矿用跨区域协同控制技术及装备研究

周代勇

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

随着智能安全监控系统的不断建设，智能化配套装备将在井下融合通信系统中广泛应用，逐步建立起煤矿“一网一站”智能融合安全监控系统[1-3]，实现井下边缘侧测点数据统一承载和共网传输，完成矿井区域规划，区域内人员、机电设备和环境参数的安全检测与防护[4-6]。为了确保煤矿对矿井区域信息的合理规划和全面监测监控，跨区域通信机制、数据互通和控制策略的研究势在必行，形成区域感知、实时互联、分析决策和协同控制的跨区域控制技术。

根据现场访查和相关研究机构提供的系统资料可知，煤矿集团和安全监控系统研发厂家推出的智能安全监控系统大多采用3 层模式架构，可分为感知层、传输层和应用层[7-8]。感知层主要包括各类环境参数传感器（如CH4、H2S、CO、压力、风速、温度、粉尘、位移、流量等参数）、各种控制机构执行器、综合分站（人员、电力、安全监控、顶板等）和PLC 信号的实时采集等；传输层主要包括“工业以太环网+现场总线+无线覆盖”传输机制，实现全矿井系统信息数据交互；应用层实现系统软件与井下系统相关设备的数据采集、融合、分析、控制、储存、显示和上传等功能[9-12]。分析系统的现有架构可知，现有架构实现跨区协同控制时，主要存在以下不足：

1）边缘区域侧采集、控制能力薄弱。主要表现在边缘侧装备技术落后，接口单一，测点设备多元化无法满足要求，承载能力低，控制逻辑简单，组合逻辑不灵活，应急能力缺失。

2）跨区域链路无法进行井下网络物理连接。主要表现在架构机制是采用3 层架构，传输层链路实现网络物理连接后，感知层若实现网络物理连接难度大，成本高，同时接口也不丰富。

3）跨区域协同控制失效。主要表现在系统网络通信故障，或上级设备故障，或上级线路异常中断时，跨区域测点数据无法采集，逻辑判断结果无法建立通信连接，跨区域协同控制失效，或强制更改为通信故障控制。

4）跨区域控制不及时。主要表现在数据运算中心放在端设备端，跨区域采集数据路过的设备点多，速度慢，与系统巡检周期相关，控制结果数据转发多次后才能到执行设备，跨区域控制逻辑往往无法及时控制，或执行反馈速度慢。

因此，将环网技术、总线技术和数据处理技术引入到边缘区域采集控制装备中，通过对边缘侧感知、实时互联、分析决策和协同控制等技术及装备的研发和应用，实现井下跨区域多元测点数据采集和协同控制技术。

1 跨区域协同控制装备

跨区域协同控制装备是在煤矿区域边缘侧进行本地数据采集、异地数据采集、系统多业务的组合逻辑结算、执行状态数据推送和执行反馈状态数据采集。因此跨区域协同控制装备平台采用ArmRCortexRA35 架构，支持集成NPU（神经网络处理单元）协处理器进行核心板硬件平台的设计。网络接口资源丰富，支持10/100/1 000 M 以太网接口自适应，支持WIFI 无线通信模块，支持5G 通信模块，外接8 光6电交换机模块进行同级设备的数据采集。外设接口丰富多样，如I2C 接口、SPI 接口、PDM/I2S 接口、USB3.0 接口、TF 卡接口、RS485 接口，CAN 接口、UWB 接口、ZIGBEE 接口、RFID 接口等。跨区域协同控制装备设计框图如图1。

图1 跨区域协同控制装备设计框图Fig.1 Design block diagram of cross-regional collaborative control equipment

跨区域协同控制装备的业务承载能力主要包括安全监控业务、人员定位业务、通信联络业务、供电监控业务、顶板监测业务和水文监测业务。搭建具备水、瓦斯、顶板、粉尘等灾害监测与防治的综合防控系统装备。

2 跨区域协同控制策略

跨区域协同控制将矿井井下进行边缘区域划分，边缘区域矿用装备通过跨区域协同控制装置进行业务管理，跨区域协同控制装置主要完成边缘区域人-机-环参数信息数据的采集、运算、控制和跨区域消息发布等业务。跨区域协同控制装置作为数据运算中心，根据预配置的跨区域组合逻辑进行跨区域业务的数据结算，将结算后的结果，通过广播数据帧的形式下发给区域执行器，区域执行器将执行状态反馈到跨区域协同控制装置，形成闭环的协同控制策略。跨区域协同控制装置拓扑图如图2。

