中国矿业大学李爽教授：煤矿安全风险隐患综合一体化智能防控关键技术与装备

煤炭在我国能源消费占比中始终保持主导地位，在实现“双碳”目标、构建国家新型能源体系中，将长期担负着能源稳定“压舱石”和结构调节作用，是关乎我国可持续发展的重要支撑。随着煤矿智能化建设的推进，一系列智能装备的成功研制与应用改变了煤矿生产与安全防控模式，由割裂式安全防控转变为嵌入式协同防控成为行业发展的必然趋势。如何创新煤矿安全风险隐患排查新模式和新技术，构建适应智能化生产方式的安全管控新机制成为当前行业发展的共性问题和主要现实需求。

陕西陕煤黄陵矿业有限公司（简称黄陵矿业）与中国矿业大学李爽教授团队等开展联合攻关，构建了煤矿安全风险隐患综合一体化智能防控机制，并完成了系列核心技术创新及示范性成果的转化与工程应用。该成果的实践应用，大幅节省了矿井安全治理费用，煤矿安全保障水平明显提高，增强了员工获得感、幸福感、安全感，助力煤矿企业实现高质量发展与高安全水平。

 

文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊

第一作者：李爽，教授，安全科学与工程、管理科学与工程双一级学科博士生导师，现任中国矿业大学安全科学与应急管理研究院院长、北京能源资源战略发展研究院副院长

通讯作者：王鹏飞，正高级工程师，现任陕西陕煤黄陵矿业有限公司董事长

作者单位：中国矿业大学；陕西陕煤黄陵矿业有限公司

引用格式：李爽，王鹏飞，程德强，等.煤矿安全风险隐患综合一体化智能防控 关键技术与装备[J].智能矿山，2024，5（3）：26-31.

 

研究内容

 

为破解制约煤矿安全生产的瓶颈和技术问题，提升煤矿安全管理一体化、系统化、风险管控智能化水平。笔者开展了煤矿安全风险隐患综合一体化智能防控关键技术与装备研究，包括以下3方面研究内容。

 

岗位风险一体化防控工作机制与标准体系数据库

 

针对煤矿人员岗位风险管理长期存在“零敲碎打”问题的现实需求，笔者编制了基于安全风险隐患双重预防的人员岗位安全风险智能防控工作机制（图1），面向煤矿智能安全管理场景建立了一体化智能防控工作执行标准，构建了包含岗位作业流程标准化、安全风险、隐患认定、安全生产责任等要素组成的标准体系数据库，实现了标准化智能安全管理下的人员岗位风险综合一体化防控（图2）。

 

图1　煤矿人员岗位安全风险智能防控工作机制

 

图2　煤矿智能化安全管理标准体系数据库界面

 

基于井下视频分析的风险隐患精准识别关键技术

 

针对煤矿特殊环境下巡检视频质量低、计算量大的难题，笔者提出了基于GoP帧结构的视频质量评价方法，建立了视频质量精准高效评价机制与模型（图3）。研发了基于显著性多特征融合的移动巡检视频质量修正技术，实现了煤矿井下复杂环境的移动视频图像质量评价与修正。研发了面向移动视频图像的煤矿安全风险隐患精准识别技术，实现风险隐患识别的“三提高”，即高速度、高精准度、高可靠性。

 

图3　视频质量精准高效评价机制与模型

 

安全风险隐患一体化智能防控系统平台与关键装备

 

针对煤矿安全风险隐患数据割裂、条块化和难共享的痛点，笔者提出了多源异构大数据融合体系，建立了煤矿“人、机、物、环、管”的五维数据和安全风险隐患数据的通信协议转换及统一的数据格式。构建了煤矿数据融合统一的安全综合数据中心（图4），实现了面向煤矿安全的集成平台、统一数据和共享智能。

 

图4　矿井安全生产综合数据中心

 

基于上述成果，笔者创新开发并建设实践了煤矿安全风险综合一体化智能防控系统平台（简称智能防控系统平台，图5），发明了井下便携式风险隐患防控智能终端（图6），实现了煤矿安全风险隐患的共享化分析、一体化防控、智能化决策和闭环化处置。

