矿山安全风险智能监测预警系统研究

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邮电设计技术/2024/11 —————————— 收稿日期：2024-10-09 0 引言 矿山行业作为工业的重要组成部分，在我国工业 中占据着重要地位。但同时其具有生产环境复杂、作 业场景多样等特点，属于特殊高危行业 ［1-2］。为保障工 业稳定发展和矿山安全生产，2023年 9月，中共中央办 公厅、国务院办公厅下发的《关于进一步加强矿山安 全生产工作的意见》，指出提高科技创新支撑能力，强 化矿山安全科技支撑体系建设；健全矿山安全管理体 系，严格开展风险辨识评估并实施分级管控，提升风 险监测预警处置能力；加强矿山多灾种和灾害链综合 监测、风险早期识别和预警预报能力建设。 各地方矿山监管部门需持续增强监测预警能力。 当前监管部门的监督管理工作存在诸多问题，如难以 关键词： 矿山安全；人工智能；监测预警；矿山监管部门 doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.11.005 文章编号：1007-3043（2024）11-0025-06 中图分类号：TN915.1 文献标识码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 摘 要： 近年来矿山安全问题频发，各地政府部门高度重视对矿山的安全监管。通过分 析当前矿山安全监管现状，梳理了矿山安全监管监察数字化转型存在的问题。 结合人工智能、大数据等新一代技术，提出了关于矿山监管部门的矿山安全风 险智能监测预警系统。介绍了安全风险一张图、视频智能检测、风险智能识别、 风险闭环管理及应急通信调度等系统功能，阐述了视频智能分析平台和大数据 分析平台等系统功能的实现基础，为提高矿山安全监管执法水平、推进智能化 矿山建设、保障矿山安全生产提供参考。 Abstract： In recent years，safety problems in mines have occurred frequently，and local government departments have increased their safety supervision and management of mines. It analyzes the current situation of mine safety supervision and management， sorts out the problems existing in the digital transformation of mine safety supervision and inspection. Combined with artificial intelligence，big data and other new generation technologies，it puts forward an intelligent monitoring and early warning system for mine safety risks in mining supervision departments. It introduces the functions of safety risk one map，video intelligent detection，risk intelligent identification，risk closed-loop management and emergency communication dispatch，and expounds the implementation basis of video intelligent analysis platform and big data analysis platform，providing reference for improving the level of mine safety supervision and enforcement，promoting intelligent mining construction，and ensuring safe mining production. Keywords： Mine safety；Artificial intelligence；Monitoring and early warning；Mine safety supervision department 矿山安全风险智能监测 预警系统研究 Research on Intelligent Monitoring and Early Warning System for Mine Safety Risks 王竑达 1，司书国 2，王 淼 2，张博文 1，于倩倩 3（1. 