摘要：简单介绍了煤矿智能化概念，对安全监控系统与智能化建设的差距进行了分析。主要从传输架构简单化、装备智能化两方面提出了提高安全监控系统智能化水平的思路。通过完善、增加、优化系统功能，实现两级架构传输、智能识别、智能分析、自主判断、自动控制等功能，达到提高安全监控系统的智能化水平的目的。
关键词：安全监控；智能化；技术探讨
目前各煤矿安全监控系统基本实现了对环境中的有毒有害气体和设备运行状态进行实时监测、超限控制、应急联动等基本功能。但随着安全监控技术及传感技术的不断发展和进步，以及国家对智能化矿山建设的高度重视和煤矿企业对安全监控系统的个性化、智能化需求的不断增长，传统的安全监控系统存在的传输架构较复杂、系统功能单一、多系统融合联动程度不够深入、系统数据分析能力较弱、监控数据的利用率较低等问题突显。本文通过调研现场需求，结合安全监控技术未来的发展趋势，从监控系统传输架构、装备智能化、传感器监测参数、系统数据分析能力、数据的应用等方面提高安全监控系统的智能化水平。
1煤矿智能化概念
煤矿智能化是将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行。
2安全监控系统与智能化建设要求差距
2020年3月，国家发改委等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》通知，明确到2035年各类煤矿基本实现智能化的总体目标，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。目前安全监控系统与智能化建设要求还存在一定的差距，主要表现在以下几方面：（1）系统传输架构相对较复杂有线传感器端到地面中心站采用3级传输，无线传感器端到地面中心站采用4级传输，存在数据转换及交互环节较多、系统巡检周期长、线路干扰较大等问题。（2）系统功能较单一、数据量较少、自主数据分析能力较弱目前传感器只对环境中的有毒有害气体和设备运行状态进行了数据采集，未对传感器自身工作状态（供电、调校、自检、故障、工作时长）等参数进行采集；系统未对采集到的数据进行深入的挖掘和利用，如采掘工作面瓦斯浓度逐渐升高，没有判断前方是否存在地质构造、是否需要加大风量稀释瓦斯等。（3）井下设备较多安全监控系统设备主要包括各类传感器、断电器、安全监控分站、交换机、电源箱。各类传感器都只能够采集单一的参数，造成传感器种类、数量繁多，传感器类型主要包括瓦斯、CO、风速、温度、O2、H2S、设备开停、烟雾、风门、馈电等20余种，因此，应采用多参数传感器，即1台传感器采集多种参数。（4）多系统融合联动程度不够深入目前各矿井基本采用地面软件进行多系统融合，存在数据延迟、稳定性差等问题，融合联动的系统也只有人员定位和应急广播。（5）系统自诊断、自评估、故障自排除能力较弱系统不能对传感器安设是否符合要求，报警值、断电值、复电值及断电范围设置是否符合要求进行自诊断和自评估，对系统出现的故障不能自排除，如1条总线上的其中1台传感器故障后，会影响其他传感器的正常工作。
3提高安全监控系统智能化水平的思路
3.1减少传输层级和实现硬件融合
传统的安全监控系统采用以太环网+总线传输的3级或4级架构模式实现监测与控制，存在设备数量多、铺设线路长、建设成本高、数据转换交互层级复杂、系统巡检周期长等不足。因此，将数据的采集、处理、运算与交互环节统一由多功能监控分站来完成，并由多功能监控分站实现自组网传输平台，实现有线传感器端至地面中心站端的两级传输架构模式，减少中间的专用网络传输层级。两级传输架构模式具有架构简单、系统巡检周期短、建设成本较低、故障率低等优点。两级传输架构如图1所示。图1两级传输架构同一台多功能监控分站可以同时采集安全监控各类传感数据、人员定位读取器数据，采集高压防爆开关内的电压、电流、功率等实时参数，与应急广播系统、输送带喊话器、有线调度通信系统之间通信，实现多系统间的硬件融合和联动，达到控制前移、提高系统的可靠性、稳定性的目的。
3.2装备智能化
