文章来源：《智能矿山》2024年第5期“革新·改造”专栏

作者简介：樊琦，工程师，博士，主要从事矿山可视化技术研究工作

作者单位：陕西章启睿智能科技有限公司

引用格式：樊琦，张玉蓉，张永利，等.煤矿井下标准化智能牌板系统的研发与应用[J].智能矿山，2024，5（5）：58-66.

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煤矿井下标准化智能牌板系统成套装备由硬件和软件2大部分组成。

硬件部分包括主要设备和辅助设备，如图1所示。主要设备包括XH12矿用本安型显示器和KDW127—12矿用隔爆兼本安型直流稳压电源（关联电源）；辅助设备包括显示器防护外壳（订制）、显示器外壳支架（订制）、服务器主机（订制）、台式电脑（订制）、矿用平板电脑（订制）。

图1　硬件设备

软件部分包括地面后台管理软件和井下终端应用软件。地面后台管理软件主要指煤矿井下标准化智能牌板系统后台管理平台，该软件搭建在煤矿地面服务器中，支持各种PC端通过Web浏览器进行登录和操作；井下终端应用软件主要指煤矿井下标准化智能牌板系统APP及其衍生子系统软件，该软件安装于煤矿井下标准化智能牌板终端（XH12矿用本安型显示器），其智能终端具有广泛应用的安卓操作系统。地面和井下2套软件系统通过煤矿企业现有基础网络进行数据交互和传输，实现地面和井下信息资料等关键数据互联互通。

KDW127—12矿用隔爆兼本安型直流稳压电源（关联电源）的主要功能和特点如下。

（1）使用井下常用照明电

关联电源本身是宽电压接入，在煤矿井下接入常用的127V照明电源即可正常使用，安装时接电非常方便。

（2）电源箱整体掏槽成型

关联电源的电源箱是通过整体掏槽形成的，没有任何焊缝，盖板接触面经过反复打磨，封盖严丝合缝，密闭和防爆性能良好。

（3）电源箱体积小、质量轻

关联电源的整体质量相比其他矿用电气设备要轻很多，仅有18.7kg；体积也相对较小，不到0.006m3。

（4）已获防爆和煤安认证

关联电源经过校企联合攻关研发，已经取得防爆和煤安认证，具备在煤矿井下安全使用的基本条件。

XH12矿用本安型显示器的主要功能和特点如下。

（1）32寸液晶显示

XH12矿用本安型显示器为32寸全彩液晶显示器。目前，煤矿井下的电子显示设备主要有LED电子牌和防爆计算机。煤矿井下巷道中的LED电子牌一般都是三色显示，主要显示文字或交通信号等，显示内容单一，无法播放高清图片或视频资料。防爆计算机虽然有液晶显示屏，但是屏幕相对较小，使用场景和功能相对固定，操作有难度，观看不方便。32寸全彩液晶显示设备为国内首创的专利产品，在煤矿井下能够播放高清图片和视频，比井下已有电子显示设备具有更强的显示功能，能够充分满足煤矿标准化管理和智能化建设的现实需求。

（2）安卓操作系统

XH12矿用本安型显示器具有安卓操作系统，方便井下工人操作。安卓操作系统是目前最流行的移动互联终端操作系统，对于煤矿工人来说，没有任何操作难度，更容易被井下工人接受。

（3）触控操作方式

XH12矿用本安型显示器具有多点触控操作方式，可以实现触屏点选和实时缩放等操作，相对于防爆键盘的操作方式更加便捷。符合煤矿工人日常使用手机的操作习惯，操作更容易上手。

