煤礦安全監(jiān)控多系統(tǒng)融合與聯(lián)動交互方案

張 翼

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 400039）

2016年底，國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的通知（簡稱5號文）[1]，將煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造推向了高潮。5號文中，在多系統(tǒng)融合方面，提出了地面和井下2種融合方式，鼓勵新安裝的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用井下融合方式[1]。目前煤礦基本都已安裝了安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播等系統(tǒng)，因此多系統(tǒng)融合在一定時間內(nèi)仍將以地面融合為主。而地面融合面臨系統(tǒng)廠家眾多、信息存儲與交互形式各異等問題。如何制定滿足融合需求、可靠性高，同時易于其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入和協(xié)作的交互方案成為多系統(tǒng)融合的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動控制分析

1.1 需要融合的業(yè)務(wù)系統(tǒng)分析

在5號文中，政策導(dǎo)向方面明確要求“在地面統(tǒng)一平臺上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測、人員定位、應(yīng)急廣播，如有供電監(jiān)控系統(tǒng)，也應(yīng)融入。其它可考慮融合的系統(tǒng)：視頻監(jiān)控、無線通信、設(shè)備監(jiān)測、車輛監(jiān)測等”[1]。

在煤礦實際需求上，從數(shù)據(jù)綜合呈現(xiàn)與應(yīng)用分析方面看，主要考慮安全監(jiān)控、人員定位、車輛監(jiān)測、礦壓監(jiān)測等系統(tǒng)；從應(yīng)急聯(lián)動方面看，主要考慮安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播、供電監(jiān)控、視頻監(jiān)控、調(diào)度通信等。

綜合考慮，融合的系統(tǒng)主要為安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播、供電監(jiān)控、視頻監(jiān)控、調(diào)度通信、礦壓監(jiān)測等。除此外，也可以考慮將生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)納入融合平臺。

1.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

通過對融合系統(tǒng)的分析，可將系統(tǒng)分為各具特點(diǎn)的3大類。

1）實時監(jiān)控與后期分析結(jié)合類系統(tǒng)。如安全監(jiān)控、人員定位、礦壓監(jiān)測等系統(tǒng)，這類系統(tǒng)除具有實時監(jiān)測、控制外，還會開展二次分析與統(tǒng)計。

2）單實時監(jiān)控制類。如煤礦應(yīng)急廣播、煤礦供電監(jiān)控、調(diào)度通信等系統(tǒng)，這類系統(tǒng)通常只進(jìn)行實時監(jiān)測與控制。

3）單接入類。如視頻監(jiān)控等，這類系統(tǒng)通常無需數(shù)據(jù)接入，只需按一定的方式進(jìn)行集成即可。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動數(shù)據(jù)交互協(xié)議與接口設(shè)計時，需充分考慮不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，最大程度兼顧差異。

1.3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)分析

以總體需求為指導(dǎo)，結(jié)合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，得出各業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)。①安全監(jiān)控系統(tǒng)：因融合平臺以安全監(jiān)控系統(tǒng)為主體，因此安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將全部接入，主要包括實時狀態(tài)、運(yùn)行記錄、異常狀態(tài)記錄、定義信息等數(shù)據(jù)；②人員定位系統(tǒng)：主要包括定位設(shè)備定義及狀態(tài)、人員基本信息、井下人員實時、出入井記錄等數(shù)據(jù)[2]；③應(yīng)急廣播：主要包括設(shè)備定義、播放狀態(tài)等數(shù)據(jù)[3]；④供電監(jiān)控：主要包括設(shè)備（開關(guān)）定義、實時狀態(tài)、歷史運(yùn)行記錄、異常狀態(tài)記錄等數(shù)據(jù)[4]；⑤調(diào)度通信：主要包括電話薄、實時通話狀態(tài)、歷史通話記錄等數(shù)據(jù)；⑥礦壓監(jiān)測：主要包括實時監(jiān)測、歷史運(yùn)行記錄、異常記錄等數(shù)據(jù)；⑦視頻監(jiān)控系統(tǒng)：主要為實時視頻流數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)一般以視頻服務(wù)器進(jìn)行支撐，無需額外采集。

