基于人工智能的企业安全智能监控系统研究——以煤炭企业为例

杨锦绣 李春贺

(1.阜阳师范大学 商学院，安徽 阜阳 236037；2.中国矿业大学(北京) 管理学院，北京 100083)

在党的十九大以后，我国的能源消费结构发生变化，但煤炭生产在我国的能源中仍占主要地位。随着技术改进、设备更新及管理手段提升，煤矿安全生产事故与死亡人数有所降低，但在基数和总量上与国外相比还是较大，煤矿安全生产问题依然严峻[1]。

在国家“十三五”规划中，要求提高煤矿安全管理水平，提升煤矿安全管理手段，提高安全管理意识，确保煤矿安全生产管理做到管理全方位、监管全过程，加强隐患排查治理和风险预防控制，加强煤矿安全生产智能监管信息化的建设，利用先进的信息化手段、先进的设备辅助煤矿安全生产工作[1]。传统的煤矿安全监管系统更多的是事中和事后管理，未充分利用智能化、智慧化技术，无法实现对煤矿安全生产的超前预警与全视角监控，无法满足新时期的安全生产管理要求，煤矿企业需要大力推进人工智能、智慧矿山等技术在安全生产监管监测信息化建设方面的应用，解决安全生产过程中面临的诸多挑战。基于上述情况，本文提出构建基于人工智能的企业安全智能监控系统。

一、系统总体需求

随着信息技术的快速发展，信息技术在煤矿生产与管理过程中的作用逐渐突显，建设“数智化”矿山是大势所趋。煤矿安全监管监控系统的构建，可完成对煤矿员工生产情况的视频监控，可对有害气体、粉尘浓度、风速、井下温度等危害因素进行实时监控并根据监测值进行预警，但针对井上、井下员工作业过程中发生的非法行为、工作人员无证作业、消防通道出现堵塞等风险隐患，只可通过事后管理、事后检查才可以发现，无法达到智能化的监管监控，无法及时识别潜在的风险，不能在第一时间对可能引起事故发生的隐患进行预警。

基于上述情况，笔者在煤矿现有的监管监控信息化基础上，引入了人工智能的深度学习技术，借助现有的物联网、大数据及GIS技术构建基于人工智能的煤矿安全智能监控系统，该系统包括煤矿一张图可视化管理、煤矿安全实时监测、煤矿风险智能预警、风险分级管理、大数据综合统计分析等，系统总体用例图，如图1所示。

图1 系统总体用例图

系统涵盖了井上、井下实时监测监控、实时预警分析，完成对煤矿安全生产情况可视化管理，完成安全事故的超前预防、过程监控以及事后管理、优化与提升，通过平台可实现对生产过程的实时监控、智能预警分析。

二、系统设计

(一)系统设计目标

煤矿安全智能监控系统是以整个煤矿工作区域为监控对象，以煤矿所属范围内“人机环管”这四个方面的风险为监测点，通过煤矿井上、井下的监测站、各类传感器、视频监控设备、利用人工智能技术实现对煤矿工作区域的各类危害因素、风险、非法行为进行实时监测与智能分析，对安全生产业务数据进行动态采集，构建煤矿安全生产数据仓库，实现安全生产工作的智能化分析与预警，为煤矿安全生产监管监测提供智能化服务，改变传统的人工监管、被动管理模式，实现安全生产主动监控、实时监控、风险危害因素智能分析与预警，实现煤矿安全生产区域的全景影像分析，实现煤矿安全生产大数据管理创新模式，提高安全监管水平，提升煤矿应对风险的能力，促进煤矿安全韧性管理能力提升[2]。

(二)系统总体架构设计

基于人工智能的煤矿安全智能监控系统，在设计时要充分考虑煤矿信息化建设情况，充分利用煤矿现有的系统、先进设备，充分借助先进技术实现煤矿安全智能监控系统建设。考虑到对安全危害要素实时监控、实时预警分析的重要性，系统还要考虑信息采集的时效性，危害要素识别的准确性及系统间接口的稳定性和准确性。基于上述因素考虑，系统在设计时，实现基于“B/S+C/S+终端控制设备”模式的、SpringMVC架构的煤矿安全智能监控系统，接口端采用WebService实现，数据库端采用Oracle数据库与Hbase数据库构建数据仓库为系统运行提供数据支撑[2]。系统从整体上来看，平台包括基础资源层、数据仓库层、应用支撑层、应用层及展示层，平台总体架构，如图2所示。

图2 系统总体架构设计

展示层主要分为监控中心大屏展示部分和煤矿安全智能监控系统操作页面，主要负责操作请求的发起，同时，以可视化页面显示请求反馈结果。应用层主要是系统具体应用，根据展示层的请求调用对应的应用，然后向应用支撑层调用相应的支撑服务，利用该服务向数据仓库获取相应数据，最终经过应用层的业务逻辑处理，形成展示层用户所需要的请求结果，最终展示层将结果以可视化图、表等形式展示。应用支撑层主要支撑系统各个功能正常运行，主要有可信云计算平台、物联网应用服务、大数据服务、GIS服务、可视化服务、深度学习模型算法服务、互联网服务、5G服务及人脸识别模型算法服务等。数据仓库主要存储系统所必须的数据，包括视频、图片、地理位置等非结构化数据，组织结构信息、危险源信息、风险等结构化数据。这些数据，一方面，来自业务处理过程中的录入与维护；另一方面，来自对基础资源层进行数据监测与自动采集，将监测与采集到的数据，经过ETL处理后，存储到数据库中。基础资源层为整个平台运行提供基础支撑，提供所需的物联网、互联网、服务器、采集设备、机房和相关基础设施。