（4）手写语音输入

XH12矿用本安型显示器支持手写和语音输入。井下工人在工作过程中戴手套或者手上有污物的情况下，也能操作设备，便于与地面或其他工作面的工作人员进行及时互动沟通。

（5）语音视频通话

XH12矿用本安型显示器具备语音和视频实时通话功能。显示器插入煤矿企业专用手机卡，即可实现拨号通话功能。

（6）防爆煤安认证

XH12矿用本安型显示器经过校企联合攻关研发，已经取得防爆和煤安认证，具备在煤矿井下安全使用的基本条件。

地面后台管理软件——煤矿井下标准化智能牌板系统后台管理平台（简称后台管理平台）的主要功能和特点如下。

（1）普通电脑运行条件

后台管理平台正常运行所需要的硬件条件非常简单，任何一台连接网络的普通电脑都可以满足。对煤矿企业的智能化建设水平没有任何特殊要求，在煤矿企业具有较强的适用性。

（2）网页软件无需安装

后台管理平台是一款自主研发的网页软件，输入正确的网址就可以在普通电脑上正常运行，无需安装任何插件。

（3）账号登录权限管理

后台管理平台需要用手机号码注册帐号并设置密码后，才能进行登录操作。根据煤矿企业实际管理工作的需要，对不同角色的账号进行权限约束管理，以方便不同级别和不同部门的管理人员使用。

（4）菜单管理按需订制

后台管理平台登录后的操作界面主要是菜单模式，可以根据煤矿企业的具体使用场景进行订制开发。针对煤矿企业标准化管理的严格要求和智能化建设的复杂需求，后台管理软件尽量做到方便灵活，按需订制，使软件更具针对性和实用性。

（5）各种文件素材资料

后台管理平台可以上传各种不同格式的资料文件，包括各种常用办公文件、图纸文件和各种格式的音视频文件。相较于传统的静态展板能够满足煤矿企业标准化管理和智能化建设的实际需要。

（6）离线文件断网可查

后台管理平台上传的所有资料均存储在服务器上。服务器可以直接使用矿企的已有服务器，也可以个性化订制。考虑到煤矿井下网络环境相对比较复杂，存在偶尔断网或网络信号不好的情况，后台管理平台专门研发了离线文件的功能，可以保障重要资料文件在井下断网的条件下，仍然可以正常浏览和查阅，实用性极强。

井下终端应用软件——煤矿井下标准化智能牌板系统APP（简称智能牌板系统APP）的主要功能和特点如下。

（1）首页轮播多图展示

智能牌板系统APP针对煤矿井下工作场所标准化管理相关静态展板较多的实际情况，专门开发出首页轮播多图展示的功能，可以将某个工作场所要求展示的多个静态展板内容进行周期性轮播展示，符合标准化管理要求的多图展示。

（2）技术资料及时更新

智能牌板系统APP结合大屏显示硬件可以及时更新煤矿井下常用技术资料和图纸的最新内容。目前，煤矿井下静态展板在展示相关技术资料和图纸方面，存在更新不及时的问题。煤矿井下工作情况非常复杂，资料图纸变更情况常见，特别是随着煤矿井下智能化建设水平和生产效率不断提升，资料图纸变更的频次日益增加，静态展板不能及时更新的问题更加凸显。针对这一问题，智能牌板系统APP将相关技术资料一键上传到服务器后，就可以在井下大屏显示终端上及时查阅，从而实现井上井下技术资料及时更新。

（3）规程图纸实时查看

智能牌板系统APP结合大屏显示硬件可以实时查看煤矿井下常用技术资料和图纸的详细内容。

目前，煤矿井下静态展板在展示工作面相关规程和图纸方面，存在无法全面详细显示的问题。煤矿井下很多技术资料和图纸篇幅较大，特别是详细的作业规程和操作规程内容比较多，静态展板一般仅能展示部分内容，无法全面详细展示。针对这一问题，智能牌板系统APP通过井下智能显示大屏终端的多点触控和实时缩放功能可以将技术资料，特别是篇幅很大的规程或图纸进行缩放显示，不仅能缩小总体预览，还可以放大查阅细节。

