一體機(jī)，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)時(shí)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)脫敏、樣本上傳、模型訓(xùn)練調(diào)優(yōu)剪裁與下載、孿生場景制作與安全受控設(shè)備全生命周期管理，賦能煤礦安全智能化管控。

煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多模態(tài)精準(zhǔn)感知技術(shù)

（1）全光氣體濃度高精度檢測技術(shù)

井下環(huán)境氣體種類多，傳統(tǒng)檢測原理受交叉干擾影響精準(zhǔn)測量，存在誤報(bào)現(xiàn)象。利用基于氣體特征光譜吸收原理，采用測量光路加校準(zhǔn)光路，實(shí)現(xiàn)井下氣體濃度高精度檢測，由校準(zhǔn)光路中密封的被測氣體標(biāo)準(zhǔn)氣，實(shí)現(xiàn)傳感器自校準(zhǔn)。

（2）超聲波流速精準(zhǔn)風(fēng)流檢測技術(shù)

針對巷道低風(fēng)速在線測量、斷面風(fēng)量測量不準(zhǔn)確的難題，采用超聲時(shí)差法原理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)風(fēng)速到線風(fēng)速測量，根據(jù)同一時(shí)間的多條線風(fēng)速計(jì)算此時(shí)的斷面風(fēng)量。超聲波時(shí)差法流速測量原理與全斷面測風(fēng)方法如圖2所示。

圖 2 超聲波時(shí)差法流速測量原理與巷道全斷面測風(fēng)方法

（3）瓦斯無人巡檢技術(shù)

傳統(tǒng)瓦斯人工巡檢由于路線長、點(diǎn)位多、工作量大，存在漏檢、誤測、模糊記錄等問題。采用定點(diǎn)多參量在線檢測+巡檢機(jī)器人的模式，重構(gòu)瓦斯巡檢流程。巡檢機(jī)器人集傳感、通信、AI算法、仿生本體等跨學(xué)科多業(yè)務(wù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度感知、自主導(dǎo)航與避障、多模態(tài)數(shù)據(jù)融合分析、集群協(xié)同。

2.2 通算控邊緣信息匯聚控制技術(shù)

（1）長距離全I(xiàn)P本安傳感網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)

基于輕量級IP協(xié)議棧、精確時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 1588）和光-電-無線的融合傳輸、本安大功率供電等技術(shù)，構(gòu)建有線為主、無線為輔的井下本安智能傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)傳感器全I(xiàn)P化通信組網(wǎng)，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下沉到端設(shè)備，解決設(shè)備互操作與時(shí)間同步難題。

全I(xiàn)P本安傳感網(wǎng)有線傳輸，采用單纖收發(fā)一體的低功耗IP光通信模塊、光電復(fù)合纜及光電混裝連接器，實(shí)現(xiàn)端設(shè)備供電與光信號共纜傳輸，解決電信號長距離傳輸易受抗干擾且不能IP尋址的難題。通過軟件配置動(dòng)態(tài)管理發(fā)射頻譜、自動(dòng)匹配傳輸協(xié)議，調(diào)整天線陣列波束指向，實(shí)現(xiàn)頻譜自適應(yīng)敏捷組網(wǎng)，有效解決不同制式無線信號快速接入問題，井下全I(xiàn)P本安傳感網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖 3 井下全I(xiàn)P本安傳感網(wǎng)架構(gòu)

（2）遠(yuǎn)距離無源傳感通信技術(shù)

針對煤礦井下組網(wǎng)有線布網(wǎng)復(fù)雜維護(hù)不便、無線組網(wǎng)設(shè)備供電時(shí)間短難題，基于微波直驅(qū)變頻技術(shù)（MDFC），實(shí)現(xiàn)間歇式工作傳感器不用供電就能遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)感通一體，傳輸距離>100 m，具備上下異頻、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（3）井下通算控一體化技術(shù)

基于分布式數(shù)據(jù)采集與并行處理、工作面異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效匯聚方法、面向應(yīng)用場景的邊緣計(jì)算資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化與分配策略，研制出通算控一體化智能裝置，實(shí)現(xiàn)作業(yè)場所災(zāi)害信息的一站式匯聚、分析控制邏輯組態(tài)式配置、集成瓦斯突出等輕量化風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)智能管控。

2.3 私有云一體化智能管控技術(shù)

