基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的寧煤公司煤礦協(xié)同調(diào)度平臺(tái)

徐正國(guó)，徐華龍

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

同國(guó)外相比，我國(guó)煤礦信息化建設(shè)起步晚、發(fā)展快。我國(guó)的煤礦信息化建設(shè)先后經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化、數(shù)字化礦山和智慧礦山等階段[1-3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前多數(shù)煤礦處在綜合自動(dòng)化或數(shù)字化礦山階段，信息化建設(shè)成果斐然。但在信息化推進(jìn)的過程中，由于建設(shè)廠家不同、建設(shè)時(shí)間不一、行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏等原因，導(dǎo)致煤礦的各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)孤島問題嚴(yán)重。數(shù)據(jù)孤島問題的存在，使得煤礦無(wú)法有效利用多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，煤礦的生產(chǎn)決策缺乏數(shù)據(jù)支撐[4]。

為充分發(fā)揮一體化運(yùn)營(yíng)模式的整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，貫徹國(guó)家能源集團(tuán)“11236”的指導(dǎo)思想，國(guó)家能源集團(tuán)作出建設(shè)基石項(xiàng)目的戰(zhàn)略決策。寧煤公司積極響應(yīng)集團(tuán)戰(zhàn)略部署，啟動(dòng)基石項(xiàng)目建設(shè)。平臺(tái)以提升運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)指揮業(yè)務(wù)的信息化管理能力，提升一體化管控的集約化管理水平為目標(biāo)，構(gòu)建“系統(tǒng)、智能、共享、協(xié)同、安全”的運(yùn)營(yíng)指揮工作載體，打造世界一流的“一體化集中管控、智能化高效協(xié)同、可視化高度融合”協(xié)同調(diào)度指揮智能化平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展加速。

1 協(xié)同調(diào)度指揮智能化平臺(tái)架構(gòu)

1.1 平臺(tái)整體架構(gòu)

平臺(tái)整體架構(gòu)如圖1。平臺(tái)采用分層架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，將平臺(tái)分為感知層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層。

圖1 整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture

1）感知層。伴隨著煤礦信息化建設(shè)的不斷深入，煤礦的數(shù)據(jù)量級(jí)快速增長(zhǎng)，煤礦的數(shù)據(jù)格式也越發(fā)雜亂。平臺(tái)數(shù)據(jù)為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)[5]，即：平臺(tái)數(shù)據(jù)的來(lái)源多樣化，既包括生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，例如運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，又包括不同的監(jiān)控系統(tǒng)，例如安全監(jiān)控系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還包括經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)，例如財(cái)務(wù)系統(tǒng)；平臺(tái)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致，既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，又有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如語(yǔ)音、視頻、文本、圖像，還有時(shí)空數(shù)據(jù)，例如地理信息數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)等。

2）數(shù)據(jù)采集層主要分為2 部分：統(tǒng)一數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。統(tǒng)一數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)提供多種協(xié)議適配模塊用于采集感知層的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，協(xié)議轉(zhuǎn)換則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)將采用不同協(xié)議上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的上傳。將采用PLC/OPC/Modbus/IEC104/ IEC103 協(xié)議上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為OPC 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；將采用數(shù)據(jù)庫(kù)/Restful API/Web Service 方式采集的數(shù)據(jù)，通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并通過OLEDB 程序進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；對(duì)文件數(shù)據(jù)采用STREAM 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；將采用RTSP/GB28281 格式的視頻流數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為RTSP 協(xié)議方式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層為平臺(tái)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)從各類系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)、人工錄入的數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、各種決策支持的專家知識(shí)庫(kù)、各種聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)。平臺(tái)提供不同接口用于采集不同類型的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口采集OPC 上傳的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，關(guān)系數(shù)據(jù)接口采集OLEDB 程序上傳的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，二維圖紙接口采集STREAM 方式上傳的圖紙數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，視頻流接口采集RTSP 協(xié)議上傳的視頻數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

4）業(yè)務(wù)邏輯層。平臺(tái)充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，深入分析和了解煤礦現(xiàn)有的業(yè)務(wù)邏輯，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提供生產(chǎn)技術(shù)類、生產(chǎn)執(zhí)行類、安全監(jiān)測(cè)類、安全保障類決策信息，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、減少事故頻率的目的。

5）展示層。平臺(tái)基于Chrome 瀏覽器開發(fā)，為B/S架構(gòu)模式。前端頁(yè)面通過WEBAPI、MQTT、Web－Socket 方式同業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，確保在大規(guī)模、廣域、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。

1.2 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2。平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)為“煤礦-公司-集團(tuán)”3 級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從下往上傳輸。在煤礦各部署1 臺(tái)服務(wù)器，用于平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集及平臺(tái)發(fā)布。

