区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究.pdf

工矿自动化 Ind ustry and Mi ne Auto mati o n 第46卷第7期 2020年7月 Vo l. 46 No . 7 Jul. 2020 文章编号1671-251X202007-0057-07DOI10. 13272/j. i ssn. 1671-251x. 17611 区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究 李明建1,赵旭生1,谈国文1,宋志强1,廖成1 “.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室％重庆400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037 扫码移动阅读 摘要以各级煤矿安全监管监察部门、矿业集团公司对辖区内所有煤矿瓦斯灾害风险宏观预警为出发 点，指出区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据具有多源、异构、海量、多维等特征，数据采集存在信息不全面 及模式单一、维度固化等问题；将区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据分为区域内矿井自然环境风险数据、 区域内矿井生产系统风险数据、区域内矿井瓦斯防治风险数据、宏观安全环境风险数据4类；介绍了具有结 构化特征的煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数据、具有半结构化特征的监管监察执法检查数据、具有非结构化 特征的煤矿音视频监控数据的采集技术，重点研究了基于.NET Co e跨平台Web API的煤矿安全监控及 瓦斯灾害预警数据采集技术，以及基于主题网络爬虫的宏观安全环境风险数据采集技术；设计了适用于互联 环境 区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集 明 全面、 、及 采集区域 煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据％ 关键词区域煤矿；瓦斯灾害风险预警；数据采集；跨平台Web API；主题网络爬虫 中图分类号TD713 文献标志码A Researc h o n gas d i saster ri sk early warni ng d ata c o llec ti o n tec h no lo gy fo r regi o nal c o al mi nes LI Mi ngji an12 , ZHAO Xush eng12 , TAN Guo wen12 , SONG Zh i qi ang12 , LIAO Ch eng12 1. State Key Labo rato ry o f th e Gas Di saster Detec ti ng, Preventi ng and Emergenc y Co ntro lli ng, Ch o ngqi ng 400037, Ch i na; 2. CCTEG Ch o ngqi ng Researc h Insti tute, Ch o ngqi ng 400037, Ch i na Abstract Tak i ng gas d i saster ri sk mac ro early warni ng o f all c o al mi nes wi th i n th e juri sd i c ti o n o f all levels o f c o al mi ne safety supervi si o n d epartments and mi ni ng gro up c o mpani es, i t i s po i nted o ut th at th e basi c d ata o f regi o nal c o al mi ne gas d i saster ri sk pred i c ti o n h as th e c h arac teri sti c s o f multi -so urc e, h etero geneo us, massi ve, multi -d i mensi o nal , etc . , and th ere are so me pro blems i n d ata c o llec ti o n, suc h as i nc o mplete i nfo rmati o n c o llec ti o n and si ngle d ata c o llec ti o n mo d e, so li d i fi ed d i mensi o ns, etc . ; th e basi c d atao fregi