（1）安全監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

目前煤炭行業(yè)缺乏統(tǒng)一通信協(xié)議，設(shè)備接入、交互、控制難，制約了智能礦山的建設(shè)。安全監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)備身份認(rèn)證機(jī)制、“云-邊-端”三層通信協(xié)議、數(shù)據(jù)交換共享標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)間同步方式等，實(shí)現(xiàn)授權(quán)設(shè)備或系統(tǒng)無縫接入。協(xié)議集涵蓋設(shè)備注冊入網(wǎng)、參數(shù)配置、接入接口、時(shí)間同步及加密傳輸?shù)葍?nèi)容，“云-邊-端”安全監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議集架構(gòu)如圖4所示。

圖 4 “云-邊-端”安全監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議集架構(gòu)

（2）基于統(tǒng)一數(shù)字底座的災(zāi)害融合監(jiān)控預(yù)警

針對安全數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，地質(zhì)、監(jiān)測、預(yù)警與處置信息割裂，基于統(tǒng)一信息模型的數(shù)據(jù)采集、解析和治理技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)字底座，打通透明地質(zhì)-監(jiān)測預(yù)警-協(xié)同聯(lián)動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)字底座的多災(zāi)害信息融合監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)一次采集、一數(shù)一源、一源多用、授權(quán)共享。

構(gòu)建成因機(jī)理為主導(dǎo)的災(zāi)害預(yù)警模型。以事故成因機(jī)理為指引，重點(diǎn)研究瓦斯、水等災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)與模型，探索鏈生災(zāi)害融合預(yù)警指標(biāo)與體系，創(chuàng)建具有自學(xué)習(xí)能力的多源信息融合動(dòng)態(tài)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)自動(dòng)融合分析與決策，以及預(yù)警指標(biāo)自優(yōu)選、模型自調(diào)優(yōu)，解決固定規(guī)則模型復(fù)雜信息協(xié)同處理能力弱、普適性差、預(yù)警準(zhǔn)確性不高的問題。

構(gòu)建災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警數(shù)字孿生體。基于統(tǒng)一數(shù)字底座，利用地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋與離散光滑插值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害地質(zhì)體動(dòng)態(tài)建模；采用GIS與激光點(diǎn)云相融合的方式，實(shí)現(xiàn)井巷工程參數(shù)化建模；利用設(shè)備幾何、功能屬性實(shí)現(xiàn)采掘運(yùn)支設(shè)備精細(xì)實(shí)景建模，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)過程仿真；基于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了氣體濃度場插值模型，實(shí)現(xiàn)作業(yè)場所精細(xì)刻畫。基于典型的五維模型構(gòu)建災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警數(shù)字孿生體，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字孿生五維模型架構(gòu)如圖5所示。

圖 5 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字孿生五維模型架構(gòu)

（3）風(fēng)險(xiǎn)事件數(shù)字化協(xié)同處置方法

針對風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)與處置高度依賴專家經(jīng)驗(yàn)，數(shù)智化協(xié)同處置能力不足的問題，研究基于深度學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜與數(shù)字孿生的典型風(fēng)險(xiǎn)事件自動(dòng)判識(shí)、趨勢預(yù)測、災(zāi)害仿真、避災(zāi)規(guī)劃、溯源分析與協(xié)同處置技術(shù)，建立“云-邊-端”協(xié)同管控模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)器輔助值班，風(fēng)險(xiǎn)處置過程如圖6所示。

圖 6 風(fēng)險(xiǎn)處置過程

階段性成果及現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 提升多模態(tài)終端傳感設(shè)備智能化水平

（1）研究覆蓋近-中紅外激光氣體全系列傳感組件，攻克C?H?、C?H?、O?高精度測量難題，C?H?、C?H?分辨率0.1 ppm，測量范圍（0～200.0）ppm，O?測量范圍（0～30.0）%，分辨率0.1%，研制出多種氣體參數(shù)傳感器，并開展全激光氣體傳感器譜系化研究，形成從單一氣體到多參數(shù)檢測全品類產(chǎn)品，譜系化激光氣體傳感器如圖7所示。

