基于云計(jì)算技術(shù)的煤礦信息管理系統(tǒng)研究

李 杰，張寶鵬，王忠強(qiáng)

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

0 引言

在新一輪工業(yè)化改革浪潮的推動(dòng)下，我國(guó)煤礦企業(yè)通過(guò)開(kāi)展“互聯(lián)網(wǎng)+”與物聯(lián)網(wǎng)改革提升了信息管理水平。進(jìn)入“十四五”建設(shè)時(shí)期后，此類(lèi)企業(yè)結(jié)合高質(zhì)量發(fā)展主題，在技術(shù)賦能路徑下加強(qiáng)了對(duì)GIS、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的運(yùn)用，預(yù)期將初級(jí)的信息化管理轉(zhuǎn)型到數(shù)據(jù)化管理階段，為“智慧煤礦”的發(fā)展提供技術(shù)支持。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，云計(jì)算技術(shù)在煤礦企業(yè)查詢(xún)、決策、信息挖掘、調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)中的運(yùn)用已產(chǎn)生明顯效果。因此，在煤礦企業(yè)雙預(yù)防機(jī)制日益完善的情況下，相關(guān)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)該技術(shù)在安全管控中的應(yīng)用，為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理保駕護(hù)航。

1 云計(jì)算技術(shù)概述

2006年，亞馬遜推出了彈性計(jì)算云技術(shù)。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，該技術(shù)在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。云計(jì)算技術(shù)的演進(jìn)路線(xiàn)如下：網(wǎng)格計(jì)算→公用計(jì)算→軟件服務(wù)→云計(jì)算。云計(jì)算技術(shù)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下：(1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；(2)分布式計(jì)算；(3)虛擬化技術(shù)；(4)開(kāi)發(fā)技術(shù)。

近年來(lái)，煤礦企業(yè)應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)時(shí)，重點(diǎn)放在核心服務(wù)層。配套技術(shù)如下：(1)IaaS-基礎(chǔ)設(shè)計(jì)即服務(wù)層；(2)PaaS-平臺(tái)即服務(wù)層；(3)SaaS-軟件即服務(wù)層。但是，由于不同企業(yè)的服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)對(duì)象、使用方式存在差異，因此在實(shí)踐中，企業(yè)通常會(huì)根據(jù)實(shí)際需求，選擇適配性較高的技術(shù)種類(lèi)。

2 云計(jì)算技術(shù)在煤礦信息管理中的作用

與傳統(tǒng)信息管理模式相比，基于云計(jì)算技術(shù)的煤礦信息管理模式優(yōu)勢(shì)十分突出：(1)降低企業(yè)投入成本；(2)保障服務(wù)器安全運(yùn)行；(3)整合共享信息資源等[1]。

2.1 降低企業(yè)投入成本

煤礦企業(yè)應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)時(shí)選擇的方法有兩種：(1)在現(xiàn)有的物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，借助虛擬化技術(shù)搭建虛擬服務(wù)器，突破硬件水平受限的問(wèn)題。(2)通過(guò)支付較低費(fèi)用，購(gòu)置一個(gè)瀏覽器以滿(mǎn)足信息管理資源需求。

該技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果表明，在統(tǒng)一大市場(chǎng)背景下，煤礦企業(yè)通過(guò)質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)、供應(yīng)鏈競(jìng)爭(zhēng)，一方面能夠促進(jìn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的云計(jì)算技術(shù)供應(yīng)商提升其服務(wù)水平，另一方面，云計(jì)算供應(yīng)商借助向煤礦企業(yè)出售配套售后服務(wù)的途徑，有效降低了煤礦企業(yè)運(yùn)維管理中的人力資源成本。此外，在硬件設(shè)備的電能消耗方面，煤礦企業(yè)通過(guò)減少服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)量，間接實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗目標(biāo)。

2.2 保障服務(wù)器安全運(yùn)行

現(xiàn)代煤礦企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理中生成的數(shù)據(jù)類(lèi)型有3類(lèi)：(1)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；(2)半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；(3)非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。應(yīng)用原來(lái)的信息管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸、查詢(xún)、下載、應(yīng)用等。但是，此類(lèi)數(shù)據(jù)逐漸積累，容易拖慢服務(wù)器運(yùn)行速度。一旦服務(wù)器發(fā)生故障，就會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。在云計(jì)算技術(shù)條件下，有兩種措施可供選擇：(1)云平臺(tái)可以設(shè)置數(shù)量較大的虛擬服務(wù)器；(2)各服務(wù)器之間具有獨(dú)立數(shù)據(jù)處理功能，而且在短時(shí)間內(nèi)可以數(shù)據(jù)自動(dòng)拷貝，有利于降低數(shù)據(jù)丟失的可能性。(3)云技術(shù)平臺(tái)供應(yīng)商配置的云安全防護(hù)技術(shù)，借助安全資源池向煤礦企業(yè)提供安全服務(wù)后，可全面保障其服務(wù)器的運(yùn)行安全。