装备功能多样化是系统智能化的基础，只有监测信息越丰富、数据量越大、运算能力越强，才能实现系统的智能化。因此，需要提升安全监控系统装备智能化，使其具有自主分析、自主判断、自主控制等能力。
（1）多功能监控分站智能化
多功能监控分站是整个系统的核心，担负整个井下现场传感器数据的采集、处理、交互、传输、存储、转换、融合、联动等任务，因此，多功能监控分站的智能化尤为重要。①信号传输方面多功能监控分站应具有RS485、CAN、网口、光口等多种信号传输方式，通过多功能监控分站组成以太环网传输平台，多功能监控分站与地面中心站之间采用以太网方式；模拟量传感器至多功能监控分站之间的有线传输采用工业以太网、RS485、CAN传输方式；无线传输采用WaveMesh、ZigBee、WiFi、RF1D等传输方式；②异地交叉控制方面实现多功能监控分站之间的通信，能够在脱离主干网的情况下，通过多功能监控分站完成区域内安全监控、人员定位、应急广播等系统终端设备数据采集、融合联动等主要功能；③远程升级方面实现地面远程对井下多功能监控分站程序的在线更新升级。当多功能监控分站增加或完善部分功能时，无需维护人员到井下对设备进行逐一的更新程序，只需在中心站软件点击相应的设备，即可对井下设备的程序进行更新升级，从而减少了维护人员的工作量；④智能识别方面多功能分站应具有能自动识别各通道所接传感器类型、量程、接入时间等参数的功能。长期以来，由于地面中心站定义传感器类型、量程与井下现场安装的实际不相符，导致传感器报警的现象长期存在。通过完善多功能监控分站，使其能够自动识别各通道所接传感器类型、量程、接入时间等参数，并将所有参数实时上传至地面中心站，值班人员根据上传参数进行设置，避免因设置错误而导致报警，达到了由被动定义变为主动定义的目的。
（2）电源箱智能化
隔爆兼本安型电源箱是将外部输入的交流电源转换为本安直流电源的设备，主要为多功能监控分站和传感器提供本安型直流电源。供电电源是否正常是决定系统是否稳定的重要条件煤矿井下交流供电电压一般为127V、380V、660V三种电压等级，传统采用变压器抽头方式进行变压，变压器能够承受的最大电压波动范围一般在±15‰左右，电压一旦波动过大，很容易导致电源箱的损坏，同时无通信功能和对电源箱内的参数监测功能。因此需要对电源箱智能化的提升。①交流输入端采用宽频开关电源设计，实现交流90～1200V自动识别、自动切换，避免因外部交流电压的波动导致输出本安电源的不稳定或电源箱本身的损坏；②本安输出端输出的本安电源应采用模块化设计，模块之间独立运行，互不干扰；③电源箱内参数监测对电源箱输入交流电压、电流、供电状态（交流、直流）及每个本安电源模块的电压、电流、功率、电池电压、箱体内温度、充放电状态等参数进行实时监测，并将监测参数上传至地面中心站，电源箱应同时具有电源指示、限流、限压、短路保护和故障消除后自动恢复的功能；④后备电源维护电源箱内应内置备用电源，备用电池供电能力能够维持在4h以上，备用电源应采用浮充电方式，并具有防止过充电、过放电的功能；⑤通信方面电源箱应与地面中心站之间实现实时通信，中心站可远程对电源内的电池进行充放电维护。
（3）传感器智能化
传感器是安全监控系统的基础，是系统数据的根本来源。应充分利用微处理器的优点和现代传感技术，研究性能高、可靠性强、监测参数多的传感器，传感器同时做到自诊断、自校正、自调校、故障自排除，以提高传感器的智能化。①传感器数字化所有传感器、断电器实现全数字化传输，使传输信息更多，内容更丰富。传感器除正常实时监测环境中有毒有害气体以外，还应对传感器供电电压、电流、功率、传感器工作状态（预热、启动、故障、自检、调校）、传感器黑白元件工作时长、工作状态等参数实时监测，并将监测参数上传至地面中心站；②传感器分级报警通过地面中心站软件设置分级报警后，实时同步到传感器，传感器根据不同的监测值，按照不同的频率发出不同的报警声音和闪烁报警灯光；③传感器精确定位采用UWB技术，对传感器安设位置（距顶、距帮）进行精确定位，确保现场传感器安设位置符合要求；④模拟量传感器在线调校每周定期对传感器调时，无需在地面中心站软件或上传软件上进行设置，即可在本地以及上