中国联合网络通信集团有限公司，北京 100033；2. 中国联通山东分公司， 山东 济南 250001；3. 联通数字科技有限公司，北京 100033） Wang Hongda1，Si Shuguo2，Wang Miao2，Zhang Bowen1，Yu Qianqian3（1. China United Network Communications Group Co.，Ltd.， Beijing 100033，China；2. China Unicom Shandong Branch，Jinan 250001，China；3. China Unicom Digital Technology Co.，Ltd.，Beijing 100033） 王竑达，司书国，王 淼，张博文，于倩倩 矿山安全风险智能监测预警系统研究 本期专题 Monthly Topic 引用格式：王竑达，司书国，王淼，等. 矿山安全风险智能监测预警系统研究［J］. 邮电设计技术，2024（11）：25-30. 25 2024/11/DTPT 发现矿企潜在风险并及时预警；监管监察工作依旧依 靠现场检查方式，时效性低且难以全面覆盖；矿山生 产全过程监控和风险管理尚未形成完整闭环；政府与 企业应急互动渠道未打通，应急响应速度待提高 等 ［3-4］。 为解决上述问题，本文基于大数据、人工智能等 新一代信息技术，围绕当前矿山监察监管存在的瓶颈 问题，梳理了其数字化转型需求，并针对性地提出了 一套面向监管部门的矿山安全风险智能监测预警系 统，设计了满足对区域范围内矿山企业监测预警的系 统功能，阐述了支撑系统功能实现的视频智能分析平 台和大数据分析平台。本文为有效提升矿山监管部 门执法效果，保障矿山有序安全稳定生产提供了一定 参考价值 ［5-7］。 1 矿山安全监管现状及数字化转型分析 1.1 矿山安全监管现状分析 随着智能化矿山建设的推进，传统监管方式逐渐 难以满足对矿山安全监管监察的需求，主要存在风险 难发现、监管不全面、全过程监控和风险管理未闭环 等问题 ［8-9］，难以发现矿企潜在风险并及时预警。矿山 企业在生产过程中，存在矿区地质风险、设备老化、操 作不规范、安全培训不足等问题，预警机制的缺失或 不完善会导致无法及时识别并处理潜在风险。 监管监察工作依旧依靠现场检查方式。现场检 查是监管监察的传统工作方式，可以用最直接的方式 对现场进行监管，但由于监管机构的人力资源和工作 时间的限制，监察频率较低，无法对所有矿区进行全 面、持续的监管。 矿山生产全过程监控和风险管理尚未形成完整 闭环。由于缺少针对生产全流程闭环的监察和风险 管理系统，风险监测和管理存在潜在断点，会导致风 险评估不准确，无法及时采取防范和应对措施。 政府与企业应急互动渠道未打通。当矿山生产 作业发生紧急情况时，当前的监管方式缺乏有效的应 急协调沟通方式，政府和企业之间的沟通不畅，导致 在紧急情况下无法快速、有效地采取行动，延误救援 和应急响应。 1.2 矿山安全监管数字化转型分析 针对现有矿山监管存在的监管监察方式单一、矿 山安全监管未闭环、应急互动渠道未打通等问题，为 推动矿山安全监管数字化升级，矿山安全监管需要在 监测预警能力、监管监察方式、风险及应急管理等方 面加以优化。 a）增强监测预警能力。运用“视频智能分析”技 术及时发现人员违规、设备异常等风险隐患，弥补人 工视频巡查的不足；并运用“大数据”技术实时分析各 矿企的监测数据，识别“明停暗开”等隐蔽风险。 b）提升监管监察效能。推动矿山安全监管监察 模式向远程化、可视化以及“互联网+监管”方式转变， 解决人工现场巡查不及时、特殊场所监管不到位的问 题 ［10］。 c）风险全链条闭环管理。实现“发现问题、督促 整改、反馈结果”的全链条监督管理，让风险从看得清 到能处置，从能处置到全流程追踪，提高矿山安全监 管监察的效率。 d）应急事件政企联动。打通政府与企业的应急 互动渠道，基于矿企调度室的高清摄像头和音视频通 信软件，实现安全监管监察部门与矿企的风险事故信 息实时共享、应急事件实时视频会商。 2 矿山安全风险智能监测预警系统概述 矿山安全风险智能监测预警系统是中国联通为 满足矿山监管部门监察管理需求建设的自研产品，充 分利用了新一代信息技术，实现煤矿及重点非煤矿山 关键地点、重点部位重大安全风险的实时识别、监测 和精准研判，提高矿山安全监管监察执法效能。 2.1 系统总体目标 系统总体要解决风险发现难、现场巡查难、过程 追踪难、应急沟通难等难题。