數(shù)字礦山一體化平臺研究與實現(xiàn)

文/唐 珂

近年來，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展思路的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，國家提出通過自動化、信息化對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造實現(xiàn)升級換代，實現(xiàn)兩化融合，促進工業(yè)企業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，這對煤礦生產(chǎn)、安全和科技發(fā)展提出了更高的要求。目前，煤炭生產(chǎn)正處在從自動化向信息化和智能化生產(chǎn)過渡階段。由于存在著數(shù)據(jù)共享、利用率低、不能聯(lián)動等問題，迫切需要我們對煤礦信息化手段進行深入研究，利用信息技術(shù)、自動化技術(shù)切實改造和提升煤炭企業(yè)人、財、物、產(chǎn)、供、銷等各個方面，最終達到優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)效益最大化的目標。

一、數(shù)字礦山一體化平臺提出的背景

數(shù)字礦山中提出了數(shù)字礦山的應(yīng)用架構(gòu)自下而上分為設(shè)備層、控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、決策支持層五層，在控制層和生產(chǎn)執(zhí)行層分別規(guī)劃設(shè)計了2個平臺軟件：生產(chǎn)綜合監(jiān)控平臺和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)平臺。作為生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心，生產(chǎn)綜合監(jiān)控平臺主要完成對現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制的集成，為現(xiàn)場運行人員提供一個整體的展現(xiàn)；生產(chǎn)執(zhí)行平臺是生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的核心支撐，主要為生產(chǎn)過程管理各子系統(tǒng)提供支撐平臺，并支撐與生產(chǎn)經(jīng)營層和控制層系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。對于不同層級間的數(shù)據(jù)交換接口進行了初步定義。

生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)軟件平臺應(yīng)是一體化的軟件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對各子系統(tǒng)的集成，完成數(shù)據(jù)的集成、共享和應(yīng)用，該平臺的主要功能包括：

1.實現(xiàn)單點登錄；

2.實現(xiàn)工作流程的定義與修改；

3.與生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)無縫融合，支持工藝畫面、趨勢、報警、視頻圖像等的綜合顯示；

4.實現(xiàn)設(shè)備運行參數(shù)、人員車輛數(shù)據(jù)的顯示與查詢；

5.可以將綜合分析指標推送到PDA顯示，也可在PDA上查詢相應(yīng)指標；

6.設(shè)備運行績效及能耗分析；

7.實現(xiàn)礦山建模；

8.支持生產(chǎn)、調(diào)度、機電、一通三防、設(shè)計、環(huán)保、安全、煤質(zhì)、綜合分析及三維展示等系統(tǒng)的運行。

在平臺的技術(shù)實現(xiàn)上，應(yīng)具備：

1.實現(xiàn)企業(yè)服務(wù)總線；

2.實現(xiàn)系統(tǒng)權(quán)限和用戶管理；

3.實現(xiàn)信息服務(wù)，包括數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)管理、信息轉(zhuǎn)換與全文檢索；

4.實現(xiàn)文檔管理、技術(shù)支持等伙伴服務(wù)；

5.實現(xiàn)外系統(tǒng)的接入服務(wù)，如應(yīng)用適配器、數(shù)據(jù)適配器等；在集成方式上，可以數(shù)據(jù)集成、流程集成和界面集成；

6.實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程、工作流程的設(shè)定；

7.實現(xiàn)相關(guān)的管理服務(wù)，如平臺管理、集成管理、服務(wù)管理等；

8.實現(xiàn)開放的開發(fā)服務(wù)，如輔助開發(fā)、業(yè)務(wù)定制、流程定制、報表定制等。

二、數(shù)字礦山一體化平臺技術(shù)方案

(一)架構(gòu)模型概述

一體化軟件平臺用于支撐數(shù)字化礦山業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)類應(yīng)用開發(fā)，位于基礎(chǔ)件與應(yīng)用系統(tǒng)之間，通過統(tǒng)一技術(shù)框架、制定技術(shù)規(guī)范、提供基礎(chǔ)構(gòu)件和業(yè)務(wù)構(gòu)件，從而達到提高開發(fā)效率、提升產(chǎn)能的目標?；谏袢A綜合自動化技術(shù)現(xiàn)狀和項目需求，一體化軟件平臺側(cè)重于規(guī)范、即插即用構(gòu)件等可快速提高開發(fā)效率的部分的研發(fā)。

圖1 數(shù)字礦山一體化軟件平臺架構(gòu)

數(shù)字化礦山規(guī)劃需求一體化軟件架構(gòu)模型包括以下部分：

1.服務(wù)總線技術(shù)