圖 7 譜系化激光氣體傳感器

（2）甲烷氣體激光傳感器具備自校準(zhǔn)、自診斷、高精度和高穩(wěn)定特征。利用光路可分特性，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氣體，實(shí)時(shí)比對校準(zhǔn)，保證測量的準(zhǔn)確性和可靠性。通過諧波解調(diào)分析，可識(shí)別自身故障、信號干擾等異常狀況，保障傳感器可靠運(yùn)行，測量精度為±3%，長期工作穩(wěn)定性>180天。采用4.6 μm半導(dǎo)體帶間級聯(lián)（ICL）激光器作為光源，實(shí)現(xiàn)了一氧化碳檢測分辨率1 ppm的高精度檢測，消除煤礦井下柴油機(jī)車和單軌吊等NO尾氣等干擾引起的一氧化碳誤報(bào)警。

（3）針對傳統(tǒng)束管監(jiān)測系統(tǒng)配套設(shè)備復(fù)雜、易漏管、斷管、維護(hù)量大、測量易失真等問題，基于激光氣體檢測技術(shù)研發(fā)的礦用本安型采空區(qū)自然發(fā)火氣體監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)了O?、CO、CH?、CO?、C?H?、C?H?等關(guān)鍵參數(shù)的就地、實(shí)時(shí)、高精度在線監(jiān)測，其中CO監(jiān)測精度1 ppm，C?H?、C?H?等氣體監(jiān)測精度0.1 ppm量級。

（4）基于超聲時(shí)差技術(shù)研發(fā)的點(diǎn)式風(fēng)速傳感器，具有測量精度高、啟動(dòng)風(fēng)速低至0.02 m/s，測量上限為25 m/s。全斷面超聲風(fēng)速傳感器，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)式測風(fēng)到全斷面測風(fēng)的技術(shù)跨越，為智能通風(fēng)風(fēng)量監(jiān)測提供了精準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（5）突破目標(biāo)快速檢測、三維激光測量、多模態(tài)判識(shí)模型等技術(shù)，研制出礦山隱患圖像識(shí)別智能終端，實(shí)現(xiàn)了人的不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素等場景識(shí)別，開發(fā)并應(yīng)用人員闖入識(shí)別、穿戴識(shí)別、片幫冒頂識(shí)別、大塊異物識(shí)別、輸送帶啃邊識(shí)別、密閉門啟封識(shí)別等50余種場景識(shí)別算法，識(shí)別準(zhǔn)確率>95%。

3.2 初步構(gòu)建智能傳感網(wǎng)、機(jī)器巡檢裝備體系

（1）基于不等比分光通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光纖總線通信，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不低于16個(gè)；研制輕量級IP協(xié)議棧，采用時(shí)分復(fù)用、虛擬IP等技術(shù)完成終端輕量化IP部署，實(shí)現(xiàn)了光纖總線端設(shè)備全I(xiàn)P接入、IP自動(dòng)分配、IP路由、點(diǎn)到點(diǎn)通信、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，通信速率為2 Mbit/s。

（2）突破高精度光學(xué)氣體檢測、定點(diǎn)及移動(dòng)自動(dòng)巡檢、井下安全快速充電、設(shè)備無線數(shù)據(jù)交互及協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出可適應(yīng)煤礦井下各場景自動(dòng)巡檢需求的機(jī)器集群系統(tǒng)，具有多參數(shù)高精度檢測、長周期免維護(hù)、特定場景全覆蓋、設(shè)備位姿自感知、瓦斯檢查自執(zhí)行等特點(diǎn)。

3.3 一體化云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全礦井安全數(shù)智化管控

（1）煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)部署在礦井?dāng)?shù)據(jù)中心，初步實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)異常自動(dòng)分析與預(yù)測、全礦井安全態(tài)勢量化評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)事件數(shù)字化輔助處置和基于數(shù)字孿生的多災(zāi)害一體化集中監(jiān)控與預(yù)警。

（2）基于數(shù)據(jù)形態(tài)，采用滑動(dòng)時(shí)間窗建立數(shù)據(jù)特征圖譜，進(jìn)行異常自動(dòng)識(shí)別與預(yù)測。實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛茸兓⒉煽諈^(qū)發(fā)火傾向、頂板離層變化、輸送帶溫升等突變、趨勢偏離、多窗口微小波動(dòng)異常自動(dòng)篩選、鎖定、回溯分析及趨勢預(yù)測，成果在川煤集團(tuán)、烏海能源得到常態(tài)化應(yīng)用。