矿山安全风险智能监测 预警系统实现了风险智能发现，该功能依托视频 AI智 能识别和大数据分析技术，可实时监控区域范围内的 违规违法行为，解决了风险发现难、不及时等问题；实 现了安全远程巡查，解决了现场巡查难、人力不足的 问题；实现了应急视频会商，打通了跨部门、单位的应 急通信渠道，加快应急处置响应速度并进行精准救 援。 2.2 系统定位 系统运用大数据、AI 视频识别技术，通过对企业 视频监控系统、环境监测系统、智能用电设备及人员 系统的数据分析、预警，全时空监测企业“人、机、环、 管”四要素的安全风险，实现“发现问题、督促整改、反 馈结果”的全链条监督闭环管理，促进监管监察部门 安全监管模式的创新，提高矿山安全监管监察水平 王竑达，司书国，王 淼，张博文，于倩倩 矿山安全风险智能监测预警系统研究 本期专题 Monthly Topic 26 邮电设计技术/2024/11 （见图1）。 2.3 系统总体架构 系统根据矿山监管部门的监管需求进行建设，其 中系统功能部分为监管部门提供服务。视频智能分 析平台和大数据分析平台作为系统功能实现的基础， 其部分基础能力可开放给矿山企业，以满足矿山企业 风险防控和监管部门监测的需求 ［11-12］。 系统功能支持以大屏、PC端、移动端的方式呈现， 其中，大屏和 PC 端系统采用 B/S 结构，移动端采用 C/S 结构。在具体部署方面，对于系统功能和基础能力， 监管部门通常采用云架构技术进行部署；对于部分开 放给矿山企业的基础能力，企业通常采用算力服务器 或算力盒子的形式进行部署。 具体地，视频智能分析平台的源数据来自重点场 所和点位的视频监控，该平台通过 AI算法和相应的系 统功能，实现对潜在风险的识别和评估。大数据分析 平台的源数据主要来自视频智能分析平台和其他业 务系统，该平台可完成数据的采集、处理和分析等工 作。矿山安全风险智能监测预警系统依托上述 2个平 台实现其功能，并同步至系统呈现部分，直观地展示 数据（见图2）。 3 矿山安全风险智能监测预警系统功能研究 系统功能位于总体架构功能实现的上层，是政府 图1 矿山安全风险监测预警系统定位示意 图2 矿山安全风险监测预警系统架构 重要设备用 电监测系统 其他业务 系统 …… 斜井口 井下人员精 准定位系统 重点场所和重点 点位视频监控 副井口 数据源 主井口 环境安全 监测系统 …… 视频智能分析平台 大数据分析平台 能力基础 矿山安全风险智能 监测预警系统 安全风险 一张图 风险智能 检测识别 风险管理 协调 监测预警一张图 风险态势一张图 安全指数一张图 视频智能检测 风险智能识别 风险闭环管理 应急通信调度 系统功能 呈现方式 大屏 PC端 移动端 视频监 控系统 环境监 测系统 智能用 电系统 人员定 位系统 …… 人员定 位系统 智能用 电系统 安全监 测系统 风险智能 分析系统 …… 数据汇聚 与传输 企业端系统 视频智能分析 大数据分析 风险智能 识别 风险闭环 管理 应急通信 调度 视频智能 监测 安全风险 一张图 矿山安全风险智能监测预警系统 监管侧 企业侧 王竑达，司书国，王 淼，张博文，于倩倩 矿山安全风险智能监测预警系统研究 本期专题 Monthly Topic 27 2024/11/DTPT 监管侧预期实现的主要功能。国家有关矿山监管部 门对安全风险的监察有具体要求，系统功能设计依据 行业标准和政策规定。系统功能建立在底层对基础 数据信息的分析识别和分析能力之上，并面向矿山监 管部门的监测预警需求进行规划。 3.1 整体功能布局规划 根据《“十四五”国家应急体系规划》《“十四五”矿 山安全生产规划》《中共中央办公厅 国务院办公厅关 于进一步加强矿山安全生产工作的意见》等国家矿山 安全监管相关指示，系统功能主要包括安全风险一张 图、风险智能检测识别、风险管理协调 3 个部分，涉及 《煤矿及重点非煤矿山重大灾害风险防控建设工作总 体方案》（矿安〔2022〕128号）文件的建设任务要求。 安全风险一张图包括监测预警一张图、安全态势 一张图、安全指数一张图 3个部分；风险智能监测识别 功能包括视频智能监测和风险智能识别 2 个部分；风 险管理协调功能包括风险闭环管理和应急通信调度 2 个部分（见图3）。 3.2 安全风险一张图模块分析 矿山监管部门通过多种系统呈现方式对矿山企 业生产作业现场和经营信息进行监管，安全风险一张 图全面展示了对矿山安全风险的监管数据，为监管人 员提供及时可靠的决策支撑。 监测预警一张图通过接入企业视频数据、感知数 据，综合运用人工智能、大数据等技术手段，实现对 “人、物、环境”等风险因素的实时监测预警。