煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺

馬鵬淘，丁 華

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西太原 030024）

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)共享時代的到來，《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提到要“加強(qiáng)煤炭集成創(chuàng)新，推動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)在煤炭行業(yè)的集成應(yīng)用，服務(wù)煤炭生產(chǎn)、行業(yè)管理等工作”。煤機(jī)裝備行業(yè)對數(shù)據(jù)共享的應(yīng)用還處于嘗試階段，用行業(yè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)決策、用制造業(yè)數(shù)據(jù)推動技術(shù)創(chuàng)新，將使大數(shù)據(jù)成為未來國內(nèi)煤機(jī)裝備制造行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要助推器。為了在大數(shù)據(jù)共享時代競爭中搶奪先機(jī)，國內(nèi)外學(xué)者逐步開展數(shù)據(jù)共享研究［1?5］，構(gòu)建規(guī)范化的煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺是當(dāng)前煤機(jī)裝備領(lǐng)域的首要任務(wù)。目前煤機(jī)裝備企業(yè)進(jìn)行了數(shù)據(jù)中心信息化的建設(shè)，這些平臺的建立在實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)信息管理過程中起到了非常重要的作用。隨著煤機(jī)裝備制造業(yè)朝著智能化方向發(fā)展，目前科研人員已經(jīng)設(shè)計出采煤機(jī)零件網(wǎng)絡(luò)參數(shù)化CAD系統(tǒng)［6］、刮板輸送機(jī)參數(shù)化CAE系統(tǒng)［7］、刮板輸送機(jī)三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)［8］、采煤機(jī)數(shù)字化集成系統(tǒng)［9］，這些服務(wù)系統(tǒng)雖然為煤機(jī)裝備企業(yè)和科研人員提供了一定的基礎(chǔ)服務(wù)，但具有單一建設(shè)和單一應(yīng)用的特點，缺乏對煤機(jī)裝備全生命設(shè)計周期的策劃，數(shù)據(jù)資源的合理使用，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用，因此構(gòu)建綜合性數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺成為煤機(jī)裝備企業(yè)智能化發(fā)展的首要任務(wù)。

針對主要煤機(jī)裝備（即采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、提升機(jī)和刮板輸送機(jī)）設(shè)計數(shù)據(jù)共享需求，提出構(gòu)建一種綜合性數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺，開發(fā)了數(shù)據(jù)匯交模塊、專題數(shù)據(jù)模塊和應(yīng)用服務(wù)模塊供煤機(jī)裝備領(lǐng)域人員使用，解決了單一建設(shè)、單一應(yīng)用和數(shù)據(jù)零散分布的問題，達(dá)到了數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃和系統(tǒng)綜合應(yīng)用的目標(biāo)，提高了煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享化程度。

2 煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺架構(gòu)和系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺架構(gòu)

煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺架構(gòu)分為五部分。其中，物理層處于架構(gòu)最底層的位置，由服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成；云平臺層處于核心位置，由分布式數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)組成；服務(wù)層由環(huán)境服務(wù)、測試服務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)組成，用戶實名登錄可進(jìn)行在線操作應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行設(shè)計產(chǎn)品；應(yīng)用層由基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用、專業(yè)技術(shù)應(yīng)用和行業(yè)應(yīng)用三部分組成，將平臺所有服務(wù)功能提供給用戶使用；用戶層由設(shè)計人員、領(lǐng)域?qū)＜液凸芾韱T組成。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

針對主要煤機(jī)裝備制造領(lǐng)域需求，平臺開發(fā)了數(shù)據(jù)匯交、專題數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)三大主要功能模塊。數(shù)據(jù)匯交模塊提供匯交注冊、匯交申請、數(shù)據(jù)上傳與審核、數(shù)據(jù)發(fā)布等服務(wù)。專題數(shù)據(jù)模塊對煤機(jī)裝備企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、深度分析和分級分類等加工處理，形成煤機(jī)裝備專題數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用服務(wù)模塊面向煤機(jī)裝備的設(shè)計、分析、制造一體化過程，以專題數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，形成面向煤機(jī)裝備的各個階段提供共享服務(wù)的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺功能，如圖1所示。

圖1 煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺功能圖Fig.1 Function Diagram of Data Sharing Service Cloud Platform for Coal Machinery Equipment Design