2.3 整合共享煤炭信息資源

目前，煤礦企業(yè)處于高質(zhì)量發(fā)展階段，轉(zhuǎn)型目標(biāo)為智慧煤礦建設(shè)，建設(shè)重點(diǎn)集中在數(shù)據(jù)存采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理、報(bào)表管理等方面。但是，煤礦企業(yè)信息管理各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)共享不足。舊的信息管理系統(tǒng)存在煤炭信息資源整合效率低、信息共享水平差的問(wèn)題，既不能促進(jìn)信息化管理向數(shù)據(jù)化管理的轉(zhuǎn)型，也不能完成智慧煤礦建設(shè)，尤其在煤礦開(kāi)采深度增加、開(kāi)采難度擴(kuò)大、安全風(fēng)險(xiǎn)急劇上升的條件下，亟需利用云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，輔助煤礦企業(yè)開(kāi)展數(shù)據(jù)挖掘、分析、處理，增強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通[2]。

3 云計(jì)算技術(shù)在煤礦信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，云計(jì)算技術(shù)在煤礦信息管理系統(tǒng)中應(yīng)用的重點(diǎn)在于煤礦數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理方面。其中，安全管控平臺(tái)的建設(shè)是保障該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的前提與基礎(chǔ)。因此，本文結(jié)合煤礦企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展階段智慧煤礦升級(jí)目標(biāo)，對(duì)智慧煤礦安全管控信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開(kāi)具體討論。

3.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

首先，煤礦企業(yè)經(jīng)過(guò)前期信息化改革取得了以下成果：(1)配置了多種物聯(lián)設(shè)備，包括傳感器、工業(yè)視頻前端攝像機(jī)以及井下定位裝置、防爆控制裝置等。(2)此類(lèi)物聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集可為煤礦安全管控信息平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支持。以此為據(jù)，本研究將煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、安全管理數(shù)據(jù)作為感知層。

其次，煤礦企業(yè)需搭建“混合云”平臺(tái)，完成信息安全管控信息平臺(tái)中的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、風(fēng)險(xiǎn)分析。具體的操作步驟如下：(1)選擇“私有云”與“公有云”作為混合云平臺(tái)，一方面將“私有云”用于煤礦企業(yè)內(nèi)部管理，為其提供存儲(chǔ)庫(kù)。另一方面配套建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)挖掘、分析、處理、預(yù)測(cè)等功能需求，使感知層與平臺(tái)層之間完成信息交互。(2)借助“公有云”進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展應(yīng)用，既為平臺(tái)提供計(jì)算資源，又對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗→存儲(chǔ)→傳輸→提取→計(jì)算→分析→處理→生成報(bào)表→應(yīng)用等。(3)針對(duì)地面、井下的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)模型方式，利用風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化分析研判。

最后，在應(yīng)用智慧煤礦信息管理中的云計(jì)算技術(shù)時(shí)結(jié)合大屏顯示功能進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，并通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析模型完成風(fēng)險(xiǎn)分析(要求在專(zhuān)題多維分析方面滿(mǎn)足各個(gè)子系統(tǒng)的應(yīng)用需求，并以基于GIS技術(shù)的“一張圖”的方式發(fā)布數(shù)據(jù)報(bào)表等)。設(shè)置應(yīng)用層時(shí)為煤礦企業(yè)的安全管控主體如從業(yè)人員、管理人員、業(yè)務(wù)人員等，提供訪(fǎng)問(wèn)入口、身份管理、權(quán)限管理、個(gè)性化展現(xiàn)等，最終保障系統(tǒng)的應(yīng)用效果。煤礦安全管控信息平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦安全管控信息平臺(tái)架構(gòu)

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

首先，應(yīng)用混合云建立該平臺(tái)。平臺(tái)主要由串行外設(shè)接口(SaaS PaaS IaaS，SPI)3個(gè)層次構(gòu)成：(1)混合云資源層，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)計(jì)即服務(wù)(Infrastructure as a Service，IaaS)方面，以處理CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源為主，具體的動(dòng)態(tài)計(jì)算管理服務(wù)包括物理資源管理、虛擬資源管理、自動(dòng)伸縮管理、資源監(jiān)控管理、用戶(hù)身份管理。(2)平臺(tái)即服務(wù)層(Platform as a Service，PaaS)，選擇Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與工具，借助API接口對(duì)混合云資源層的資源進(jìn)行調(diào)用，獲取各類(lèi)物聯(lián)設(shè)備的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)清理到生成報(bào)表各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理。設(shè)置內(nèi)容主要為數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)、操作系統(tǒng)[3]。關(guān)鍵技術(shù)為數(shù)據(jù)處理技術(shù)、模型服務(wù)技術(shù)、接口服務(wù)技術(shù)、GIS平臺(tái)技術(shù)。(3)軟件即服務(wù)層(Software as a Service，SaaS)，功能是提供軟件平臺(tái)服務(wù)，保障Web界面訪(fǎng)問(wèn)目標(biāo)的實(shí)施，為多級(jí)管理用戶(hù)提供軟件服務(wù)。

