• 当前位置: 首页 > 解决方案

    煤矿安全生产动态诊断解决方案

    1.   方案概述

           煤矿安全生产动态诊断系统以云计算、物联网、数据挖掘技术为支撑,以行业、矿业集团、矿井制定的各类安全生产规程、规范为知识依据,结合综合自动化、在线监测(水、火、瓦斯、顶板等)以及煤矿安全生产日常获取的动态数据和历史数据,基于动态三维地质模型和虚拟矿井平台,对煤矿安全生产的各类信息进行展示、分析、推理,挖掘历史数据中蕴含的模式和知识,诊断并概括现势安全状态,预测未来安全形势,实现煤矿安全生产的动态诊断和辅助决策。

           根据煤矿安全动态诊断系统可视化项目的建设目标:数据综合集成、安全知识集成、可视化展示、煤矿安全状态诊断。相应地,可以推理和引申出煤矿安全动态诊断系统建设的内容(如图1所示)。

    (1)基于物联网/云计算技术构建煤矿安全综合数据库

           建设煤矿安全动态诊断系统,首先要利用物联网和云计算技术实现全面综合的数据集成,将基础空间和属性数据、在线监测的实时性数据、专业业务系统的事务性数据综合集成起来,构建煤矿安全综合数据库。主要建设工作包括:

    ü  梳理、收集、清洗、转换煤矿安全主题相关的基础、实时和业务数据;

    ü  定义煤矿安全综合数据库的数据模型、逻辑数据结构和物理数据结构;

    ü  定义在线监测系统的实时性数据集成协议,开发实时性数据传输接口;

    ü  定义业务管理系统的事务性数据集成协议,开发事务性数据传输接口;

    (2)基于专家系统构建煤矿安全动态诊断专家知识库

           针对知识集成的目标,我们整理规范规程体系中的经验或者理论知识,构建煤矿安全动态诊断的专家知识库。主要建设工作包括:

    ü  梳理煤矿安全规范规程体系,建立煤矿安全知识分类体系及元数据库;

    ü  根据煤矿安全知识的特点,选择合理的知识表示方式和推理方式;

    ü  定义煤矿安全动态诊断专家知识库的概念数据模型和逻辑数据结构;

    ü  根据煤矿安全知识规则体系,建立煤矿安全评估和推理的专家知识库;

    ü  研究开发元数据库管理系统,实现专家知识库中评估打分知识结构、打分策略以及安全推理知识体系的定义、描述、管理维护;

    ü  研究开发知识库库管理系统,实现知识的增加、删除、更新、查找,以及正确性、歧义性、冗余性、包含性检查;

    ü  设计开发知识库的推理机和解释机,实现安全知识的推理以及解释。

    (3)建设三维虚拟矿井可视化平台

           针对信息和知识三维虚拟矿井可视化展示的目标,主要的建设内容是基于高精度地质模型理论研究开发三维虚拟矿井平台,实现地层建模、钻孔建模、断层建模、工作面建模和巷道建模等工作。然后,基于三维虚拟矿井平台,实现数据和知识可视化、煤矿安全生产活动可视化、诊断和决策过程可视化。

           主要建设工作包括:

    ü  基于高精度地质模型理论研究开发三维虚拟矿井可视化平台,支持煤层三维可视化、钻孔/断层/巷道建模、三维漫游、地质剖切;

    ü  在虚拟矿井平台下接入各类在线监测数据及综合自动化系统的各类设备,实现三维可视化展示、信息查询、管理等功能;

    ü  支持危险源三维预警分析、重大事故避灾路线分析等功能;

    ü  基于C/S模式和B/S模式实现局域网或互联网三维虚拟场景发布。

    (4)研发煤矿安全动态诊断系统

           针对基于专家知识库的煤矿安全诊断的目标,需要利用煤矿安全综合数据库中的基础数据、实时监测数据、以及事务性数据,根据煤矿安全动态诊断专家知识库进行评估、推理和演绎,分析煤矿安全生产现状与趋势、预测未来,并针对煤矿应急现象做出科学合理的响应对策。主要建设内容包括:

    ü  煤矿安全状况评估打分系统(诊):根据综合数据库中在线收集的状态数据,应用安全评估专家知识库,对矿井或特定煤矿安全生产活动进行安全状况打分评估,反映煤矿安全现势和近期的状况;

    ü  煤矿安全问题推理解释系统(断):针对状况评估打分的结果,基于专家知识库对发现的问题进行分析和解释,给出原因及处理措施;

    ü  诊断任务配置与管理系统:对用户提交的诊断任务进行配置和管理,制定用户诊断内容、诊断范围时间计划等。


    1 煤矿安全动态诊断系统可视化项目建设内容

     