(三)系统数据库设计

为确保系统监管监测数据的及时性、准确性，要通过Oracle数据库和HBase数据库共同构建一个的安全生产数据仓库，将采集来的实时数据和人工维护的基础数据、业务数据存储到数据仓库，为智能预警分析、实时监测等提供数据服务。系统数据来自井上高清摄像头、井下高清防爆摄像头、瓦斯、CO传感器等设备自动采集数据，还有来自人工维护的基础数据和业务数据，自动采集的数据多为非结构化数据，主要有图形、音频、视频、人员位置等信息，通过ETL技术对这些数据进行采集、清洗、转换及数据加载，为数据加载、分析、预警提供支持，为领导层提供安全生产决策数据支撑[3]。

在进行数据库实体关系设计时，主要分析系统及各个功能包含哪些实体，明确这些实体之间存在的关系，以煤矿风险智能预警分析功能为例，该功能的实体关系设计，如图3所示。

图3 煤矿风险智能预警分析功能E-R图设计

(四)系统功能结构详细设计

煤矿安全智能监控系统主要是围绕安全生产工作需求，与现有的监管监控系统集成，利用人工智能技术，建设一个能够涵盖智能化、实时监控、智能预警、可视化管理的安全生产大数据管理系统，通过系统实现对安全生产工作的超前预防、合理监测管控以及事后快速处理、快速恢复。

根据煤矿安全生产监管监测的业务需要，平台分为移动端和电脑端两部分。移动端主要实现智能巡检、隐患排查、培训考核、智能预警、智能监控以及移动可视化等功能；电脑端主要实现智能预警分析、物联网实时监测、隐患排查治理、职业健康管控、安全知识库、安全标准库等功能，具体的系统总体功能结构，如图4所示。

图4 总体功能结构图

通过GIS技术、GPS技术和三维技术将煤矿井上和井下各处进行三维模型绘制，将风险情况、人员定位情况、危害因素监测情况、监控监测设备等在图中展示[4]。可以实时了解井上、井下人员定位情况，了解每个员工的工作路线。可以对风险状态、危害因素监测情况进行了解。对井上、井下各类监控监测设备状态监测了解，实现对煤矿安全生产情况智能化监控、智能分析与语音预警提醒。

1.煤矿安全实时可视化监测

通过物联网技术将探测器、传感器以及监视设备互联互通，实现对煤矿生产环境的危害因素进行实时监测，通过对监测的实时值与既定标准进行智能化对比分析[5]。通过井下高清防爆摄像头对井下员工工作行为进行可视化监控，通过井上高清摄像头对井上员工的工作行为进行可视化监控，实时了解煤矿安全情况[5]。

2.煤矿风险智能化预警分析

通过实时监控监测设备对煤矿危害因素进行实时监控，一旦监测实时值超出标准范围，系统将进行智能化预警，并根据生产作业现场的监测情况，系统自动采取应对措施或人为采取应急措施。通过视频监控设备，利用视频图像智能分析、人工智能图像识别等技术监测煤矿作业现场违法行为，如未戴安全帽等行为，一旦发现违法行为，系统将在监控页面弹出预警消息，同时，会触发现场的语音预警系统将对违法行为进行预警[5]。智能化预警分析模型，如图5所示。

图5 智能化预警分析模型图

3.风险分级管理

发生风险预警时，系统会根据分级处置规则将预警信息转化为风险信息记录，同时，将记录情况发送给预定接收人，预定接收人即为风险责任人，根据实际情况对风险进行分级处理，确保安全生产。风险在一定时间内未被处理，系统会根据风险预警升级规则进行升级，并通知相关责任人，直至风险被处理销号。

风险分级管理是利用物联网技术和互联网技术实现对风险的动态、闭环管理，实现从风险录入与维护、风险整改上报到风险复查销号的全过程、动态管理，可以对风险信息进行综合统计分析。系统提供风险整改提前预警通知、超期预警、复查预警通知以及未复查预警等，利用信息化手段，确保相关责任人能够快速、高效完成风险的闭环管理[6]。

4.大数据综合统计分析

通过设备监测监控、视频监控等设备自动采集监测预警信息，以及通过人为手动录入与维护信息，最终形成煤矿安全生产数据仓库，实现可视化大数据统计分析[7]。

5.基础信息库

基础信息库管理实现对风险、危害因素标准阈值、预警升级标准、人工智能分析标准库、责任人信息库、员工信息库、员工标识卡、监测站、监测区域、监测点、监控设备等信息的综合管理与维护。

6.系统管理

完成系统的用户、数据字典及相关日志管理。

三、结论

本文介绍了基于人工智能的煤矿安全智能监控系统的研究过程，通过该系统可以利用人工智能图像识别技术，实现对煤矿安全生产过程中的违法行为进行智能化感知、智能化对比分析，并根据智能对比分析结果进行智能化处理与预警。利用物联网技术及探测器、传感器、监视设备等对危险源、有毒有害气体等进行24小时无间断的在线监测监控，与已有的标准进行对比分析，及时预警。利用GPS以及RFID等技术实现井上、井下人员定位，可以了解人员工作轨迹，一旦发生安全事故，可以快速、精准定位，可以快速实施人员营救，降低事故带来的伤害。实现风险的动态、闭环管理，可以方便、快捷上报发现的隐患，明确隐患等级，及时通知相关责任主体，及时对隐患进行分级治理，及时整改、销号，避免生产事故发生，实现安全管理高效、实时、现场化。利用GIS技术和三维立体技术实现煤矿一张图智能化、可视化分析，实现对风险情况、人员定位情况、监控设备情况的可视化，可以实时、动态了解煤矿井上、井下的安全生产情况，实时了解安全隐患和安全预警情况，为领导层进行安全生产决策提供科学依据。