其次，選擇數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)技術(shù)，按照數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析三大功能，配套設(shè)置數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接入服務(wù)與遷移服務(wù)等。操作如下：(1)以《煤礦安全生產(chǎn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)備查系統(tǒng)通用技術(shù)要求和數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)》中提供的指引與規(guī)則為準(zhǔn)，借助FTP方式推動(dòng)安全監(jiān)測(cè)文件到系統(tǒng)。(2)將部署的視頻監(jiān)控系統(tǒng)與從業(yè)人員的穿戴設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)其中的各項(xiàng)信息進(jìn)行識(shí)別與分析，完成“三違”等管控?cái)?shù)據(jù)的處理。(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選擇云表格存儲(chǔ)服務(wù)技術(shù)、文件存儲(chǔ)服務(wù)技術(shù)、對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)[4]。(4)按搭建的Hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)，完成對(duì)煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、多源監(jiān)測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)、安全管理數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)分析模型庫(kù)數(shù)據(jù)的加工與批處理。結(jié)合數(shù)值計(jì)算與模擬仿真功能等，完成數(shù)據(jù)交互、查詢(xún)、計(jì)算、分析等。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程

最后，本系統(tǒng)中應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)分析模型技術(shù)，滿(mǎn)足現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》與現(xiàn)用安全風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系要求。操作步驟如下：(1)針對(duì)人、機(jī)、環(huán)、管、固有因素等一級(jí)指標(biāo)，與對(duì)應(yīng)的知識(shí)文化與職業(yè)危害、設(shè)備可靠性與維護(hù)率、瓦斯與水、應(yīng)急救援與安全文化、開(kāi)采工藝與歷史事故情況等二級(jí)指標(biāo)，設(shè)置隸屬度函數(shù)，開(kāi)展權(quán)重分析后劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[5]。(2)根據(jù)動(dòng)態(tài)指標(biāo)未超限、動(dòng)態(tài)指標(biāo)超限，設(shè)置4個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)判：①紅；②橙；③黃；④藍(lán)。對(duì)應(yīng)4個(gè)等級(jí)設(shè)置分值：①小于70分；②70～80分；③80～90分；④90～100分。

3.3 功能模塊

首先，根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)將功能模塊分為5個(gè)子系統(tǒng)：(1)基礎(chǔ)信息管理模塊；(2)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理模塊；(3)風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)管理模塊；(4)風(fēng)險(xiǎn)分析研判與處置模塊；(5)風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)據(jù)展現(xiàn)模塊。其次，細(xì)化各模塊功能。通過(guò)安全管控信息平臺(tái)中選擇的光纖電纜、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，將井下物聯(lián)設(shè)備與地面云平臺(tái)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確保各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、非實(shí)時(shí)交互，并借助數(shù)據(jù)管理中心的分析與處理，將數(shù)據(jù)報(bào)表發(fā)送到用戶(hù)層。

以平臺(tái)展現(xiàn)界面為例，管理人員一方面可在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析報(bào)表中實(shí)時(shí)查看聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、報(bào)警數(shù)、隱患總數(shù)；另一方面能通過(guò)玫瑰圖，對(duì)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)、煤塵風(fēng)險(xiǎn)、水害風(fēng)險(xiǎn)、頂板風(fēng)險(xiǎn)、氣象風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行直接觀察。具體到風(fēng)險(xiǎn)分析方面，管理人員可對(duì)9項(xiàng)極高風(fēng)險(xiǎn)、1項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、4項(xiàng)較高風(fēng)險(xiǎn)、74項(xiàng)一般風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行“一鍵式”點(diǎn)擊查看等。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，云計(jì)算技術(shù)內(nèi)容多、優(yōu)勢(shì)大，在煤礦信息管理中應(yīng)用后可產(chǎn)生多重作用。在新時(shí)期煤礦信息管理系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)方面，管理人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。結(jié)合上述分析可以看出，在當(dāng)前智慧煤礦轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，安全管控信息平臺(tái)的建設(shè)十分關(guān)鍵，而且是保障煤礦各生產(chǎn)系統(tǒng)互通互聯(lián)的必要條件。建議在當(dāng)前階段結(jié)合感知層、平臺(tái)層、應(yīng)用層的建設(shè)框架，選擇適配性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，增強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)測(cè)，全面提升煤礦各個(gè)子系統(tǒng)的信息管理水平，提高煤礦信息管理預(yù)判能力，間接提高煤礦企業(yè)全要素生產(chǎn)率。