基于5G的礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)建設(shè)

張會(huì)振

（神華和利時(shí)信息技術(shù)有限公司，北京 100089）

礦產(chǎn)資源行業(yè)生產(chǎn)高危性質(zhì)已眾所周知，隨著國(guó)家加大對(duì)礦山安全建設(shè)的管控力度，礦業(yè)公司的生產(chǎn)監(jiān)管模式,轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化生產(chǎn)過程安全監(jiān)管。在當(dāng)前這個(gè)信息化時(shí)代，礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管平臺(tái)已經(jīng)向信息化平臺(tái)發(fā)展，但由于科學(xué)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的不夠發(fā)達(dá)，導(dǎo)致現(xiàn)有礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)的建設(shè)始終不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化[1]。隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提出和投入試用，為礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)建設(shè)提供了完善與優(yōu)化的新思路。本文以5G先進(jìn)高頻段通信技術(shù)為切入點(diǎn)，建立一套集實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)管，采集和存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并快速處理和消化信息，分析解決日常監(jiān)管問題的高性能優(yōu)質(zhì)信息化平臺(tái)。提高礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)的性能，為礦山安全生產(chǎn)增添技術(shù)保障，為我國(guó)礦山安全建設(shè)工作的順利開展提供助力。

1 基于5G的礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 引入5G高頻段通信技術(shù)

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站基礎(chǔ)上，礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)引入5G高頻段通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)管信息化平臺(tái)的高速率數(shù)據(jù)傳輸[2]。設(shè)定監(jiān)管信息化平臺(tái)以6GHZ以上的超高頻和30GHZ～60GHZ的極高頻實(shí)施信息傳輸，規(guī)避用戶峰值速率減速過程，最小上傳數(shù)率可達(dá)到數(shù)10Gbps/s。對(duì)端到端時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)彌補(bǔ)，設(shè)置最小延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)在ms級(jí)范圍，選用最新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，密集部署在礦山監(jiān)管區(qū)平臺(tái)，建立穿透力極強(qiáng)的高頻波，穿越礦區(qū)障礙，以此組合成信息傳輸媒介，降低通信網(wǎng)絡(luò)損耗率。是平臺(tái)各個(gè)客戶端基于5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端時(shí)延達(dá)到ms級(jí)，通過技術(shù)彌補(bǔ)，采用新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在礦山密集部署，提升網(wǎng)絡(luò)高頻波在建筑物和障礙物中，信息傳輸穿透力。當(dāng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行端對(duì)端的傳輸時(shí)，將平臺(tái)連接5G網(wǎng)絡(luò)，可提供上傳速率在10Gbps/s～20Gbps/s之間的信息傳輸，礦山通信網(wǎng)絡(luò)損耗度在2%左右，實(shí)現(xiàn)低損耗率信息傳輸，進(jìn)行監(jiān)管信息平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)配備。

1.2 監(jiān)管信息化平臺(tái)結(jié)構(gòu)分層

以上述文章中5G高頻段通信技術(shù)為支撐，通過需求分析得到規(guī)劃設(shè)計(jì)原則，按照上述功能模塊邏輯架構(gòu)對(duì)平臺(tái)各層結(jié)構(gòu)實(shí)施劃分。功能模塊中蘊(yùn)含5G高頻段通信智能DNS功能，高頻段通信特征存在的獨(dú)立開發(fā)性、高集成性，決定了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)為獨(dú)立劃分結(jié)構(gòu)，外網(wǎng)環(huán)境的介入為了能夠區(qū)分現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與5G高頻段通信的通信編碼，避免不同訪問出現(xiàn)混亂情況。監(jiān)管信息化平臺(tái)的智能DNS功能根據(jù)訪問的源端IP，配合5G訪問的域名，將請(qǐng)求解析發(fā)送給需要訪問的環(huán)境中，以此形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)分層。

1.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)的WEB數(shù)據(jù)獲取流程，對(duì)監(jiān)管點(diǎn)基礎(chǔ)信息配置數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)置安全監(jiān)控基礎(chǔ)信息配置數(shù)據(jù)庫(kù)，定義系統(tǒng)提取的各類解除信息，建立監(jiān)測(cè)平臺(tái)主數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)管理；設(shè)置基礎(chǔ)表，記錄所屬礦山的基礎(chǔ)信息的版本信息表，協(xié)議規(guī)范，和聯(lián)網(wǎng)傳輸配置的計(jì)算機(jī)配置表，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)字典和聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，相關(guān)詳細(xì)節(jié)點(diǎn)配置進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。其次，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器，選用字段冗余處理方式，以NETERROR設(shè)置傳輸網(wǎng)絡(luò)故障記錄表，以SQLServer為存儲(chǔ)管理介質(zhì)，利用對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的分區(qū)管理方式，管理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行功能模塊分區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器的設(shè)計(jì)。

1.4 實(shí)現(xiàn)監(jiān)管信息數(shù)據(jù)管理

利用WEB數(shù)據(jù)獲取流程，獲取并解析采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶直觀了解，安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)管信息管理模式。采用分布式，及異地布局方式采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在各節(jié)點(diǎn)分別部署，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，利用各子單位的數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)在總部部署數(shù)據(jù)收集單元，將各子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采用SOA構(gòu)架，和插件化程序，兩相結(jié)合的方式，運(yùn)用綜合數(shù)據(jù)解析，分解各業(yè)務(wù)管理層級(jí)的管理流程，實(shí)現(xiàn)各種開關(guān)量，模擬量的圖形與數(shù)據(jù)，最后基于數(shù)字表格的屏幕顯示，最終，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)監(jiān)管信息，從獲取到處理的綜合管理。