（3）基于統(tǒng)一數(shù)字底座，根據(jù)機(jī)車通過速率、風(fēng)流速度、超限數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征，針對一氧化碳超限時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行空間解算，根據(jù)空間與時(shí)間重合度，利用先驗(yàn)概率算法，判識(shí)一氧化碳超限與膠輪車等關(guān)聯(lián)性，一氧化碳特征圖譜分析界面如圖8所示。

圖 8 一氧化碳特征圖譜分析界面

（4）通過對近百余座煤礦采掘數(shù)據(jù)、監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)等信息的關(guān)聯(lián)挖掘分析，提出了基于中性參照對象精細(xì)網(wǎng)格化的安全態(tài)勢動(dòng)態(tài)評價(jià)方法，采用逼近理想解算法，形成了分類、分專業(yè)及多種典型作業(yè)場景的評價(jià)模型，初步解決了不同采掘條件下，安全風(fēng)險(xiǎn)橫向量化對比與縱向溯源分析難的問題，煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分層架構(gòu)與指標(biāo)如圖9所示。

圖 9 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分層架構(gòu)與指標(biāo)

（5）在風(fēng)險(xiǎn)事件數(shù)字化輔助處置方面，建立了處置策略庫，構(gòu)建了監(jiān)測點(diǎn)就地控制、邊緣協(xié)同控制、全礦云平臺(tái)優(yōu)化控制為一體的3層遞階協(xié)同控制模型，根據(jù)預(yù)報(bào)警結(jié)果，實(shí)現(xiàn)井上下風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息同步發(fā)布、分級分區(qū)斷電、通信聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)排水、一鍵撤人、通風(fēng)設(shè)施自動(dòng)控制。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，閉環(huán)控制時(shí)間<5 s。

（6）基于微服務(wù)架構(gòu)，形成了基于統(tǒng)一時(shí)空坐標(biāo)的數(shù)字底座；融合集成了主要災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)與模型；以空間（井田地質(zhì)-井巷工程-工作場所）和專業(yè)（瓦斯、水、火、礦壓、粉塵、通風(fēng)、地質(zhì)）2條主線，研發(fā)了具備透明地質(zhì)、安全監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警、智能通風(fēng)、模擬仿真、避災(zāi)規(guī)劃、協(xié)同控制等功能為一體的安全數(shù)智化監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步、指標(biāo)融合、功能集成、流程銜接、界面統(tǒng)一，并在寧夏煤業(yè)公司所屬煤礦推廣應(yīng)用，煤礦智能通風(fēng)與災(zāi)害防控綜合平臺(tái)界面如圖10所示。

圖 10 煤礦智能通風(fēng)與災(zāi)害防控綜合平臺(tái)界面

總 結(jié)

（1）煤礦“云-邊-端”一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)單一災(zāi)害的數(shù)字化監(jiān)測、閾值報(bào)警、分級斷電的模式，向多災(zāi)害協(xié)同的智能感知-融合判識(shí)-動(dòng)態(tài)預(yù)警-閉環(huán)管控的模式跨越，全面響應(yīng)我國煤礦安全高效生產(chǎn)的重大需求。

（2）下一步在端設(shè)備方面，將重點(diǎn)推進(jìn)激光氧氣、中紅外激光器、瓦斯無人巡檢、瓦斯氣云濃度場與粒子圖像測速氣云風(fēng)流場相關(guān)技術(shù)與裝備的研發(fā)工作。在邊緣側(cè)將聚焦低功耗高帶寬傳輸、大功率遠(yuǎn)距離本安供電、通算控一體化智能裝置、分布式算網(wǎng)資源協(xié)同調(diào)度優(yōu)化與多頻譜敏捷網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等技術(shù)與裝備的研發(fā)與優(yōu)化迭代。

（3）在云平臺(tái)方面重點(diǎn)推進(jìn)信創(chuàng)體系全面適配、多災(zāi)害融合預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)事件輔助溯源、安全領(lǐng)域垂直大模型與基于實(shí)景的災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警數(shù)字孿生體技術(shù)攻關(guān)。通過“云-邊-端”協(xié)同創(chuàng)新，全面實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)超前感知、智能閉環(huán)處置與數(shù)字孿生輔助決策，為礦井智能化升級提供核心技術(shù)支撐。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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