關于煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中數據集成的研究

胡孝保

【摘 要】煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的安全生產中起著舉足輕重的作用，本文就煤礦監(jiān)控數據集成中數據集成協(xié)議、數據集成方式、數據壓縮和數據彌補等問題進行探討并提出相應的解決思路。

【關鍵詞】煤礦；監(jiān)測監(jiān)控；數據集成

0.前言

在煤礦安全生產中，裝備礦井安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、可視等多功能的網絡管理系統(tǒng)，是提高礦井現代化管理水平，達到安全高效目標而不可或缺的舉措。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)作為礦井信息管理系統(tǒng)的一部分，主要用來監(jiān)測井下的各類環(huán)境參數和工況參數，及時提供安全生產環(huán)節(jié)中的信息，通過對信息的分析做出安全生產決策，極大的提高了礦井的防災抗災能力。但監(jiān)測監(jiān)控中采集的大量的監(jiān)測數據都沉睡在各個生產系統(tǒng)的主機中，未能發(fā)揮數據的應有作用，而即使有系統(tǒng)對其數據作了一定的分析和利用，但也只局限于其系統(tǒng)內部，無法針對全礦的各種數據進行綜合分析和利用。因此，建立開放且一致的數據共享平臺顯得尤為重要，而監(jiān)控數據的集成則是該平臺的基礎和必要條件。煤礦監(jiān)控數據集成是將煤礦現有在用的各個監(jiān)控系統(tǒng)的數據通過一定的技術途徑集成到一個共享平臺（即煤礦監(jiān)控數據中心）中，將原本分散于各子系統(tǒng)的數據按照標準的數據集成協(xié)議經轉換、采集、處理、存儲等多個環(huán)節(jié)，最后統(tǒng)一集中存儲于公共的基礎數據庫，從而將一個個數據孤島整合成一個煤礦監(jiān)控數據中心。本文將就煤礦監(jiān)控數據集成中數據集成協(xié)議、數據集成方式、數據壓縮和數據彌補等問題進行探討并提出相應的解決思路。

1.數據集成協(xié)議

由于各監(jiān)控子系統(tǒng)由不同的廠家設計、研發(fā)，采用的技術和數據格式不盡相同。顯然，針對不同的系統(tǒng)、不同的廠家開發(fā)和設計相應的數據采集程序的方案較為復雜，工作量太大，因此，必須提出數據采集的標準協(xié)議，通過讓各監(jiān)控子系統(tǒng)按標準協(xié)議提供數據，數據采集程序才能按照統(tǒng)一的格式采集各系統(tǒng)數據。

協(xié)議的制定需要考慮以下幾個方面的問題：

1.1 協(xié)議的適用性

協(xié)議內容應覆蓋不同系統(tǒng)各種類型的業(yè)務數據，確保各系統(tǒng)的所有數據都能集成進來，比如按模擬量、狀態(tài)量等分類定義數據描述信息等。目前，市場上采用的協(xié)議主要來源于原來安全監(jiān)測系統(tǒng)的聯網協(xié)議，由于當初協(xié)議的制定只限于安全監(jiān)測系統(tǒng)，存在一定的缺陷和遺漏。比如上面提到的適用性問題，原來安全監(jiān)測系統(tǒng)中開關量只有開停2種狀態(tài)，而現在多需要支持故障狀態(tài)，變成了3種狀態(tài)，這樣，原有的協(xié)議就無法滿足要求。事實上，通過對煤礦大多數系統(tǒng)的研究和分析，3種狀態(tài)也不能滿足要求，為了使協(xié)議適應更廣泛的系統(tǒng)，協(xié)議中將開關量修改為狀態(tài)量，可以支持多種狀態(tài)的描述。

1.2 斷點續(xù)傳特性

由于集成的數據來自不同的應用主機，受應用主機穩(wěn)定性、網絡連接可靠性等因素的影響，數據采集可能存在中斷現象。為保證數據的連續(xù)、可靠和準確，協(xié)議應支持斷點續(xù)傳特性，確保在應用主機或網絡連接恢復后，中斷期間的數據仍然能夠傳輸至煤礦監(jiān)控數據中心。

目前，多數協(xié)議未考慮到斷點續(xù)傳問題，一旦發(fā)生網絡故障、采集程序故障等問題，就會丟失數據，影響數據的完整性。

1.3 協(xié)議的一致性

雖然監(jiān)控子系統(tǒng)多樣，但采用的數據接入協(xié)議應一致，這既簡化了子系統(tǒng)廠家按協(xié)議提供數據，又便于煤礦監(jiān)控數據中心的數據接入。