2 礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)性能驗(yàn)證

測(cè)試的目標(biāo)是驗(yàn)證所建設(shè)的信息化平臺(tái)是否能夠達(dá)到使用性能方面的要求，主要參考上述提及的性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)進(jìn)行模擬測(cè)試。將信息平臺(tái)的性能測(cè)試，選擇在最接近生產(chǎn)環(huán)境的仿真環(huán)境進(jìn)行，挑選了上線運(yùn)行的一個(gè)礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于一個(gè)監(jiān)管信息平臺(tái)，礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管人員，會(huì)在一天中不同時(shí)間段，對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的使用頻率呈現(xiàn)變化，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)繁忙程度隨之轉(zhuǎn)換。綜合考慮業(yè)務(wù)功能的訪問及使用情況，選取最高峰情況下的測(cè)試點(diǎn)。應(yīng)該選取使用頻率高、對(duì)服務(wù)器資源占用大、可能對(duì)服務(wù)器造成壓力的功能模塊或功能點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。使用相關(guān)的測(cè)試工具，通過創(chuàng)建若干虛擬用戶，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大用戶量的并發(fā)操作，模擬出業(yè)務(wù)系統(tǒng)最頻繁、承載壓力最大的場(chǎng)景，在該場(chǎng)景下對(duì)監(jiān)管信息平臺(tái)的各項(xiàng)功能模塊進(jìn)行測(cè)試，通過收集功能及頁面的響應(yīng)時(shí)間，分析并判斷各功能和頁面是否能夠滿足性能的要求。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

由于礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)，涉獵的相關(guān)應(yīng)用及通信數(shù)據(jù)較為復(fù)雜和龐大，所以在平臺(tái)測(cè)試階段，需要進(jìn)行一些功能模塊數(shù)據(jù)設(shè)置，并生成量化邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)供測(cè)試使用。

本次性能測(cè)試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備表如表1所示，數(shù)據(jù)量為5萬個(gè)平臺(tái)監(jiān)管信息文件，其中采集文本，傳輸緩存，功能運(yùn)行管理的數(shù)據(jù)量占55%，其他功能模塊的文件占比為45%，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件帶有監(jiān)管處置附件的占比75%。測(cè)試數(shù)據(jù)是通過監(jiān)管平臺(tái)智能系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)試范圍分布為在10個(gè)安全生產(chǎn)部門，500個(gè)新增虛擬用戶。驗(yàn)證場(chǎng)景分為單監(jiān)管場(chǎng)景壓力測(cè)試，混合監(jiān)管場(chǎng)景壓力測(cè)試，疲勞監(jiān)管場(chǎng)景壓力測(cè)試，對(duì)本文建設(shè)的基于5G的礦山監(jiān)管信息平臺(tái)和普通礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。下面對(duì)最具代表性，可說明平臺(tái)使用性能的疲勞測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將監(jiān)管信息平臺(tái)WEB服務(wù)器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的,普通礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，與基于5G的礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，綜合建立對(duì)比柱狀圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖1圖2所示。

圖1 上傳響應(yīng)耗時(shí)對(duì)比圖

圖2 下載響應(yīng)耗時(shí)對(duì)比圖

從圖1和圖2中可以看到，普通和5G礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

在同樣疲勞運(yùn)行情況下，二者的上傳響應(yīng)耗時(shí)數(shù)據(jù)如下。普通礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在上傳響應(yīng)最小耗時(shí)為118ms，最大響應(yīng)耗時(shí)為180ms，響應(yīng)平均耗時(shí)數(shù)為150ms。而基于5G的礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，其上傳響應(yīng)最小耗時(shí)為60ms，最大響應(yīng)耗時(shí)為93ms，響應(yīng)平均耗時(shí)數(shù)為75ms。

二者的下載響應(yīng)耗時(shí)數(shù)據(jù)為，普通礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器，在下載響應(yīng)最小耗時(shí)為31ms，最大響應(yīng)耗時(shí)為119ms，響應(yīng)平均耗時(shí)數(shù)為70ms。而基于5G的礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，其下載響應(yīng)最小耗時(shí)為16ms，最大響應(yīng)耗時(shí)為60ms，響應(yīng)平均耗時(shí)數(shù)為35ms。

基于5G的礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的各項(xiàng)響應(yīng)時(shí)間，要比普通礦山監(jiān)管信息平臺(tái)服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間短，而且呈現(xiàn)出近乎50%的時(shí)間差，其性能完全可以滿足后續(xù)平臺(tái)運(yùn)行需要，且優(yōu)于沒有5G高頻技術(shù)的普通礦山監(jiān)管信息平臺(tái)。

3 結(jié)束語

本文基于5G高頻段通信技術(shù)對(duì)礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)出來的信息平臺(tái)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，結(jié)果證明本文所設(shè)計(jì)的信息平臺(tái)在性能上要更加優(yōu)化，相關(guān)礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管部門可以借鑒和采納，并進(jìn)行實(shí)地建設(shè)，投入使用[3]。