传平台上自动显示为调校状态，减少了值班人员的工作量，减少了因传感器未设置调校状态或调校超时而导致报警的情况；⑤传感器自动识别标校数据和运行过程中的异常数据传感器在日常运行过程中，能够对调校数据和异常数据进行自动识别，并将数据进行存储，其存储时间最长24h，存储期间可通过遥控进行数据查询，但不能够人工修改或删除；⑥模拟量传感器应采用高效的开关电源，元器件应采用贴片类型，降低传感器的整机功耗，延长传感器的有效工作距离；⑦传感器内部应采用抗静电、浪涌、群脉冲、射频辐射防护措施，增强传感器对外界干扰的抵抗力；⑧模拟量传感器应采用不锈钢带内部注塑外壳，防护等级达到IP68，增强传感器的防水防尘能力；⑨传感器故障自动识别实现模拟量传感器元件异常、电路板异常、供电不足、线路故障等典型故障的自动识别。
4提高系统数据分析能力
中心站软件主要是将井下实时上传的数据进行显示、存储，并提供历史数据的查询、报表打印等功能，并根据现场设备安设情况对井下设备的安设位置、报警值、断电值、复电值、断电范围、逻辑关联等参数进行定义设置。实现系统的智能化，中心站软件还需要完善或增加以下功能：（1）增加即插即用功能中心站软件自动识别各测点所接传感器类型、量程、接入时间等参数，当出现中心站软件定义的传感器类型与实际挂接的传感器类型不一致时，软件能进行类型不匹配报警，同时不保存采集的异常数据。（2）完善传感器调校提醒管理功能按照《煤矿安全规程》要求，甲烷传感器应15d进行1次调校，如果未按规定时间调校，软件可进行提醒，并对传感器调校过程中的数据进行识别。（3）增加传感器在线调校功能当传感器进入到调整状态时，中心站软件将自动进行状态识别，并将该数据进行调校标注，与正常数据进行区分。（4）增加区域管理功能实现对不同通风类型区域内传感器类型、数量和参数设置是否符合规范的检查提醒。（5）提高自诊断、自评估能力系统能够定期对自身的双机热备、数据库、数据服务等功能进行诊断、评估，并根据评估结果给出排除故障的措施。（6）增加传感器、控制器设置及定义诊断评估功能可根据基本配置信息自动诊断传感器安设和传感器报警、断电、复电门限设置是否符合标准要求，当不符合要求时，系统不能够正常定义，并发出语音提示报警。（7）实现对分站工作状态、电源供电状态、通信设备连接状态、数据库连接状态、软件各个模块运行状态的监视，当出现任意状态异常时，进行语音报警提示。（8）增加分级报警功能根据监测值、报警时长等参数的不同，能够分别设置不同的报警级别，不同的报警级别用不同的颜色表示，中心站设置的报警级别实时同步到传感器，分级报警功能一般不少于4级。（9）增加中心站远程对井下模拟量传感器的在线升级功能当传感器增加或完善部分功能时，无需维护人员到井下或将设备更换至地面进行逐一地更新程序，只需在中心站软件点击相应的设备，即可对井下设备的程序进行更新升级，从而减少了维护人员的工作量。（10）具有信息筛选、过滤功能支持分类信息查询和快速筛选统计，具体如下：①传感器标校数据分析当传感器进入标校时，系统能够自动识别并标记，当标校结束后能自动恢复标记，软件中可对标校期间的数据与正常采样进行区分；②异常数据分析系统能够自动识别运行过程中的突变数据，按照绝对值或斜率变化进行识别，变化级别可设置，实现了对瓦斯突变和火灾的预报警；③大数据分析系统可根据用户设置的多项组合筛选条件，对长期的历史数据进行筛选和分析。（11）具备设备台账管理功能从开始设备投入使用到最后一次移除，期间所有的报警、标校、断电、故障、删除记录等可形成报表台账。
5结语
通过减少中间网络传输层级，采用两级传输架构模式，丰富多功能监控分站、电源箱、传感器等设备的监测参数，提高对数据的分析判断能力；增加中心站软件，实现地面中心站实时在线对井下传感器、多功能监控分站、电源箱等设备的程序更新升级及远程对备用电源进行充放电维护、即插即用、在线调校等功能，可以有效提高安全监控系统的智能化水平。
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作者：陈强 单位：国家能源集团 国际工程咨询有限公司