（4）巡检填报智能高效

智能牌板系统APP结合多点触控大屏显示硬件可以让井下各种巡检点检记录填报工作变得智能高效，减轻工人工作量。

目前，煤矿井下的各种巡检点检记录填报工作仍然是纸笔手工记录模式，这种记录模式已经无法满足矿井智能化建设的要求；将各种记录填报工作电子化也是煤矿企业践行“两化深度融合”的重要举措。笔者团队深入煤矿井下一线，充分调研收集各种巡检填报记录的纸质表单，经过梳理和分析，开发出煤矿井下智能填报电子表单（图2）。与传统纸质表单相比，电子表单更灵活，各项数据传输汇总和分析更高效，留底存档和查阅都比较方便。还可以根据矿企管理的实际需要，进行个性化功能开发，如可将确定项目默认设置，减少重复填写；也可以按角色设置填报项目，各工作不同角色点击个性化界面填写各项数据后，后台自动匹配到标准格式中，可以直接输出打印。

图2　煤矿井下标准化智能牌板系统智能填报电子单

（5）应急报警线路导引

智能牌板系统APP结合智能大屏显示硬件可以为井下各个工作面、重点区域和各交叉路口提供声光应急报警和智能线路引导。

智能大屏显示硬件具有多媒体功能，当井下发生紧急情况时，硬件设备能提供声光应急报警，结合矿井图纸可以给出当期位置、危险源位置和最优避灾路线等重要信息，提升井下工作人员自救避灾能力，保障危急情况下矿工生命安全。

（6）现场管理智能高效

智能牌板系统APP结合智能大屏显示硬件可以使煤矿井下工作面现场管理更加智能高效。加强现场管理是标准化管理的基本原则，笔者团队结合煤矿井下主要工作面的现场管理工作具体需要，开发出适用于煤矿井下现场管理的工作面进度展示软件，如图3所示。

图3　煤矿井下现场管理工作面进度展示页面

（7）个性订制播放任务

智能牌板系统APP结合智能大屏显示硬件的多媒体功能和后台管理平台的应急广播与定时轮播，可以实现各种文本、图片和音视频资料的个性化订制播放功能。提升矿企在煤矿井下的安全宣传水平。

（8）技术交流资讯服务

智能牌板系统APP结合智能大屏显示硬件的多媒体功能可以实现在煤矿井下工作现场通过网络进行实时技术交流，方便处理井下各种故障问题，也可以实现将网络上丰富的各种资讯带到煤矿井下工作现场。

（9）远程投屏综管分身

智能牌板系统APP结合智能大屏显示硬件的远程投屏功能可以将煤矿井上的综合管理平台的内容直接在井下工作现场显示，方便管理和技术人员在井下工作现场处理问题和决策，通过煤矿井下标准化智能牌板系统的软硬件可以将矿企综管平台的分身设置到煤矿井下各个重要区域（图4）。

图4　煤矿井下标准化智能牌板系统综管平台分身展示

（10）系统外联拓展功能

智能牌板系统APP结合智能大屏显示硬件可以将煤矿企业已有的各个智能化系统链接至井下智能终端上，即可在井下工作现场实时查看各个智能化系统的各项数据图表等内容，及时了解矿井整体运行状态。

基于煤矿井下标准化智能牌板系统成套装备的软硬件功能，结合煤矿企业标准化管理和智能化建设的实际需求，进一步开发出应用于不同场景的5大子系统。煤矿井下标准化智能牌板系统成套装备全矿井应用部署如图5所示。

图5　煤矿井下标准化智能牌板系统全矿井部署

（1）煤矿标准化智能显示系统

应用部署在煤矿指挥调度中心，主要用于显示、检索和查阅全矿标准化智能牌板各个子系统的实时数据和相关资料，以及调度室标准化管理和矿企内部管理相关内容。煤矿标准化智能显示系统工作界面如图6所示。