通過上述分析，可將數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)3大類。

1.4 聯(lián)動控制分析

參與聯(lián)動控制的系統(tǒng)主要包括安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播、供電監(jiān)控、調(diào)度通信等系統(tǒng)。各系統(tǒng)的控制業(yè)務(wù)主要為：安全監(jiān)控系統(tǒng)控制特定區(qū)域斷電；人員定位系統(tǒng)通知人員緊急撤離或是回電話；供電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行斷電、復(fù)電控制[4]；應(yīng)急廣播系統(tǒng)播放特定的音頻或是喊話等；調(diào)度通信系統(tǒng)發(fā)起特定號碼的呼叫、發(fā)短信或播放警示音頻。

聯(lián)動控制的觸發(fā)主要由安全監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)。如某工作面瓦斯超限，此時可切斷相關(guān)電源、通知人員撤離、調(diào)用視頻查看現(xiàn)場情況。除此之外，也可以由其它系統(tǒng)觸發(fā)。如人員定位識別出限制區(qū)域有人闖入時，可發(fā)起視頻監(jiān)控、人員定位、調(diào)度通信等系統(tǒng)的聯(lián)動。

2 數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動協(xié)議設(shè)計

由于協(xié)議需兼容不同廠家的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，因此必須深入挖掘系統(tǒng)本質(zhì)，設(shè)計出包容性更強(qiáng)的規(guī)范。通過分析得出設(shè)計的主要原則為：①融合協(xié)議要求的數(shù)據(jù)應(yīng)是大部分廠家都能提供的；②應(yīng)以融合總體需求為指導(dǎo)，定義有必要的融合數(shù)據(jù)，減少業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，提高穩(wěn)定性；③協(xié)議應(yīng)是簡單的，可以適當(dāng)?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)降低數(shù)據(jù)之間的耦合度；④相似的數(shù)據(jù)盡量使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，降低數(shù)據(jù)解析與后期分析利用的難度；⑤聯(lián)動指令應(yīng)是實用的、簡單的，不涉及或少涉及復(fù)雜指令集；⑥安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動應(yīng)是全面、完整的（因不涉及其它廠家）。

根據(jù)以上原則，以及對市場占有率較高的幾大主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能分析后，設(shè)計出數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動協(xié)議如下。

1）人員定位系統(tǒng)。設(shè)備定義及實時狀態(tài)[設(shè)備編碼、安裝位置、類型、狀態(tài)描述、統(tǒng)一狀態(tài)碼、更新時間等]；人員基本信息[卡號、姓名、部門、工種、職務(wù)等]；人員實時數(shù)據(jù)[卡號、姓名、部門、當(dāng)前位置、到達(dá)時間、入井時間、班次、狀態(tài)等]；人員軌跡數(shù)據(jù)[卡號、姓名、部門、經(jīng)過地點(diǎn)、經(jīng)過時間等]；出入井記錄數(shù)據(jù)[卡號、姓名、部門、入井時間、出井時間、班次、狀態(tài)等]；聯(lián)動指令[全礦撤離、區(qū)域撤離、單人撤離、通知回電話等]。

2）應(yīng)急廣播系統(tǒng)。設(shè)備定義以及實時狀態(tài)[設(shè)備編碼、安裝位置、類型、狀態(tài)描述(含播放狀態(tài)）、統(tǒng)一狀態(tài)碼、更新時間等]；聯(lián)動指令[單播、組播、全礦廣播等]。

3）供電監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)備（開關(guān)）定義及實時狀態(tài)[設(shè)備編碼、安裝位置、類型、狀態(tài)描述(分閘合閘狀態(tài))、統(tǒng)一狀態(tài)碼、更新時間、擴(kuò)展信息（包括電流、電壓等參數(shù)）等]；聯(lián)動指令[開關(guān)分閘、開關(guān)合閘]。

4）調(diào)度通信。電話薄數(shù)據(jù)[號碼、權(quán)限、使用者描述等]；電話實時狀態(tài)[號碼、主被叫標(biāo)志、接通狀態(tài)、接通時間等]；通話記錄數(shù)據(jù)[主叫號碼、被叫號碼、狀態(tài)、發(fā)起時間、接通時間、掛斷電話等]；聯(lián)動指令[單呼電話、組呼電話、單發(fā)短信、組發(fā)短信、單發(fā)音頻、組發(fā)音頻等]。