服務(wù)總線（ESB）是傳統(tǒng)中間件技術(shù)與XML、Web服務(wù)等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。ESB提供了網(wǎng)絡(luò)中最基本的連接中樞，是構(gòu)筑企業(yè)神經(jīng)系統(tǒng)的必要元素，是面向服務(wù)的“一體化軟件平臺”的核心內(nèi)容。

服務(wù)總線的概念是從面向服務(wù)體系架構(gòu) (Service-OrientedArchitecture，SOA)發(fā)展而來的。 SOA描述了一種IT基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用集成模型，其中的軟構(gòu)件集是以一種定義清晰的層次化結(jié)構(gòu)相互耦合。其中，一個ESB是一個預(yù)先組裝的SOA實現(xiàn)，它包含了實現(xiàn)SOA分層目標所必需的基礎(chǔ)功能部件。

2.數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)

數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)作為SOA架構(gòu)的主要服務(wù)功能實現(xiàn)。首先數(shù)據(jù)服務(wù)屏蔽基礎(chǔ)設(shè)施中提供的各種數(shù)據(jù)源。從建立核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)入手，對數(shù)字礦山數(shù)據(jù)需求和數(shù)據(jù)間關(guān)系進行服務(wù)抽象，并將結(jié)果綜合起來形成數(shù)據(jù)分布，繼而對數(shù)據(jù)在不同業(yè)務(wù)場景中的流向進行抽象描述，理順數(shù)字礦山中的數(shù)據(jù)布局。同時數(shù)據(jù)服務(wù)依托ESB對外提供標準數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)架構(gòu)及其提供數(shù)據(jù)共享的構(gòu)建方法。

3.流程服務(wù)技術(shù)

工作流（Workflow）是對工作流程及其各操作步驟之間業(yè)務(wù)規(guī)則的抽象、概括、描述?！耙惑w化軟件平臺”工作流程服務(wù)的主要功能是通過服務(wù)總線支持去定義、執(zhí)行和管理數(shù)字化礦山的業(yè)務(wù)流，協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)流執(zhí)行過程中工作之間以及群體成員之間的信息交互，為服務(wù)使用對象提供業(yè)務(wù)流支撐。

4.交互服務(wù)技術(shù)

交互服務(wù)是 “一體化軟件平臺”中業(yè)務(wù)模塊提供給業(yè)務(wù)人員使用和操作的方式，直接表現(xiàn)為軟件的交互界面?！耙惑w化軟件平臺”交互界面包括Web界面和Winform界面，重點需要研究Web和Winform結(jié)合，要應(yīng)兼顧Web頁面的美觀和Winform界面的穩(wěn)定、易用優(yōu)點，避免Web頁面的開發(fā)難度大和Winform界面部署復雜的弱點，打造靈活且易于擴展的統(tǒng)一平臺。

5.接入服務(wù)技術(shù)

接入服務(wù)是研究在異構(gòu)平臺、不同子系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和業(yè)務(wù)自動處理。通過接入服務(wù)，“一體化軟件平臺”可以實現(xiàn)和外系統(tǒng)獨立應(yīng)用程序 （如各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)等）或獨立系統(tǒng)的軟件的連接，即使它們具有不同的平臺，也可以實現(xiàn)相互之間交換信息。一體化平臺提供了平臺數(shù)據(jù)適配器及應(yīng)用適配器為外系統(tǒng)提供服務(wù)。平臺數(shù)據(jù)適配器完成平臺數(shù)據(jù)的共享及數(shù)據(jù)接收任務(wù)，應(yīng)用適配器提供平臺基礎(chǔ)及業(yè)務(wù)邏輯為外系統(tǒng)使用。

(二)技術(shù)框架

一體化軟件平臺采用基于SOA的技術(shù)架構(gòu)。以總線服務(wù)為中心，總線是面向SOA的技術(shù)核心，提供數(shù)據(jù)通訊、協(xié)議轉(zhuǎn)換等標準xml交換通道；展示層為融合一體化思想，提供對WPFUI、webUI等支持；商業(yè)流程層以插件化擴展業(yè)務(wù)功能，對調(diào)度管理、煤質(zhì)管理等自由拆裝集成。服務(wù)層以總線為標準提供服務(wù)訪問能力，支持wcf和WebService通用xml標準；組件層通過ORM，數(shù)據(jù)庫模型到實體模型映射，處理緩存及并發(fā)機制；基礎(chǔ)設(shè)施中平臺數(shù)據(jù)庫以SqlServer為主，兼容Oracle等大型數(shù)據(jù)庫；管理服務(wù)將對平臺的易用性及擴展性提供必要支持。