    2.   系统特点

    l  数据集成:基于物联网/云计算技术构建煤矿安全综合数据库,综合集成煤矿生产调度、采掘机运通、地测等专业的业务信息和在线监测信息,实现海量数据实时监控和计算。

    l  知识集成:基于煤矿安全专业规程规范的知识集成,基于专家系统构建煤矿安全动态诊断专家知识库和元知识库。

    l  可视化平台:基于高精度地质模型理论,构建三维虚拟矿井平台,对信息和知识进行可视化展示。

    l  诊断与决策:基于AI技术、专家知识库和元知识库,构建煤矿安全动态诊断与决策系统,实现安全生产动态诊断和分析决策。

    l  整合现代管理技术,通过动态诊断系统实现煤矿安全生产的日常性风险预控和即时风险管控。

    l  安全状态的可度量化、指标化。

    l  数据在线化,安全评估即时化。

    l  真实直观的三维虚拟可视化。

    l  使用傻瓜化,内核智能化。

    3.   系统总体架构

           煤矿安全动态诊断系统,向各类用户提供三维虚拟矿井平台访问、在线和业务管理数据接入与查询展示、煤矿安全状况评估打分、煤矿安全问题推理分析、以及诊断任务管理配置五大功能,具体功能结构如图2所示。


    2煤矿安全动态诊断系统的功能结构图

           煤矿安全动态诊断系统从逻辑上分为前端表现层、中间应用逻辑层和后台数据源层。其中,前端表现层是客户端应用程序——煤矿安全动态诊断系统,中间应用逻辑层包括一系列功能组件,后端数据源层包括综合数据库和煤矿安全专家知识库以及数据访问层。煤矿安全动态诊断系统的三层体系结构如图3所示。

           数据源层,对数据、知识、元数据、算法模型等信息进行存储、组织和管理,并对外通过数据访问层提供一致高效的数据访问服务。

           中间的应用逻辑层,调用数据访问层提供的数据服务进行复杂的业务逻辑处理,如煤矿安全状况评估计算、安全规则的逻辑推理等,并将这些业务逻辑处理功能封装成一系列的组件,包括三维虚拟环境集成组件、数据接入&查询组件、统一数据访问组件、统一知识访问组件、安全状况评估组件、规则推理组件等等,对外部表现层提供功能组件服务。

           前端表现层,则基于应用逻辑层的组件,搭建客户端的应用程序。如通过角色权限验证组件、三维虚拟环境集成组件、数据接入&查询组件、安全状况评估组件、规则推理组件等搭建出针对普通用户的煤矿安全卫士,用于日常的煤矿安全状况诊断和推理分析。又如,通过角色权限管理组件、元数据管理组件、统一知识管理组件搭建出针对系统管理员的系统管理&维护系统。


    3 煤矿安全动态诊断系统的三层体系架构

           此外的三个前端用户应用系统,煤矿安全综合管理系统用于管理维护煤矿安全综合数据库中的诊断对象及其状态(在线监测数据库、三违行为数据库、隐患数据库);煤矿安全知识管理系统用于管理和维护煤矿安全知识库中的诊断知识规则和评估模型;煤矿安全诊断系统用于表现诊断结果,并提供一系列面向诊断分析决策的辅助工具。

           两个数据库、三个前端用户应用系统、一个云计算平台构成的田陈煤矿安全动态诊断系统的总体框架结构参见图4。

           根据三层体系结构,田陈煤矿安全动态诊断系统需要建立两个数据库三个前端用户应用系统一个云计算平台。其中,两个数据库分别是煤矿安全综合数据库和煤矿安全知识库。煤矿安全综合数据库,管理和维护田陈煤矿各类诊断对象的内容和状态,煤矿安全知识库则管理和维护诊断的知识和规则。


    4 田陈煤矿安全动态诊断系统的总体开发框架

     

    4.   关键技术

    1. 综合数据集成的技术方法和路线

           煤矿安全综合数据库,基于物联网和云计算技术实现基础数据、在线监测的实时性数据、专业业务系统的事务性数据的综合集成。其中,网络结构集成技术和方法,参见图5。


    图5煤矿安全动态诊断系统的网络集成结构

           数据集成采用数据仓库方法来构造煤矿安全综合数据库,需要制定制定元数据标准和煤矿信息资源目录体系、构建海量空间数据仓库。集成数据处理平台分为三大部分,总体框架参见图6。

     

    图6集成数据处理平台的总体框架

    2. 知识集成的技术方法和路线

           首先,从安全工作的性质和安全主题两个维度展开,建立煤矿安全领域的知识规则体系,参见图7。


    图7 煤矿安全安全领域知识规则的分类体系

           其次,确定煤矿安全专家知识库中知识的表示方法。常用表示方法包括逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网表示 法、本体表示法。对于煤矿安全领域知识的特点,我们采用产生式和框架表示法相结合的方法。然后,针对该表示方法,设计规则知识存储的数据模型和数据结构。

           最后,设计开发专家知识库中知识更新和管理的软件系统。

    3. 三维虚拟矿井可视化平台的技术方法和路线

           基于高精度地质模型理论实现矿井安全生产环境的三维建模,包括地层建模、钻孔建模、断层建模、工作面建模、巷道建模、三维漫游查看、地质剖切等功能。然后,基于三维虚拟矿井平台这个宿主,实现数据接入及其可视化、知识可视化、核心的煤矿安全动态诊断、决策分析的可视化。

    4. 煤矿安全动态诊断与决策系统的技术方法和路线

           从诊和断两个方面出发,基于智能化和人性化的思路,煤矿安全诊断与决策系统主要包括:煤矿安全状况动态诊断系统和决策分析系统、以及对诊断和决策活动进行管理的配置管理系统。

    5.   系统主要功能及效果展示


    图8 煤矿综合安全状况评估打分系统

     

    图9  煤矿安全生产整体诊断

     

    图10 部门薄弱环节分析


    S

    解决方案

    OLUTION