其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)參考以上進(jìn)行設(shè)計。

3 數(shù)據(jù)交互接口設(shè)計

數(shù)據(jù)交互接口指在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時所使用的技術(shù)以及具體的實現(xiàn)方法。這通常與數(shù)據(jù)內(nèi)容與交互場景有關(guān)。因此在數(shù)據(jù)交互接口設(shè)計時，首先要選擇在當(dāng)前場景下適用的技術(shù)，然后組合技術(shù)與數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行具體的接口設(shè)計。

3.1 交互環(huán)境分析

通過分析，安全監(jiān)控系統(tǒng)多系統(tǒng)融合與聯(lián)動的數(shù)據(jù)交互的特點(diǎn)主要有：①都處在同一煤礦；②實時性要求高；③涉及雙向交互；④涉及控制指令，對可靠性要求更高。

此交互環(huán)境與傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（是煤炭行業(yè)數(shù)據(jù)交互應(yīng)用最廣的系統(tǒng)，具有較高的代表性）對比更能直觀地說明問題：①聯(lián)網(wǎng)項目運(yùn)行在多個企業(yè)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而融合平臺處在同一個企業(yè)中，即使不在同一網(wǎng)段，通過配置也能使不同的服務(wù)器直接（或間接）連通，網(wǎng)絡(luò)相對穩(wěn)定、速度快、質(zhì)量有保障;②由于融合平臺和融合的原業(yè)務(wù)系統(tǒng)都在同一礦中，甚至就在旁邊，這比聯(lián)網(wǎng)項目的實時性、可靠性及數(shù)據(jù)還原能力要求更高;③聯(lián)網(wǎng)項目數(shù)據(jù)通常都是單向上傳，不涉及或很少涉及雙向交互，而融合平臺涉及聯(lián)動控制，必須進(jìn)行高效的、可靠的雙向交互。

3.2 交互技術(shù)選用決策分析

通過對交互環(huán)竟、交互數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定交互技術(shù)選用決策指標(biāo)為穩(wěn)定性、普遍性、跨平臺性、實現(xiàn)簡單、便于調(diào)試、透明度高、技術(shù)難度低、環(huán)節(jié)少（指實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)交互需要的步驟數(shù)量，環(huán)節(jié)越少越好）等。根據(jù)這些指標(biāo)對常用技術(shù)[5-6]（Socket、HTML含 WCFWebService、OPC、FTP、數(shù)據(jù)庫等）進(jìn)行分析，交互技術(shù)選用決策分析表見表1。

表1 交互技術(shù)選用決策分析表

在考慮各指標(biāo)的權(quán)重占比后，可計算得出DB（數(shù)據(jù)庫）方式的得分最高、FTP次之。另外通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤礦行業(yè)使用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫的比例最高，因此最終選擇Microsoft SQL Serve數(shù)據(jù)庫為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.3 數(shù)據(jù)交互接口設(shè)計

在使用數(shù)據(jù)庫作為交互載體時，可以采用操作數(shù)據(jù)庫表、調(diào)用存儲過程等多種方式進(jìn)行交互。存儲過程，在當(dāng)前環(huán)境下可理解為一個遠(yuǎn)程函數(shù)，比直接操作數(shù)據(jù)庫表更有優(yōu)勢[7-9]。主要體現(xiàn)在：①對數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行了封裝，免除調(diào)用者對存儲物理結(jié)構(gòu)的理解，在調(diào)用更加方便的同時更具有擴(kuò)展性；②對數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行了隔離，使數(shù)據(jù)庫表更安全，并可在存儲管程中進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，保存進(jìn)入表的數(shù)據(jù)的合法性；③強(qiáng)化了數(shù)據(jù)的控制能力，使同一個表可保存不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)在可控范圍內(nèi)變更；④在存儲過程中可加入日志記錄、上傳最后時間等內(nèi)容便于分析和追蹤問題。

根據(jù)上傳數(shù)據(jù)的內(nèi)容及存儲過程自身的特點(diǎn)，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的每一類數(shù)據(jù)都定義1個存儲過程進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，每次調(diào)用只上傳1項數(shù)據(jù)。同時，為便于數(shù)據(jù)上傳的管理，在開始一類數(shù)據(jù)上傳之前調(diào)用上傳開始，上傳結(jié)束后調(diào)用上傳完成。即每一類數(shù)據(jù)對應(yīng)1組接口，形如：