安全态 势一张图通过建立安全管理分析模型，对矿山内部开 展专项风险分析、对矿山生产系统开展整体风险分 析、对区域矿山开展风险分析以及监管力量分析。安 全指数一张图平台通过接入矿山监测预警数据、对接 监管部门现有信息化平台矿山数据和企业补充填报 的有关数据，实现各类矿山安全生产数据的汇聚。 3.3 风险智能监测识别功能研究 3.3.1 视频智能监测 按照《煤矿及重点非煤矿山重大灾害风险防控建 设工作总体方案》（矿安〔2022〕128 号）文件要求，系统 智能识别算法覆盖主井口、副井口、配电柜等 11 个矿 山关键地点、重要部位的应用场景。系统基于 AI视频 智能分析平台，实现对矿企关键地点、重点部位的重 大风险的实时监测、及时识别。 图3 矿山安全风险智能监测预警系统功能整体规划 风险处置进度管理 风险闭环 管理 应急通信 调度 风险预警信息 预警分级配置 告警类型管理 部门接入情况一览 参会成员信息分析 个性化视频会议展示 …… …… 风险管理协调 重 点 场 景 视 频 监 测 值 班 空 岗 识 别 皮 带 运 行 状 态 识 别 皮 带 跑 偏 识 别 风 门 启 停 监 测 危险 区域 违规 闯入 监测 …… 人 员 违 规 分 析 超 定 员 智 能 分 析 超强度 （关停） 生产分 析研判 …… 风 险 智 能 识 别 视 频 智 能 监 测 风险智能监测识别 多层级实时监管 风险高发分析 （类型、区域、重点矿山、部位） 监 测 预 警 一 张 图 安 全 态 势 一 张 图 安 全 指 数 一 张 图 监测点位状态监测 预警信息分级分类 预警信息分级推送报警 风险整治概况 风险趋势分析 风险高发区域分析 区域安全评估 安全指数分析 地区安全等级展示 安全态势分析 …… …… …… 安全风险一张图 王竑达，司书国，王 淼，张博文，于倩倩 矿山安全风险智能监测预警系统研究 本期专题 Monthly Topic 28 邮电设计技术/2024/11 当前系统智能监测可覆盖井上井下 11 个应用场 景，可识别平均准确率超过 90%。系统可对值班空岗 识别、安全帽及工作服穿戴识别、提升机危险区域违 规闯入、人员乘坐皮带识别、皮带运行状态识别、皮带 跑偏识别、风门开启识别、配电室长期无人巡检、巡检 人员超长期停留、皮带危险区人员违规闯入、人车同 行违规行为等场景的视频进行智能分析（见图 4），为 生产工作的有序推进提供安全保障 ［13-14］。 系统整合了矿山关键点位的视频监控画面，为监 管部门提供了视频巡查、违规行为一键抓拍上报功 能。当监管人员发现风险问题后，可通过视频截图、 批注问题来上报风险信息，实现风险排查方式由现场 排查向远程巡查的转变。 3.3.2 风险智能识别 a）人员违规分析。系统运用人员定位设备异常 告警、视频 AI识别、大数据关联分析等方法，对井下作 业人员进行实时精确定位，及时识别并告警井下人员 进入危险区域、作业面超定员数量等人员违规行为。 b）超定员智能分析。矿山监管部门对于非煤矿 山重点区域施工操作人员有明确的限制规定，要求进 出人员异常报警、授权人员身份识别、进入时间记录 等。本模块通过人脸智能识别技术，抓拍实时画面并 记录留档，实现下井人员告警分析等功能。 c）超强度（关停）生产分析研判。通过在变电站、 主运输、主通风、主排水、主副提升等重要设备上加装 智能用电融合终端，实时监测矿山重要设备的电流、 电压、负载等主要数据变化；在采煤机、胶带（刮板）输 送机、液压支架上加装智能摄像头，监控相关数据并 分析其生产状态，以实现对生产状态异常、超强度生 产的报警，并生成违章证据。 3.4 风险管理协调功能研究 3.4.1 风险闭环管理 针对发现的风险隐患，系统自动生成告警处置工 单，将区域矿山企业风险预警信息可视化，按照标准 对预警进行等级配置和处置时限配置，并设定告警类 型进行管理，实现风险看得见、风险能处置、超期能告 警、流程可追踪的风险闭环管理新模式，全程跟踪风 险隐患处置情况，进一步提高安全风险防控水平。 3.4.2 应急通信调度 系统基于矿山调度室安装高清摄像头图像智能 分析和音视频通信软件，实时监控调度室值班人员是 否空岗、睡岗。当有突发事件或事故应急处置时，系 统联动各级矿山安全监管监察部门与矿企进行视频 会商，提升应急处置响应效率。 4 系统功能实现基础 系统功能的实现涉及视频信息的智能处理，风险 的及时识别并研判，以及多源、多场景数据的采集、治 理、分析处理等工作。位于系统总体架构底层的视频 智能分析平台和大数据分析平台，满足了对数据处理 和智能识别潜在风险的需求，保证了风险智能监测预 警的准确性和时效性 ［15］。 4.1 视频智能分析平台 系统为矿山监管部门构建视频智