o nalc o almi negasd i saterri sk pred i c ti o ni sd i vi d ed i nto fo urty pesnaturalenvi ro nmentri sk d ata o f regi o nal mi ne, pro d uc ti o n sy stem ri sk d ata o f regi o nal mi ne, gas preventi o n ri sk d ata o f regi o nal mi ne, and mac ro -sec uri ty envi ro nmental ri sk d ata; c o llec ti o n tec h no lo gi es o f c o al mi ne safety mo ni to ri ng and gas d i saster early warni ng d ata wi th struc tured c h arac teri sti c s,supervi si o n and law enfo rc ement i nspec ti o nd atawi th semi -struc tured c h arac teri sti c s,and c o almi neaud i o and vi d eo mo ni to ri ngd ata wi th unstruc tured c h arac teri sti c s are i ntro d uc ed , and th e researc h o fc o al mi ne safety mo ni to ri ng and gas d i saster warni ng d ata c ol ec ti o n tec h no lo gy based o n .NET Co rec ro ss-platfo rm Web API,and mac ro sec uri ty envi ro nmental ri sk d ata c o llec ti o n tec h no lo gy based o n to pi c c rawler are i ntro d uc ed i n d etai l; d ata c olec ti o n sy stem o f gas d i saster ri sk early warni ng fo r regi o nal c o al mi nes sui table fo r Internet 收稿日期2020-05-19；修回日期2020-06-21；责任编辑胡娴。 基金项目国家重点研发计划资助项目2018YFC0808305。 作者简介李明建J77；男，重庆合川人，研究员，硕士，主要从事煤矿安全管理相关软件技术研究、需求分析、设计幵发等工作,E-mai l c qlmjfo xmai l. c o m。 引用格式李明建，赵旭生,谈国文，等.区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究工矿自动化，2020,46757-63. LI Mi ngji an,ZHAO Xush eng,TAN Guo wen,et al. Researc h o n gas d i saster ri sk early warni ng d ata c o llec ti o n tec h no lo gy fo r regi o nal c o al mi nes]. Ind ustry and Mi ne Auto mati o n, 2020,467 57-63. ・58・工矿自动化第46卷 envi ro nment i s d esi gned , and fi eld test sh o w th at th e sy stem c an c o mpreh ensi vely , reli ably and ti mely c o llec t basi c d ata o f regi o nal c o al mi ne gas d i saster ri sk early warni ng. Key words regi o nal c o al mi ne; gas d i saster ri sk early warni ng ； d ata c o llec ti o n； c ro ss-platfo rm Web API; to pi c c rawler 0引言 煤矿瓦斯灾害影响因素众多，防治难度较大，是 当前和未来影响我国煤与瓦斯突出矿井及高瓦斯矿 井安全生产的最主要威胁之一国家及地方各级 煤矿安全监管监察部门持续加大力度对辖区内煤矿 进行综合或瓦斯安全专项安全执法检查。随着煤矿 安全执法装备及技术的快速发展，监管监察执法人 员技术装备已大量投入应用，但在执法检查工作安 排及执法对象重点筛查方面，当前尚未有先进、成熟 的装备系统大量投入应用。