图6　煤矿标准化智能显示系统工作界面

（2）煤矿井口标准化智能展示系统

应用部署在煤矿行人入井口，主要用于井口标准化管理相关信息汇总展示、检索和查阅。主要内容包括矿长安全承诺公示、安全隐患管理公示和“三违”通报处理公示等。煤矿井口标准化智能展示系统工作界面如图7所示。

图7　煤矿井口标准化智能展示系统工作界面

（3）煤矿井下党建文化宣传安全教育标准化智能展示系统

应用部署在煤矿井下文化长廊、候车点和避难硐室等位置。用于相关区域标准化管理要求内容的展示、检索和查阅，相关内容主要包括安全宣传、党建宣传、企业文化、员工风采和安全教育等。煤矿井下党建文化宣传安全教育标准化智能展示系统具有视频播放功能（图8）。

图8　煤矿井下党建文化宣传安全教育标准化智能展示系统工作界面

（4）煤矿井下线路导引标准化智能牌板系统

应用部署在煤矿下各交叉路口，以及需要线路导引的重点区域，主要用于标识当前位置，井下逃生路径智能规划，应急疏散智能引导，显示危险源信息，发布撤退线路等。煤矿井下线路导引标准化智能牌板系统工作界面如图9所示。

图9　煤矿井下线路导引标准化智能牌板系统

（5）煤矿井下安全生产标准化智能牌板系统

应用部署于煤矿井下各生产相关工作区域，如综采工作面、掘进工作面、中央变电所和中央水泵房等区域。主要用于该工作区域安全生产标准化管理要求内容的展示、检索和查阅；基于煤矿井下标准化智能牌板系统软硬件功能和相关工作区域的实际需求进一步开发出工作面进度管理、智能巡检填报、现场数据监测和现场故障诊断等附加功能。以煤矿井下非常重要的4个典型工作区域实际应用场景进行详细介绍。

典型工作区域一：应用部署于煤矿井下综采工作面，可操作浏览工作面相关资料文档、CAD图纸、表格、进度、排班、操作规范等，可展示的具体内容包括综采工作面简介、“三化”融合、联责联保制度、工作面布置图、工作面支护平、剖面图、溜头溜尾吃刀示意图、正规循环作业图、设备布置图、通风系统图、供电系统图、排水系统图、防尘系统图、避灾路线图、监测监控示意图、各种管理制度牌板、各工种操作规程牌板等。

典型工作区域二：应用部署于煤矿井下掘进工作面，可操作浏览工作相关资料文档、CAD图纸、表格、进度、排班、操作规范等，可展示的具体内容包括掘进工作面简介牌板、各种管理制度牌板、各工种操作规程牌板、避灾路线图、设备布置图、支护断面图、作业循环图、通风系统图、监测监控示意图、进刀工艺流程图、防尘防灭火示意图、重大风险管控牌板等。

典型工作区域三：应用在中央变电所，可操作浏览工作相关资料文档、CAD图纸、表格、进度、排班、操作规范等，可展示的具体内容包括场所名称标志牌板、非工作人员禁止入内牌板、各工种操作规程牌板、相关制度牌板、各种设备图纸等。典型工作区域四：应用在中央水泵房，可操作浏览工作相关资料文档、CAD图纸、表格、进度、排班、操作规范等，可展示的具体内容包括场所名称标志牌板、要害场所闲人免进牌板、各种操作规程牌板、9个相关制度牌板、各种设备图纸牌板、主要设备技术特征牌板等。

（1）2022年8月，煤矿井下标准化智能牌板系统在陕西涌鑫矿业有限责任公司安山煤矿和沙梁煤矿成功应用（图10）。安山煤矿安装于综采队和综掘队工作面运输巷到带式输送机机头位置，沙梁煤矿安装于综采队四盘区胶辅运联巷移变硐室和综采队工作面运输巷到带式输送机机头位置。目前，系统整体运行良好，使用频率高。