 

图5　煤矿安全风险综合一体化智能防控平台界面

 

图6　井下便携式风险综合防控智能终端

 

关键技术突破与创新

 

笔者研究成果针对煤矿企业的痛点难点问题，形成了以下3点创新：

（1）针对“想不到”的问题

实现了以岗位为基础，融合流程标准、风险隐患、安全责任、操作内控、监测识别、违章案例“六大要素”，构建了面向安全风险隐患综合一体化防控的数据库，实现了风险隐患超前防控的“四化”，即一体化、标准化、综合化、智能化，形成AI赋能下的可复制、可推广的风险隐患一体化管控新机制。

（2）针对“办不到”的问题

立足视频AI监控和移动智能巡检装备，笔者提出了适用于煤矿特殊环境的移动巡检视频质量修正方法，创新了基于视频图像的岗位风险隐患智能识别算法，实现了风险隐患识别的“三提高”，即速度提高、精准度高、可靠性高，形成融合多种AI手段的风险隐患精准监测识别新方法。

（3）针对“干不好”的问题

融合了各维度的安全风险隐患数据，构建了安全数据共享的数据中心，集成了多项创新成果和关键装备，创新开发了安全风险隐患综合一体化防控大平台，实现了风险隐患管控落地的“三实”，即数据实、算法实、决策实，形成了在大平台、统一数据基础上的风险隐患智能管控新模式。

 

难题攻克与解决方案

 

在解决煤矿人员岗位风险管理问题方面，笔者提出了基于安全风险隐患双重预防的人员岗位安全风险智能防控工作机制，建立了煤矿智能化场景下的安全管理工作执行标准，构建了标准体系数据库，实现了标准化智能安全管理下的人员岗位风险综合一体化防控。针对矿井工作人员不规范行为带来的安全隐患，提出了面向员工不安全行为风险防控的煤矿安全管理智能评价预警方法，开发了基于人员

岗位监测信息的风险智能预警技术，提高了人员岗位风险信息采集可靠度与及时性。实现了基于人员岗位监测信息的安全风险智能预警与防控（图7），风险预警准确率≥95%，隐患识别准确率≥90%。

 

图7　人员岗位风险智能评价预警

 

针对煤矿复杂摄像环境下的视频图像不清晰、失真的问题，笔者开发了基于显著性多特征融合的移动巡检视频质量修正方法，充分考虑人眼视觉显著性，实现了对移动巡检视频进行有效的质量评价和修正（图8）；智能防控系统平台还集成了视频质量评价方法和移动巡检视频质量修正方法，研发了面向移动目标视频图像的煤矿安全风险智能识别与综合评价技术（图9），实现了移动巡检视域内安全风险的智能评价预警。

 

图8　移动巡检视频质量修正模型与效果

 

图9　煤矿井下安全风险隐患智能识别

 

针对煤矿单系统、单功能信息采集与存储存在的离散化特点，笔者提出了多源异构大数据融合体系，构建了海量煤矿数据统一的矿井安全生产综合数据中心，解决了矿井安全生产大数据的采集与融合难题。此外，笔者还开发应用了井下便携式风险综合防控智能终端，创新集成了面向标准化智能安全管理的煤矿安全风险隐患综合一体化智能防控平台，实现了矿井安全多信息实时采集分析与数据集成共享，安全风隐患智能识别及评价预警，人员岗位风险一体化智能防控，以及全流程智能辅助决策分析，保障了煤矿智能化安全开采。

 

应用效果与推广前景

 

应用情况

 

智能防控系统平台与装备的实践应用丰富和发展了针对煤矿安全风险与隐患的综合一体化智能防控理论，在相关理论与技术方面均取得重大突破。该成果经中国煤炭工业协会组织鉴定总体达到国际领先水平，并获得2023年中国煤炭工业科技进步一等奖。智能防控系统平台与装备首先在黄陵矿业成功应用，安全风险预警能力大幅提高，隐患排查治理智能化水平明显增强，人员岗位安全风险评估准确率达到95%，安全治理停产时间显著减少。面向井下巡检视频监控的煤矿安全风险智能识别和评价预警关键技术首先在黄陵矿业一号煤矿成功应用，达到了安全监控视频质量精准高效评价，以及对移动巡检视频质量准确修正的研究目标，成功实现了移动巡检视域内安全风险的智能评价预警，基于视频图像的智能安全预警水平明显提升，安全效益显著。