如何快速、准确地筛选 区域内部分煤矿作为执法检查重点煤矿，确定瓦斯 安全执法检查工作重点，很大程度上决定了监管监 察执法检查工作效率 近年来，国家、地方政府及煤炭企业对煤矿瓦斯 治理的投入稳步增加，煤矿瓦斯灾害预警技术引起 了相关科研单位高度重视，出现了一些面向单座煤 矿的瓦斯灾害预警技术及系统,并得到了较好的 推广应用，一定程度上提高了煤矿瓦斯灾害风险预 警与防控能力。但面向各级煤矿安全监管监察部 门、矿业集团公司，对特定区域内所有煤矿瓦斯灾害 风险进行宏观、超前预警即区域煤矿瓦斯灾害风险 预警的相关技术及系统研究尚处于起步阶段56， 少有成功应用案例。 研究面向省区级、地市级、县级或煤矿区的区域 煤矿瓦斯灾害风险预警技术及系统，可为各级煤矿 安全监管监察部门提供快速精准的执法检查辅助决 策工具,为矿业集团公司提供内部瓦斯灾害风险预 警与自查工具，已成为当前煤矿安全监管监察技术 领域发展趋势之一’区域煤矿瓦斯灾害风险预警以 区域内外所有影响因素涉及的数据的有效采集为基 础，因此，本文分析了区域煤矿瓦斯灾害风险预警基 础数据的特征及其分类，针对各类型的基础数据研 究了相应的数据采集技术，并设计了区域煤矿瓦斯 灾害风险预警数据采集系统’ 1风险预警基础数据特征 区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据具有以下 特征 1数据来源广泛’不仅包括区域内各煤矿的 安全监控系统实时数据、煤矿瓦斯灾害预警结果及 指标数据,还包括区域内各煤矿所处自然环境、生产 系统、瓦斯防治等煤矿固有影响因素相关数据，甚至 还包括区域外部的国家宏观经济环境数据、区域内 外煤矿瓦斯灾害事故数据、全国及区域所在煤矿安 全监管监察部门政策法规发布力度、执法检查强度 等。上述特征决定了区域煤矿瓦斯灾害风险预警数 据采集技术和系统必须适应互联网环境’ 2 数据格式多样。既有大量以结构化方式存 储的关系数据，也有非结构化存储的技术文档、图 像、视频、声音等数据，还有以半结构化方式存储的 网页、文本文件等数据。 3 数据的时间和空间维度、属性各不相同。 从时间维度来说，既有以秒、分钟为单位存储的实时 监测数据，也有以班或天为单位存储的瓦斯突出参 数检测、井下现场观测数据，还有以旬、月存储的安 全检查统计数据。从空间维度来说，既有来源于区 域内各个煤矿的明细数据，也有区域所处各级煤矿 安全监管监察部门的汇总数据，还有来源于全国宏 观经济及煤矿安全态势的统计数据。 所述， 区 煤矿瓦斯灾害 基础 具有 源、 构、 、 维等特征， 集和存 储面临以下技术问题①信息采集不全面，仅仅关 注区域内具体煤矿的信息，而忽略了区域外部的影 响因素相关数据。②主要采集结构化数据，很少采 集技术文档、网页、音频、视频等半结构化或非结构 化数据，信息采集模式单一、维度固化。③缺少有 效的数据预处理方法，导致信息质量不高，集成度 低，加工利用难度大。上述问题严重影响了区域煤 矿瓦斯灾害风险预警的准确性和及时性，因此，亟需 研究适 于互联网 环境 集技术， 实现风险预警信息的全面、准确、及时采集和有效存 储， 区 煤矿瓦斯灾害 供可 资源。 2风险预警基础数据分类 事故 理 研究 果， 区 瓦斯灾害 势 不仅包括 煤矿 自然环境风险因素、生产系统风险因素、瓦斯防治风 等 ， 而 包括所 区 至全国 宏观经济环境、煤炭价格及供需关系、安全监管监察 影响因素及区域内外瓦斯事故情况等间接因素，统 2020年第7期李明建等区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究・59・ 称宏观安全环境风险因素「7「8*。为表征区域煤矿瓦 斯灾害风险态势，需全面、准确、及时采集所有影响 因素相关数据，在此基础上提取风险预警指标，在风 险预警模型驱动下生成风险预警指数，进而划分预 警基础数据按其表征内涵可分为区域内矿井自然环 境风险数据、区域内矿井生产系统风险数据、区域内 矿井瓦斯防治风险数据、宏观安全环境风险数据 4类，如图1所示。 警等级。基于上述分析，区域煤矿瓦斯灾害风险预 制造业采购经理指数PMI 1.宏观经济影响工业生产者购进价格指数IPI 工业生产者出厂价格指数PPI 中国煤炭价格指数 CCI5500综合指数 2.煤炭供求影响 环渤海动力煤价格指数 煤炭供求缺口数 煤炭消费月度变化 3煤炭消费影响 4.原煤产量、火力发电量 前3 a月度瓦斯事故次数5季节气候影响 前3 a各节假日期间瓦斯事故次数6节假日影响 安全监管监察力度量化指数 7行业监管监察影响 1 安全监控系统故障报警次数、 矿井瓦斯超限总次数、 工作面平均瓦斯超限次数 1 矿井瓦斯等级 2矿井最大瓦斯含量 3矿井最大瓦斯压力 4.矿 井最大开采深度 5矿井地质构造复杂程度 6矿井突出煤层稳定程度 7矿井突出煤层最大厚度变化率 8矿井绝对瓦斯涌出量 9矿井相对瓦斯涌出量 10矿井突出事故发生次数 11矿井突出事故增加率 ____________2.