2.數據的集成方式

對不同的監(jiān)控子系統(tǒng)所提供的數據集成方式也有所不同，目前常用的數據接入方式主要為OPC方式和文本文件方式。

2.1 OPC方式

OPC協(xié)議是開放的工業(yè)標準協(xié)議，用于不同系統(tǒng)間的數據交換，WinCC、Intouch、IFix等主流工控廠商的組態(tài)軟件都提供了標準的OPC數據訪問接口。OPC是基于微軟DCOM技術構建，數據傳輸效率較高，響應速度快，但由于DCOM的缺陷，針對OPCServer端的安全配置較為繁瑣，跨防火墻訪問也存在問題。為解決這些問題，也可以采用一些第三方產品，比如MatrikonOPC Tunneller、OPCDataHub等，可以實現跨防火墻訪問、DCOM零配置等，如圖1所示。

圖1 Matr ikonOPC T unneller 產品示意圖

2.2 文本文件方式

各監(jiān)控子系統(tǒng)根據約定的數據集成標準協(xié)議，生成相應的文本文件，集成方讀取和解析文本文件，將數據采集到煤礦監(jiān)控數據中心。

文本文件方式的優(yōu)點在于協(xié)議容易理解，各監(jiān)控子系統(tǒng)廠家容易編寫出相應的數據轉換程序，生成的文本文件可以直接閱讀，便于問題的排除和區(qū)分。而其缺點主要是由于通過磁盤文件來交換數據，數據的傳輸效率較差。

3.數據的壓縮

隨著煤礦生產監(jiān)測系統(tǒng)的不斷完善和增多，產生的監(jiān)測數據也越來越龐大，如果沒有高效的數據壓縮技術，建立煤礦監(jiān)控數據中心將比較困難。由于生產過程實時數據都是秒級甚至毫秒級數據，如果采用傳統(tǒng)的直接采集存儲方案，將會占用大量的存儲空間，大大增加存儲成本并極大地影響系統(tǒng)處理效率。生產過程的原始測量數據中包含大量的冗余和不相關信息，在保留過程特征信號的基礎上剔除冗余和不相關信息，就可以實現數據壓縮。數據壓縮的本質是數據變換，它是在壓縮比和信號保真度或逼近誤差之間尋求一種折衷的方法。過程數據壓縮方法基本分為3種，即分段線性方法、矢量量化方法及信號變換法。而分段線性方法又包括矩形波串法、向后斜率法、SDT（Swing Door Trending，旋轉門）法及PLOT法。

由于過程數據大多是緩慢變化的數據，采用分段線性化的方法可以很好地表示歷史數據的變化趨勢，在工業(yè)過程中應用最多的是SDT方法，它的突出優(yōu)點就是算法簡單、執(zhí)行速度快。國外知名的實時數據庫PI以及部分組態(tài)軟件廠家iFix等都基于該算法來進行數據的壓縮處理。

4.數據的彌補

在數據集成的過程中，可能存在各種原因引起數據丟失情況，比如現場傳感器故障、監(jiān)控子系統(tǒng)主機故障等，為了給數據分析提供完整的數據，需要考慮數據的彌補機制。

彌補的途徑和方法如下：

（1）通過前后關聯傳感器的數據以及數據之間的關聯模型，推算出相應的缺失值。比如工作面瓦斯，可以根據上隅角或回風流瓦斯之間的關聯模型來進行推算，而該數學模型可以通過正常情況下一段時間內的歷史數據，分析和建立兩者之間的數學關系，為數據的彌補提供依據。

（2）通過傳感器過去的值以及相關設備的運行狀態(tài)，推算出相應的缺失值。根據缺失數據時間段的設備運行狀態(tài)以及其它相關參數，在該數據歷史數據中尋找類似的現場狀況下的數據。比如工作面瓦斯?jié)舛?，其影響因素主要有采煤機的開停、風速等，那么類似環(huán)境下的歷史數據則可以彌補缺失的瓦斯?jié)舛葦祿?/p>

5.結語

煤礦井下是一個特殊的工作環(huán)境，有易燃、易爆可燃性氣體和煤塵。監(jiān)控系統(tǒng)作為預防和防止煤礦爆炸等災難性事故起到了不可替代的作用，井下作業(yè)人員生命有了更高的安全保障，減少了國家財產和設備的損失。

【參考文獻】

[1]魏洪新.OPC技術在工業(yè)控制領域的應用研究[J].河北煤炭，2009（1）：22-23，56.

[2]孫繼平.煤礦安全生產監(jiān)控系統(tǒng)聯網[J].工礦自動化，2009（10）：4-7.