平臺(tái)涉及到的系統(tǒng)眾多，在煤礦企業(yè)中各個(gè)系統(tǒng)都是獨(dú)立部署的，數(shù)據(jù)孤島問題嚴(yán)重。從煤礦實(shí)際出發(fā)，在煤礦架設(shè)1 臺(tái)服務(wù)器，專門用于采集各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并通過煤礦內(nèi)部工業(yè)環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)集中到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心。對(duì)于已集中上傳至公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心的人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度報(bào)表系統(tǒng)，為避免重復(fù)建設(shè)、降低后期運(yùn)維難度，從公司獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。集團(tuán)通過瀏覽器查看平臺(tái)數(shù)據(jù)，包含公司數(shù)據(jù)和煤礦數(shù)據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系

數(shù)據(jù)體系及其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是礦井智能化建設(shè)的基礎(chǔ)，將直接關(guān)系到整個(gè)智慧礦山數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)集成、信息融合與聯(lián)動(dòng)應(yīng)用的成功與否，關(guān)系到礦井智能化建設(shè)的持續(xù)投入與應(yīng)用拓展。

在參考和借鑒AQ 6201—2019 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、AQ 6210—2007 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定了智能礦山數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。依據(jù)數(shù)據(jù)性質(zhì)，礦井?dāng)?shù)據(jù)劃分為元數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)又分為技術(shù)、業(yè)務(wù)、管理3 大類；主數(shù)據(jù)分為人力資源、生產(chǎn)管理、機(jī)電管理、安全管理、物資管理、財(cái)務(wù)管理6 個(gè)專題；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分為地測(cè)數(shù)據(jù)、通風(fēng)數(shù)據(jù)、機(jī)電數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)、安全管理數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)管理數(shù)據(jù)。對(duì)于主數(shù)據(jù)，建立了主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。除了從公司的主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中獲取人員、組織機(jī)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，煤礦的主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將分發(fā)主數(shù)據(jù)到各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，保證了各業(yè)務(wù)系統(tǒng)遵循主數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，保障在分散的系統(tǒng)間主數(shù)據(jù)的一致性，促進(jìn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享[6-8]；對(duì)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)發(fā)布方面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定義。其中，智能礦山數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的感知數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上確保了各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

煤礦關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)如圖2。為滿足煤礦協(xié)同調(diào)度平臺(tái)的建設(shè)需要，能夠幫助高層領(lǐng)導(dǎo)更加全面、細(xì)致、實(shí)時(shí)地了解煤礦現(xiàn)狀，通過實(shí)地調(diào)研，采集、梳理、討論、歸納出能夠反映煤礦現(xiàn)狀的關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，涵蓋生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)2 個(gè)方面，共32 項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

圖2 煤礦關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.2 Key index data of coal mine

需調(diào)研煤礦關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來(lái)源并確定數(shù)據(jù)接入方式，以實(shí)現(xiàn)煤礦關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。井下氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息來(lái)源于安全監(jiān)控系統(tǒng)，井下人員車輛信息來(lái)源于人員定位系統(tǒng)，因各煤礦已統(tǒng)一上傳人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)至公司，采取從公司端采用FTP 文件推送的方式采集數(shù)據(jù)。圖紙資料由煤礦提供，各部門通過CAD 軟件進(jìn)行圖紙編輯并各自存放，缺乏系統(tǒng)對(duì)圖紙進(jìn)行統(tǒng)一管理，因此采用提供系統(tǒng)進(jìn)行人工錄入的方式采集圖紙數(shù)據(jù)。企業(yè)介紹、地面值班領(lǐng)導(dǎo)數(shù)據(jù)由煤礦依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行填報(bào)，一直缺乏系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，因此采用提供系統(tǒng)界面進(jìn)行人工錄入的方式采集數(shù)據(jù)。綜采工作面信息、生產(chǎn)完成情況的數(shù)據(jù)來(lái)自于公司統(tǒng)建的生產(chǎn)調(diào)度報(bào)表系統(tǒng)，存儲(chǔ)在Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此可從數(shù)據(jù)庫(kù)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。隱患整治數(shù)據(jù)來(lái)自公司統(tǒng)建的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理系統(tǒng)，存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此可從數(shù)據(jù)庫(kù)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)營(yíng)指標(biāo)來(lái)源于公司統(tǒng)建的財(cái)務(wù)系統(tǒng)，存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此可從數(shù)據(jù)庫(kù)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。工業(yè)視頻的攝像頭包括數(shù)字和模擬攝像頭，模擬攝像頭數(shù)據(jù)存放在硬盤錄像機(jī)中，通過RTSP/GB28181協(xié)議解析讀取硬盤錄像機(jī)或數(shù)字?jǐn)z像頭中的工業(yè)視頻數(shù)據(jù)。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，涉及運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、電力系統(tǒng)，按照綜合自動(dòng)化平臺(tái)上位機(jī)/獨(dú)立系統(tǒng)上位機(jī)/底層控制設(shè)備的順序進(jìn)行，因建設(shè)廠家不同，通過不同協(xié)議PLC/OPC/Modbus/IEC104/IEC103 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。綜采面礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)專指采煤機(jī)液壓支架數(shù)據(jù)，天瑪廠家采用OPC 協(xié)議提供數(shù)據(jù)，鄭煤機(jī)廠家采用Modbus 協(xié)議提供數(shù)據(jù)，因此采用OPC/Modbus 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入方式分析見表1。