矿井瓦斯抽采浓度变化率 3 防突工作面抽采达标率 4防突工作面日常预测危险相对次数 ______________5采掘工作面进度变化率 6矿井“一通三防”安全隐患及违章次数 7矿井瓦斯灾害预警红色平均次数 1 矿井“四量”合规程度 2采掘部署合规程度 「 3 矿井采掘机械化水平 - 4矿井采掘工作面数量 ■ 5矿井防突工作面数量、变化率 6高风险采掘工程数量 「 7矿井通风能力变化率 / 传感器定义信息 / [ /采掘工作面基础档案/ 区域煤矿瓦斯 灾害风险预警 采集数据库 /传感器实时监测信息/ ; /采费盘需驚度/ 传感器报警、断电 及馈电信息 ，采掘工作面瓦斯灾害 预警结论及关键指标/ |煤矿安全监控銅 |煤矿瓦斯灾害预警系统| 图2煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数据采集子系统架构 Fi g. 2 Framewo rk o f safety mo ni to ri ng and gas d i saster early warni ng d ata c o llec ti o n subsy stem 1 集上传服务作为服务提供者- 接收来自包括浏览器及智能手 跨平台客户 端调用，并与 集 库 交互；采用 .NET Co re跨平台框架及C 语言开发，使用 JWTBearer中间件实现安全认证，使用Enti ty Framewo rk Co re实现数据持久化；采用跨平台 Web API架构 集 服务模块 F 环境灵活，既可部署于Wi nd o ws操作系统Web服 务器中或承载于Wi nd o ws控制台程序，也可部署至 Li nux操作 ，具有跨平台、服务结构 、客户 端兼容性好等技术优势5* - - 2 集 客 端 序 作 服 消费者，用于定时或不定时 h ttp协议调 i警 集 服务模块的相应 ，将安全监控系 和瓦斯灾害 至 区 集 库 时可 安全监控 瓦 斯灾害 所在计算机环境需求，采用不同的 开发及运行模式，例女口 Wi nd o ws Fo rm、WPF Wi nd o w*Pre*entati o n Fo und ati o n 序 、 智 手 机应用程序 App，，甚至简单的HTML网页程序- - 述采集子 所研究的软件架构技术也适用于其 他类型 集子 - - 3. 2 宏观安全环境风险数据采集技术 宏观安全环境 源较 ，但基本 上都能从互联网上找 源反映国家宏观经济运 势的指标可从国家统计 计 网站 h ttp//d ata. stats. go v. c n/获取；反映煤矿价格 及供需关 可从秦皇岛煤炭网h ttp// www. c qc o al. c o m/exp/expo nent, jsp或商务部商 务播报h ttp//c i f. mo fc o m. go v. c n/c i f/h tml/中 获取;反映所在区域煤矿安全监管监 度及安全 度 可从各省煤矿安全监 网站 获取；瓦斯灾害事故统计 可从国家煤矿安全监 2020 7 李明建等区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究 61・ 察局及地方煤矿安全监察局网站事故通报、事故调 查板块获取。 上述宏观安全环境风险数据可定时通过人工查 询相应网站、搜索相关指标并获取指标信息完成采 集。为了提高采集效率及准确性，可采用网络爬虫 技术从相关网站自动下载原始网页，消除噪声后通 过主题词提取有用信息并存储至风险预警采集数据 库网络爬虫也称为“蜘蛛-可以自动化浏览网络 中的信息，其主要作用是在海量的互联网信息中爬 取并保存有效信息「16*。网络爬虫按照实现技术及 目标可分为通用网络爬虫、主题网络爬虫、增量式网 络爬虫和深层网络爬虫4类。其中主题网络爬虫可 按给定的主题、带优先级的URL列表及终止条件 有目的地进行爬取，其系统结构分为主题URL队 列管理模块、页面提取模块、页面分析模块、主题相 关性计算模块、主题URL评价模块、页面存储模 块「17*。现以通过主题网络爬虫获取山西省煤矿安 全监察局执法检查数据为例，阐述互联网环境下宏 观安全环境风险数据采集过程，如图3所示。 图3煤矿安全监管监察执法检查数据采集流程 Fi g.3 Datac olec ti o np,o c esso fc o almi nesafety supe,vi si o n，lawenfo ,c ementand i nspec ti o n 通过主题网络爬虫获取山西省煤矿安全监察局 执法检查数据的主要步骤如下 1 主题网络爬虫以山西省煤矿安全监察网主 页作为初始URL种子，向下爬取与给定主题词匹 配的“政务信息-煤监月报执法情况-获取煤监 月报、执法情况等URL列表。 2 通过Ch ro me、Fi refo x等浏览器内核发送 h ttp请求，接收返回的页面内容，保存到主题网页 库，从中进一步提取URL并放入主题URL列表。 3 从URL列表中检索执法统计附件URL， 重新发起请求并下载附件。 