图2 跨区域协同控制装置拓扑图Fig.2 Topology diagram of cross-regional cooperative control device

由跨区域协同控制装置拓扑图可知，数据帧采集处理是作为跨区域协同控制技术的关键，数据帧主要包括跨区域采集数据帧和跨区域执行控制数据帧，跨区域采集数据帧主要用于采集其他区域内的边缘数据信息，跨区域执行数据帧是由数据运算中心发出，其他跨区域控制装置收到执行控制帧时，开启控制执行装置完成执行任务。

跨区域采集数据帧如下：①边缘区域设备信息：设备类型、IP、MAC、设备号、工作状态、电源；②边缘区域采集环境参数信息：感知设备类型、地址、状态、数值；③边缘区域采集人员定位信息：卡的设备类型、入网时间、位置信息、工作状态、电池电量；④边缘区域终端信息：终端设备类型、地址、工作状态、电源信息；⑤边缘区域执行装置：执行装置类型、地址、状态、工作模式。

跨区域执行控制数据帧：①跨区域设备：设备IP、设备ID、设备类型、控制类型；②跨区域执行信息：执行装置ID、控制状态；③跨区域终端执行信息：终端IP、终端ID、执行模式、执行状态；④跨区域引导执行信息：显示IP、显示ID、执行模式、执行内容。

3 跨区协同控制策略配置及测试

用户可根据边缘区域规划方案和系统应用软件界面配置跨区域协同控制策略，开启不同形式的跨区域控制触发条件，系统应用平台界面提供了边缘区域感知测点的跨区域触发条件，如断线、开机预热、ERO 故障、上限报警、上限断电、下限报警、下限断电、一级报警、二级报警、三级报警和四级报警等触发模式。该配置是属于跨区域单测点多状态的配置模式，适用于跨区域矿用设备多状态的同时监测。

同时系统应用平台也提供了组合条件多测点满足多条件的跨区域触发模式。执行器可关联断电器、读卡器、区域电子防护栏、电力控制器、广播终端和信息引导终端。该配置是属于跨区域多测点多条件配置模式，适用于边缘区域环境复杂，需完成多测点监测监控的场景。

综上所述，跨区协同控制策略的配置方式可分为测点配置模式和组合配置模式，测点配置模式适用于单独矿用设备的跨区域控制。组合配置模式适用于多矿用设备的跨区域控制，可同时采集多边缘区域的测点数据，完成了多区域测点数据结算，实现了跨区域的多边多测点控制技术。跨区域协同控制响应时间见表1。

表1 跨区域协同控制响应时间Table 1 Cross-region coordinated control response time

4 跨区域协同控制技术及装备的优点

跨区域协同控制技术及装备的优点: ①跨区域协同控制技术实现了跨区域的数据采集，若上传链路出现异常时，可快速切换启动跨区域数据采集功能，确保矿井末端的数据能够稳定快速及时地上传；②跨区域协同控制装置以控制边缘侧为数据运算中心，组合逻辑承载能力强，控制执行速度快，反馈执行状态及时，几乎等同于就地控制；③跨区域应急联动是以单侧数据结算，应急联动的最晚响应时间等同于跨区域通信的巡检周期，因此，应急联动的响应速度更快；④跨区域协同控制技术在边缘控制侧结算，控制结算时脱离上级设备或链路层的配合，跨区域控制边缘侧装备独立完成控制逻辑的结算，更能够适应煤矿井下环境的应用需求。

5 结 语

提出了一种矿用跨区域协同控制技术，研制了跨区域协同控制装备；采用跨区域可编辑控制策略、网络分组通信技术和智能馈控一体化技术实现跨区域边缘装备集成结算、协同控制和快速反馈；同时采用环网技术、总线技术和AI 处理技术确保测点数据采集的精度、数据传输的准确度和数据处理的算力。矿用跨区域协同控制技术及装备的研究，不仅是实现了跨区域的数据采集和协同控制平台的搭建，而是将煤矿监测监控系统中的组合逻辑控制结算平台下沉到边缘控制装备侧，实现了井下脱离地面平台的配合，独立完成了跨区域数据采集、数据结算、执行状态推送和反馈状态采集等区域协同技术。为“一网一站”智能融合安全监控系统建设提供了井下跨区域协同控制平台。