表1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入方式分析Table 1 Access mode analysis of multi-source heterogeneous data

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 平臺(tái)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)為B/S 架構(gòu)，服務(wù)端基于Java 進(jìn)行開發(fā)，前端頁(yè)面基于Vue 框架開發(fā)，平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境為Windows Server 2016 Standard，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft SQL Server2012。平臺(tái)提供系統(tǒng)級(jí)的用戶管理、角色管理、菜單配置管理等基礎(chǔ)服務(wù)，Web 基礎(chǔ)架構(gòu)同時(shí)提供各插件運(yùn)行的必要環(huán)境，包括圖紙插件MxDraw－Cloud、報(bào)表插件FineReport、視頻流插件EasyHLS、圖表插件Echarts，平臺(tái)Web 基礎(chǔ)架構(gòu)如圖3。

圖3 平臺(tái)Web 基礎(chǔ)框架Fig.3 Platform Web infrastructure

平臺(tái)借鑒一張圖的理念，接入12 個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將平臺(tái)功能在1 個(gè)頁(yè)面中進(jìn)行綜合展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)基于“一張圖”的“管、控、營(yíng)”一體化[9]，實(shí)現(xiàn)煤礦管理高效化、安全可靠化。

3.2 平臺(tái)功能

1）生產(chǎn)技術(shù)類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要由企業(yè)介紹、經(jīng)營(yíng)指標(biāo)、地面值班領(lǐng)導(dǎo)、生產(chǎn)完成情況、圖紙管理模塊組成。生產(chǎn)技術(shù)類業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的展示和管理，包括煤礦簡(jiǎn)介、經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀、值班情況、生產(chǎn)計(jì)劃完成情況和圖紙資料，從而輔助煤礦工作人員快速了解煤礦現(xiàn)狀、調(diào)整生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)策略、進(jìn)行日常調(diào)度管理。

2）生產(chǎn)執(zhí)行類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要由工業(yè)視頻、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、綜采工作面信息、綜采面礦壓監(jiān)測(cè)模塊組成。生產(chǎn)執(zhí)行類業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及重點(diǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)測(cè)，方便調(diào)度人員依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面，及時(shí)通知各系統(tǒng)操作人員對(duì)各類設(shè)備做出相應(yīng)指令操作，保證策略正確快速的執(zhí)行，保障生產(chǎn)安全。

3）安全監(jiān)測(cè)類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)由井下人員車輛信息、井下氣體監(jiān)測(cè)模塊組成。安全監(jiān)測(cè)類業(yè)務(wù)主要對(duì)井下人員、車輛、環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便煤礦調(diào)度人員及時(shí)了解井下人員和車輛的實(shí)時(shí)分布情況，對(duì)車輛和人員進(jìn)行調(diào)度，同時(shí)通過監(jiān)測(cè)井下氣體的濃度變化并對(duì)煤礦的安全狀況進(jìn)行評(píng)估，從而保障煤礦生產(chǎn)安全和人員安全。

4）安全保障類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)由隱患整治、報(bào)警信息模塊組成。安全保障類業(yè)務(wù)通過隱患數(shù)據(jù)、人員定位系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)、安全監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)，評(píng)估并展示煤礦安全態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)變化曲線，同時(shí)結(jié)合圖紙管理模塊、隱患整治模塊、工業(yè)視頻模塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模塊、井下人員車輛信息模塊、井下氣體監(jiān)測(cè)模塊，將相關(guān)區(qū)域的視頻畫面、圖紙的相關(guān)區(qū)域、區(qū)域周邊的人員車輛情況、區(qū)域周邊的氣體變化情況投影到調(diào)度大屏的特定區(qū)域，依據(jù)煤礦報(bào)警信息的嚴(yán)重程度和決策融合模型[10]采取不同措施，必要時(shí)按應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行處置。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的寧煤公司煤礦協(xié)同調(diào)度平臺(tái)已成功應(yīng)用于國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司的14 座煤礦中，通過對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)的研究，初步解決了煤礦數(shù)據(jù)孤島問題，是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的初步嘗試，為智慧礦山管控一體化平臺(tái)的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。