图10　安山煤矿和沙梁煤矿现场应用

（2）2023年3月，煤矿井下标准化智能牌板系统在陕煤集团神木张家峁矿业有限公司井下综采一工区工作面餐车、综采二工区工作面设备列车和机电工区2-2煤机头变电所成功安装应用（图11）。综采工区和机电工区的相关技术人员对智能牌板的功能非常满意，并积极将本职工作中相关内容与智能牌板功能相结合，特别是机电工区图纸更新不及时、设备维护及巡检填报繁多的实际问题得到有效解决。智能牌板在减轻工作负担和提高工作效率方面得到现场工作人员好评。

图11　张家峁煤矿现场应用

通过对煤矿井下标准化智能牌板系统在安山煤矿、沙梁煤矿和张家峁煤矿成功应用的案例进行分析得出以下结论。

（1）适合安装的位置

根据成功应用的实际情况，结合煤矿标准化管理的具体要求和现场工人的反馈，总结出以下适合安装的位置：①调度室；②行人井口；③井下文化长廊；④各个候车点；⑤各个避难硐室；⑥井下需要线路导引的各个交叉路口；⑦综采工作面交接班联巷和设备列车集控中心；⑧掘进工作面交接班处；⑨井下各个变电所；⑩井下各个水泵房。

（2）维护防护措施

硬件显示器自身具备防尘和防水性能，防护等级为IP54。考虑煤矿井下环境恶劣以及硬件设备安装和移动方便，专门定制了显示器防护外壳和支架。显示器防护外壳采用304不锈钢，表面喷涂处理防静电，面板采用钢化玻璃，盖板配备高强气撑杆和机械防护撑杆，外壳出音孔有防尘棉，底座可调节，且设有电源位置，将电源放置在底座面板上，进一步增加稳定性。除日常简单维护之外，可根据设备具体使用情况，至少每月派专人入井进行全面检测和维护，发现问题及时处理。

（3）成本费用对比

目前，由于传统印制牌板属于消耗品，中大型煤矿企业每年在传统印制牌板上的成本大约在600万~1000万元，各种信息变化导致传统印制牌板需要更换，特别是一些基础信息的变更会导致全矿井的所有传统印制牌板统一更换，成本巨大。而采用煤矿井下标准化智能牌板系统，一次性投入，各种信息变更只需通过软件系统进行变更操作即可，无需更换硬件设备。

成本费用对比举例：假设某大型煤矿企业每年在传统印制牌板上的总成本为800万元，不考虑其他基础信息变更的特殊情况，5年的总成本高达4000万元，且随着时间的推移逐年增加。假设该矿企采用煤矿井下标准化智能牌板系统，考虑到各个应用场景功能有差异，设备成本也略有差异，第1年一次性整体投入300万元左右，第2年起每年维护和升级费用按20万元计算，5年时间的总成本约为380万元。从5年时间的整体总成本来看，采用煤矿井下标准化智能牌板系统的总成本不足传统印制牌板总成本的1/10。

（4）应用效益分析

根据煤矿井下标准化智能牌板系统在安山煤矿、沙梁煤矿和张家峁煤矿应用的实际情况，经过调研和分析发现其应用效益显著，具体包括：①经济效益方面，除了上文提到的成本效益外，还有因为该系统的使用，将大量纸质填报资料通过软件做成了电子填报，节约了大量打印纸张和墨盒等耗材，由此产生的隐形经济效益也是非常可观的；②管理效益方面，该系统在井下相关区域替代传统印制牌板，有效提高了煤矿标准化管理的质量和效率，同时也满足了智能化建设对高效传递信息的要求，特别是电子填报获得井下一线第一手管理数据并通过网络进行传输，提高了管理人员对井下现场管理的效率，并减少了井下工人对传统印制牌板的搬运、安装和维护等工作；③安全效益方面，该系统作为一种在井下一线应用的智能化大屏显示设备，能够实时发布安全预警信息以及工作现场全信息展示，让一线工作人员及时掌握工作现场各种显性和隐性安全信息，提升了煤矿井下现场安全管理的水平。