4 将网页内容及附件信息发送给主题信息二 次加工模块，通过Py th o n xlrd模块提取各分局应 监察煤矿数、实际监察煤矿数、发现隐患数量、整改 隐患数量等以电子表格发布的半结构化数据，经质 量估计后调用Py th o n py mssql模块保存至区域煤 矿瓦斯灾害风险预警采集数据库。 3. 3 煤矿音视频监控数据采集概述 视频和音频监控数据是典型的非结构化数据。 煤矿井下重要作业场所音视频监控是煤矿的“顺风 耳-千里眼-不仅是智能化矿井设计、建设、验收的 重要标准之一，也是进行远程监管监察、人员违章识 别、安全风险预警的重要数据来源之一。 根据GB/T 346792017/智慧矿山信息系统 通用技术规范、GB/T 512722018煤炭工业智 能化矿井设计标准要求，煤矿井下图像监控系统必 须提供实时调用、保存和回放的二次开发接口，生产 系统必须具备音频、视频监控，实现无人值守的系统 应与音频、视频监控联动。另外，根据2015年发布 的国家安全生产监管信息平台总体建设方案，国 家安监总局已建成全国煤矿安全生产大数据平台, 主要 煤 省 煤矿安全监 经初 建 省 煤 矿事 故 分析 台 实 煤 矿 工 频 监 控 集联网上传功能。上述行业标准和规范的出台实 施、基础信息工程的建成使用，为区域煤矿瓦斯灾害 风险预警典型非结构化数据采集提供了关键数据支 撑,大规模音视频数据采集不再成为技术难题。当 然，从海量音视频中提取对煤矿瓦斯灾害风险预警 有用的信息，是区域煤矿瓦斯灾害风险预警系统的 重要研究课题和技术难题，本文不再详细阐述。 4系统实现及现场试验系统实现及现场试验 在重点研究煤矿信息自动采集技术和互联网宏 观安全环境 集 技 术 基 础 设 计 区 域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集系统。该系统包 括自动采集数据的煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数 据采集上传子系统、用于人工录入的煤矿安全基础 数据录入子系统、基于网络爬虫的宏观安全环境风 险数据采集子系统、风险预警数据采集服务器及风 集 管 控 子 等 结 构 图 4 所示。 区 煤矿瓦斯灾害 集 作 煤与瓦斯突出灾害风险远程预警平台的重要组成部 分,在山西省阳泉矿区进行了现场试验。在现场试 验过程中，全面采集了阳泉矿区5对矿井的安全监 控系统及突出灾害预警数据、自然环境风险因素、生 产系统风险因素以及瓦斯防治风险因素等基础数 据。宏观安全环境风险数据主要从国家统计局统计 网 、 国家煤矿安 全 监 煤 矿 安 全 监 网中爬取。现场试验运行效果如图5所示。 ・・62・ ・ 工矿自动化 46 图4区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集系统结构 Fi g. 4 Struc ture o f d ata c o llec ti o n sy stem o f gas d i saster ri sk early warni ng fo r regi o nal c o al mi nes 图5阳泉矿区瓦斯灾害风险预警数据采集试验效果 Fi g. 5 Test effec t o f gas d i saste r ri sk early warni ng d ata c o llec ti o n i n Yangquan mi ni ng area 由图5可见 板模块中全 宏观安全环境 、矿井安全监控及 瓦斯灾害 、矿 然环境 、矿井生 瓦斯防治 等当期采集条 数、同比及环比变化率。系统管理人员可方便地获 区域煤矿瓦斯灾害 集系统 集 实 互联网环境下 矿区煤 矿安全监控 瓦斯 灾 害 、 、 宏 观 安 全 环 境 等自动、可靠、及时采集和保存。 。 5结论结论 1 分析了区域煤矿瓦斯灾害风险数据的特 征、分类及相应 集技术，重点研究了煤矿安 全监控及煤矿瓦斯灾害 、基于互联网的宏 观安全环境 集技术。 。 2 设计了区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采 集系统，实 服务于区域煤矿瓦斯灾害 煤矿 然环境 、 、 煤矿生 、 、 煤矿瓦斯 治 宏观安全环境 等 4类 基础 集与存储。 。 3 现场试验表明，基于.NET Co re跨平台 Web API技术的煤矿安全监控及瓦斯灾害 F数 据采集技术，以及基于主题网络爬虫的宏观安全环 境 集技术，能够全面、可靠、及时采集区 煤矿瓦斯灾害 所需基础 ，不仅为区 煤矿瓦斯灾害 模型研究和 实 供 重要技术支撑，同时也探索 互联网环境 下大规模结构化、半结构 集技术 ，为研 发、构建区域煤矿重大灾害 大 集系 供了有 参考文献References 1 *胡千庭.预防煤矿瓦斯灾害新技术的研究［J*.矿业安 全与环保,2006,335 -7. 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