圖2 數(shù)字礦山一體化軟件平臺技術(shù)架構(gòu)

三、數(shù)字礦山一體化平臺實施與應(yīng)用

數(shù)字礦山一體化平臺的實施將形成一個平臺、兩套工具，一個平臺為一體化軟件開發(fā)基礎(chǔ)運行平臺，包括：基礎(chǔ)平臺、基礎(chǔ)服務(wù)和服務(wù)總線。兩套工具包括服務(wù)管理工具、輔助開發(fā)工具。

（一）基礎(chǔ)平臺

基礎(chǔ)平臺軟件是以數(shù)字化礦山業(yè)務(wù)為導向，可快速構(gòu)建應(yīng)用軟件的平臺。它解決了管理軟件的業(yè)務(wù)描述以及與操作系統(tǒng)、軟件基礎(chǔ)構(gòu)架平臺之間的交互管理問題，同時它屏蔽了技術(shù)細節(jié)，使開發(fā)人員能夠集中全力關(guān)注產(chǎn)品研發(fā)中的業(yè)務(wù)與管理問題，從而提高了產(chǎn)品研發(fā)效率。一體化平臺基礎(chǔ)平臺實現(xiàn)的主要功能包括：

1.系統(tǒng)字典

系統(tǒng)字典由系統(tǒng)管理員進行維護，用于為其他系統(tǒng)及業(yè)務(wù)模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

2.數(shù)據(jù)字典

數(shù)據(jù)字典由系統(tǒng)管理員根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求進行維護的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

3.系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)模塊提供對基礎(chǔ)平臺上加載運行的所有模塊進行字典信息的定義，可用于制定與模塊相關(guān)的編碼規(guī)則以及生成具有特定含義的編碼。

4.業(yè)務(wù)單據(jù)規(guī)則

業(yè)務(wù)單據(jù)規(guī)則是指為了業(yè)務(wù)單據(jù)能夠自動生成有實際意義的、規(guī)則性的編號而制定的一個或一組生成規(guī)則。

5.排班管理

排班管理主要包括班次信息維護、班組信息維護、工作日歷信息維護、排班策略維護、排班生成。

6.用戶管理

用戶管理用于對登錄系統(tǒng)的賬戶進行管理，同時在用戶管理中可以為每個用戶分配角色以及進行功能授權(quán)。

7.角色管理

角色管理用于對登錄系統(tǒng)的賬戶所擁有的角色進行管理。

8.組織機構(gòu)管理

組織機構(gòu)管理用于管理單位和部門信息以及他們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并以樹形列表形式展現(xiàn)。

9.人員管理

人員管理用于管理系統(tǒng)實際使用人員的信息，每個人員可以屬于一個或多個部門。

（二）基礎(chǔ)服務(wù)

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)是構(gòu)造分布式系統(tǒng)的應(yīng)用程序的方法。它將應(yīng)用程序功能作為服務(wù)發(fā)送給最終用戶或者其他服務(wù)，采用開放標準、與軟件資源進行交互并采用表示的標準方式。數(shù)字化礦山技術(shù)研究上選擇面向服務(wù)開發(fā)的方法論。一體化平臺服務(wù)主要功能包括：

1.基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)

對系統(tǒng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行維護，涉及的模塊包括菜單、人員、用戶、角色、崗位、組織機構(gòu)、消息提醒、業(yè)務(wù)提醒等。

2.系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)

對系統(tǒng)全局數(shù)據(jù)信息進行維護，涉及的模塊包括系統(tǒng)模塊、系統(tǒng)字典、數(shù)據(jù)字典、業(yè)務(wù)單據(jù)規(guī)則。

3.日志服務(wù)

提供用戶日常操作日志的查詢功能，為日后企業(yè)審計工作提供數(shù)據(jù)。

4.排班服務(wù)

對排班策略及相關(guān)參數(shù)信息進行分析處理。

5.單點登錄服務(wù)

單點登錄是指在多個應(yīng)用系統(tǒng)中，用戶只需要登錄一次就可以訪問所有相互信任的應(yīng)用系統(tǒng)。

6.文件服務(wù)

為用戶上傳、下載文件提供服務(wù)，而無需使用FTP等其他方式，并且性能高效、可靠性高。

（三）服務(wù)總線

一體化軟件平臺服務(wù)總線主要功能包括：

1.數(shù)據(jù)請求應(yīng)答

客戶端發(fā)送請求命令到服務(wù)器，服務(wù)器處理請求，返回消息到客戶端，客戶端可以根據(jù)消息判斷調(diào)用是否完成，獲取需要的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)調(diào)用。