煤矿智能风险防控系统、灾害综合防治系统平台和井下便携式风险综合防控智能终端首先在黄陵矿业二号煤矿进行了推广应用，实现了矿井安全多信息实时采集与数据集成共享、人员岗位风险一体化智能防控，以及全流程智能辅助决策分析，实现了风险识别预警与排查治理隐患能力的大幅增强，风险预警准确率≥95%。

煤矿人员岗位安全风险智能预警与防控机制和人员岗位风险智能防控关键技术在陕西陕煤曹家滩矿业有限公司成功应用，实现了岗位作业流程标准化、安全风险、隐患认定、安全生产责任等标准化智能安全管理下的人员岗位风险综合一体化防控，所开发的基于人员岗位监测信息的风险智能预警技术安全效益突出。

 

社会效益

 

（1）提高煤矿安全保障水平，增强员工获得感、幸福感、安全感

智能防控系统平台与装备的成功应用，大幅减少了煤矿安全风险隐患的发生频次，提高了各类风险因素的防控水平，降低了煤矿从业人员的作业风险。该系统平台将安全保障有机地嵌入煤矿生产中，在保障安全的同时增加了煤矿企业的整体效益，助力企业安全文化建设，提高员工经济收入和归属感，大幅增强了员工获得感、幸福感、安全感，促进行业和谐发展。

（2）实现现有信息系统的集成平台建设，提升了煤矿安全生产效率

通过智能防控系统平台建设，对黄陵矿业下属的全部4对矿井的数十类子系统进行集成，实现不同系统、不同模块数据之间互联互通，逐步消除了信息孤岛。该系统还实现了已有风险数据库、岗位流程管理标准的数字化管理，并新建了隐患标准、“三违”行为标准、安全履职考核标准等数据库，通过整体性系统协同和管理，实现了各个标准数据库之间的关联应用。智能防控系统平台还实现了数据采集交换标准化及安全管控信息的有效共享，消除了信息孤岛和“各自为政”，提升了煤矿安全生产效率。

（3）改善煤炭行业刻板印象，促进行业转型升级和高质量发展

从根本上改变了煤炭行业“技术落后，安全保障不足”的行业刻板印象。随着智能防控系统平台和装备的成功应用，通过智能化手段实现了现有煤矿生产管理模式和管理理念的重大变革，大幅降低了煤矿人员安全风险，提高了煤矿人员安全保障程度，促进了行业转型升级和高质量发展。

（4）实现了安全智能协同、可视化展示和移动化办公，助力行业高质量发展

智能防控系统平台和装备基于统一架构、统一标准、统一认证和统一运维体系，实现了煤矿生产与安全相关的各业务模块化协同处理。对于平台生产的数据结果，依托数字化的矿井客体进行展现，实现了全矿井安全要素的可视化展现。各级管理层人员可随时随地接收、获取、访问安全生产信息，全面了解矿井安全管控状况，管控工作能够深入一线工作现场，实现“移动化”办公，有效助力了行业高质量发展。

 

结语

 

智能防控系统平台和装备创新集成了基于视频图像分析的煤矿安全风险智能识别和评价预警技术、人员岗位风险智能预警技术、煤矿智能安全标准体系数据库和矿井安全生产综合数据中心，研发了煤矿智能风险防控系统与灾害综合防治平台，开发了井下便携式风险综合防控智能终端，构建了煤矿安全风险隐患综合一体化智能防控关键技术体系。该成果在全国30余座矿井得到推广应用，近3年实现节省安全费用11100余万元，提升了煤炭企业的智能安全管理效率和安全水平，改善了安全绩效，具有较大的经济价值和广阔的市场推广应用前景，为我国煤炭产业高质量发展提供了有力保障。

 

来源：智能矿山杂志