Update_X_Start：開始上傳X數(shù)據(jù)；

Update_X：上傳1項X數(shù)據(jù)；

Update_X_End：完成所有X類數(shù)據(jù)上傳。

聯(lián)動控制命令則設(shè)計1個獲取命令的存儲過程，和1個返回命令執(zhí)行結(jié)果的存儲過程即可。

3.4 數(shù)據(jù)交互流程

數(shù)據(jù)交互主要分為數(shù)據(jù)融合上傳和聯(lián)動控制互動。在交互之前管理員向第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)分配登錄數(shù)據(jù)庫的用戶，以及交互接口登錄用戶。交互過程如圖1。聯(lián)動控制與此基本相同，在獲取命令后，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)執(zhí)行，并反饋執(zhí)行結(jié)果。

3.5 性能優(yōu)化與數(shù)據(jù)交互頻率確定

系統(tǒng)融合與聯(lián)動以高效的數(shù)據(jù)交互為基礎(chǔ)，因此對數(shù)據(jù)交互的實時性要求較高。因聯(lián)動控制命令數(shù)據(jù)少，因此數(shù)據(jù)交互的瓶頸在于業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合至平臺。每一項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳，較為理想的方案的步驟為：①安全驗證；②判斷數(shù)據(jù)庫中是否已有本次上傳的數(shù)據(jù)；③有數(shù)據(jù)則更新，無數(shù)據(jù)則插入；④記錄本次操作的日志。

結(jié)合效率需求與實際情況，可將日志記錄移到Update_X_Start與Update_X_End,不必每上傳1項數(shù)據(jù)都記錄日志（對于一些重要的操作，仍可在每1條數(shù)據(jù)中進(jìn)行日志記錄，這需要在效率與實際情況兩者間權(quán)衡）。對于數(shù)據(jù)是否存在的不同操作，可先使用更新，然后判斷影響的行數(shù)。如果影響行數(shù)為0再插入。優(yōu)化后的每一條數(shù)據(jù)上傳完整過程如圖2。

圖1 數(shù)據(jù)交互流程示意圖

圖2 優(yōu)化后的每一條數(shù)據(jù)上傳完整過程

經(jīng)過優(yōu)化，對典型接口進(jìn)行性能測試，結(jié)果約為600條/s（這一測試結(jié)果與測試環(huán)境有關(guān)）。

結(jié)合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實際需求和數(shù)據(jù)量，可初步確定數(shù)據(jù)交互的各類數(shù)據(jù)交互頻率為：①實時數(shù)據(jù)每5 s 1次；②及時數(shù)據(jù)5 min 1次；③定義數(shù)據(jù)（一般不變化）2 h 1次。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)以此為指導(dǎo)，結(jié)合數(shù)據(jù)特點(diǎn)確定最終的交互頻率。

3.6 安全性設(shè)計

安全性是各類系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，是防止數(shù)據(jù)被有意或無意破壞的重要手段。由于數(shù)據(jù)庫自身有著強(qiáng)大的安全管理機(jī)制，因此采用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時，在安全性上具有先天優(yōu)勢。直接利用數(shù)據(jù)庫的安全管理，為不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互程序分配不同的數(shù)據(jù)庫登錄用戶即可[10-11]。在進(jìn)行權(quán)限分配時，只給予對應(yīng)的存儲過程調(diào)用權(quán)限（可適時開放數(shù)據(jù)查看權(quán)限方便調(diào)試）即可保證數(shù)據(jù)的安全性。除此外，建立交互接口登錄機(jī)制，在數(shù)據(jù)上傳之前進(jìn)行登錄驗證，驗證通過后才能正常調(diào)用相關(guān)接口。

4 結(jié)語

在交互協(xié)議方面，通過對相關(guān)政策、煤礦現(xiàn)狀等的分析，明確了應(yīng)主要考慮的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，該協(xié)議覆蓋煤礦主要監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)融合所需。在交互技術(shù)方面，通過對穩(wěn)定性、普遍性、跨平臺等指標(biāo)的對比分析，確立以數(shù)據(jù)庫儲過程技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對接口形式、流程、效率、安全性進(jìn)行充分設(shè)計和優(yōu)化。該方案在滿足數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動的具體需求的同時，具有效率高、可靠性強(qiáng)、便于聯(lián)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，且適用于不同的監(jiān)控系統(tǒng)。