2.數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱

客戶端向服務(wù)器訂閱和發(fā)布消息。服務(wù)器接收訂閱，并生成訂閱客戶端列表；接收發(fā)布，并將消息推送到已訂閱特定消息的客戶端。

3.服務(wù)調(diào)用框架

抽象出全局操作和全局對象，基于配置，采用依賴注入和動態(tài)代理的技術(shù)，對數(shù)據(jù)服務(wù)/訂閱發(fā)布服務(wù)/數(shù)據(jù)服務(wù)/和文件服務(wù)進行統(tǒng)一調(diào)用，提高易用性。

4.總線運行宿主

宿主內(nèi)置對象容器，動態(tài)裝載并以Windows服務(wù)的形式承載服務(wù)，提供元數(shù)據(jù)支持。開放服務(wù)管理接口，易于開發(fā)服務(wù)管理模塊。

（四）服務(wù)管理工具

面向SOA架構(gòu)技術(shù)研究中各項任務(wù)都以服務(wù)形式表現(xiàn)，通過服務(wù)總線對所有服務(wù)進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理。一體化平臺管理服務(wù)主要功能包括：

1.服務(wù)狀態(tài)

服務(wù)狀態(tài)功能分類顯示一體化平臺各種服務(wù)的運行情況。分類包括基礎(chǔ)服務(wù)、文件服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等。顯示內(nèi)容包括服務(wù)名稱、狀態(tài)和地址。

2.Web服務(wù)管理

Web服務(wù)是一體化平臺的B/S架構(gòu)中的Web應(yīng)用服務(wù)器管理。主要完成對Web應(yīng)用服務(wù)中文件的更新備份。

3.文件服務(wù)管理

文件服務(wù)對外提供文件的存儲、更新、下載功能。文件服務(wù)可以方便業(yè)務(wù)系統(tǒng)對文件控制需求。文件服務(wù)管理完成文件服務(wù)的安裝、拆卸、啟停、測試功能。

4.數(shù)據(jù)服務(wù)管理

數(shù)據(jù)服務(wù)對外提供數(shù)據(jù)訪問，數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)來源可以是Oracle、SqlServer等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，對外以實體模型提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務(wù)管理完成數(shù)據(jù)服務(wù)的安裝、拆卸、啟停、測試功能。

（五）輔助開發(fā)工具

“一體化軟件平臺”可以實現(xiàn)以基礎(chǔ)平臺架構(gòu)為支撐的多種服務(wù)擴展。服務(wù)擴展以各種服務(wù)本地化使用及二次開發(fā)的形式表現(xiàn)，根據(jù)不同客戶的需要進行定制修改、功能擴展。一體化平臺輔助開發(fā)主要功能包括：

1.UI/UE模版

UI/UE是軟件使用的臉面，直接面對使用人員。一體化平臺項目形成了統(tǒng)一的UI/UE模版。包括可定制登錄頁面、專業(yè)化的虛擬桌面、標準化表單。

2.服務(wù)開發(fā)輔助

一體化平臺是面向服務(wù)的開發(fā)模式，服務(wù)提供是面向服務(wù)的關(guān)鍵功能，作為輔助開發(fā)工具，對服務(wù)的快速開發(fā)，二次開發(fā)是必備功能。輔助開發(fā)服務(wù)開發(fā)功能可以提供對服務(wù)的圖形化、模板化輔助開發(fā)。

3.頁面開發(fā)輔助

頁面開發(fā)輔助基于標準UI/UE模版、提供快速實現(xiàn)頁面能力，同時頁面功能基于模版驅(qū)動，可以通過修改模版來滿足對不同功能需求的要求。

四、結(jié)論

建設(shè)“一體化軟件平臺”，可以將目前煤炭板塊各種生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用有機地整合在一起，完成管控一體化，具體包括：

1.把煤炭生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)集中起來，實現(xiàn)對于一手數(shù)據(jù)的準確掌握，通過減少中間傳輸合處理的環(huán)節(jié)，降低了數(shù)據(jù)錯誤和誤差發(fā)生的次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)在不同業(yè)務(wù)部門間流通的數(shù)據(jù)使用率，做到一次采集，重復利用。

2.使下屬公司內(nèi)部各業(yè)務(wù)部門與下級單位之間能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸，彼此之間能夠更加密切地協(xié)同工作，充分實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.為各層面領(lǐng)導者、管理者提供一個可獲取更全面的生產(chǎn)決策信息的平臺，能夠及時地對生產(chǎn)過程進行分析和把握，合理安排生產(chǎn)，極大地提高生產(chǎn)管理能力與效率。