2.2.1 數(shù)據(jù)匯交模塊

（1）匯交注冊。在煤機(jī)裝備數(shù)據(jù)匯交注冊中，首先確認(rèn)匯交數(shù)據(jù)申請者（個人或團(tuán)隊）具有自主知識產(chǎn)權(quán)，并且保證匯交數(shù)據(jù)的真實性，匯交注冊人員包括個人實名注冊用戶、企業(yè)實名注冊用戶和科研單位注冊用戶。

（2）匯交申請。匯交注冊人員按統(tǒng)一要求規(guī)范化整理擬匯交的數(shù)據(jù)，按要求擬定匯交數(shù)據(jù)說明文檔，將匯交數(shù)據(jù)實體樣例、數(shù)據(jù)質(zhì)量承諾書、申請數(shù)據(jù)匯交憑證文檔上傳到平臺，填寫元數(shù)據(jù)，提交匯交申請。

（3）匯交審核。平臺管理員對提交材料進(jìn)行數(shù)據(jù)匯交審核，如審核通過，用戶需提交后續(xù)完整的數(shù)據(jù)集。如果不通過，將由用戶進(jìn)一步完善材料。

（4）匯交入庫。平臺管理員將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理入庫管理，按共享協(xié)議發(fā)布供用戶在線瀏覽和下載使用。

2.2.2 專題數(shù)據(jù)模塊

煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)是指在煤機(jī)裝備設(shè)計、分析、生產(chǎn)、運(yùn)行、監(jiān)測、優(yōu)化、評價、研究工作中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。

本模塊設(shè)計資料庫包括常用的計量單位、物理常數(shù)、極限配合與公差值、表面粗糙度等設(shè)計資料；計算資源庫包括煤機(jī)裝備各零部件本身的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的計算公式；CAE分析庫包括零部件的瞬態(tài)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、疲勞分析等結(jié)果，分析數(shù)據(jù)包括前期處理信息、求解結(jié)果、后期處理過程信息和分析報告等；材料庫包括材料的特性、使用要求、應(yīng)用場景、物理和力學(xué)性能、疲勞極限、疲勞壽命等信息；企業(yè)產(chǎn)品信息庫包含煤機(jī)裝備各種產(chǎn)品的型號、基本參數(shù)、使用壽命、價格及生產(chǎn)廠家等信息；文獻(xiàn)庫提供有關(guān)煤機(jī)裝備的全球優(yōu)質(zhì)學(xué)術(shù)資源，包含學(xué)術(shù)期刊、學(xué)位論文、會議文章等各種資源類型。

2.2.3 應(yīng)用服務(wù)模塊

應(yīng)用服務(wù)模塊面向煤機(jī)裝備的設(shè)計、分析、制造一體化過程，集成CAD建模系統(tǒng)、CAE分析系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)等應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，這些應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)以專題數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，面向煤機(jī)裝備的各個階段提供共享服務(wù)。

CAD 建模系統(tǒng)提供在線參數(shù)建模系統(tǒng)，用戶只需輸入新的驅(qū)動參數(shù)，就能夠直接從庫中調(diào)出所需模型；CAE分析系統(tǒng)提供煤機(jī)裝備運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)、剛體動力學(xué)、剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)分析，以及關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)模態(tài)和壽命預(yù)測分析；優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計所需性能目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，在符合給定的各種約束條件下，選出一種最優(yōu)方案。系統(tǒng)整合了機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、形狀優(yōu)化設(shè)計、可靠性優(yōu)化設(shè)計、復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等算法、原理、方法、方案、模型、軟件、技術(shù)等信息，幫助設(shè)計者進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 數(shù)據(jù)共享體系

3.1 “數(shù)據(jù)超市”理念的共享模式

煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺的目的就是為用戶提供方便快捷的數(shù)據(jù)查詢和應(yīng)用服務(wù)功能，讓用戶能夠精準(zhǔn)找到所需數(shù)據(jù)和便捷的操作綜合性服務(wù)系統(tǒng)。以服務(wù)為核心的“數(shù)據(jù)超市”理念的共享模式就是收集和整理海量的煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)，通過共享云平臺的數(shù)據(jù)匯交、專題數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)三大功能模塊為用戶提供數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)查詢下載和在線分析設(shè)計等服務(wù)。

煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)超市的技術(shù)體系包含五大塊，即元數(shù)據(jù)匯交、存儲、查詢、訪問和應(yīng)用。這五大塊以數(shù)據(jù)超市為中心，按照數(shù)據(jù)的輸入?處理?輸出的“數(shù)據(jù)循環(huán)”流程組織?！皵?shù)據(jù)超市”理念的共享模式，如圖2所示。

圖2 “數(shù)據(jù)超市”理念的共享模式Fig.2 The Sharing Mode of "Data Supermarket" Concept

3.2 數(shù)據(jù)共享流程

針對主要煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)多源異構(gòu)的特性，數(shù)據(jù)共享過程須經(jīng)過平臺管理員和同行專家的雙重審核，保證數(shù)據(jù)的真實性、安全性和可靠性，如圖3所示。煤機(jī)裝備數(shù)據(jù)中心首先對匯交項目信息注冊進(jìn)行審核，信息不完善的給出意見進(jìn)行修改完善。項目注冊信息通過之后，匯交人員上傳實體數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心根據(jù)上傳數(shù)據(jù)類型，選擇相對應(yīng)數(shù)據(jù)類型專家進(jìn)行審核，審核通過進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫按共享協(xié)議發(fā)布，反之提出修改意見，匯交人員根據(jù)修改意見進(jìn)一步完善。數(shù)據(jù)中心采用多重審核機(jī)制，能夠保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性和安全性，數(shù)據(jù)出現(xiàn)爭議時可以追溯到來源。

圖3 數(shù)據(jù)共享流程圖Fig.3 Data Sharing Flowchart

4 關(guān)鍵技術(shù)

采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）的三層體系架構(gòu)、利用C#語言、權(quán)限控制與配置文件加密、Ajax、Web Service數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)相互結(jié)合的方式，在Visual Studio.NET2010開發(fā)平臺，完成對煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺的開發(fā)，實現(xiàn)三大模塊數(shù)據(jù)安全規(guī)范匯交、查詢和下載、數(shù)據(jù)能夠及時響應(yīng)、頁面局部刷新和應(yīng)用系統(tǒng)快速分析設(shè)計等功能。

4.1 權(quán)限控制與加密技術(shù)

數(shù)據(jù)共享需要重點考慮的是安全性問題。此數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺采取權(quán)限控制和配置文件加密等相關(guān)安全措施，保證煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)在匯交、發(fā)布及共享過程中的安全，提升了用戶訪問數(shù)據(jù)庫的安全性。

權(quán)限控制采取對用戶角色和訪問權(quán)限進(jìn)行分類的方法。用戶角色分為匯交用戶、普通用戶和平臺管理員；訪問權(quán)限分為數(shù)據(jù)增刪改、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)下載等。匯交用戶和平臺管理員的區(qū)別是前者只具備數(shù)據(jù)查看和上傳權(quán)，不具備數(shù)據(jù)發(fā)布權(quán)。數(shù)據(jù)權(quán)限是由平臺管理員制定的數(shù)據(jù)開發(fā)權(quán)限，包含完全共享、部分共享和自定義共享。其中完全共享是所有用戶都可以查看下載數(shù)據(jù)；部分共享是項目還在進(jìn)行中，待項目結(jié)項再進(jìn)行完全共享；自定義共享是由數(shù)據(jù)匯交人員進(jìn)行的指定單位和用戶共享。采用權(quán)限控制的方法對用戶角色和訪問權(quán)限分類，確保各節(jié)點數(shù)據(jù)在共享過程中的安全性。配置文件加密是指將Web.config文件中的數(shù)據(jù)庫類型、庫名稱、IP、用戶名、密碼等數(shù)據(jù)庫配置信息以字典形式進(jìn)行存儲，用戶訪問數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容時先讀取數(shù)據(jù)庫配置信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

4.2 Ajax技術(shù)

由于煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺擁有龐大的數(shù)據(jù)量，在數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換過程中受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響，當(dāng)用戶瀏覽專題數(shù)據(jù)庫和查詢下載信息時，需要及時響應(yīng)，在煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺的專題數(shù)據(jù)查詢和應(yīng)用系統(tǒng)的分析與設(shè)計功能中使用了Ajax技術(shù)。Ajax采用異步傳輸數(shù)據(jù)的方式，根據(jù)用戶需求向服務(wù)器發(fā)送定向請求，頁面采用局部刷新，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，解決了數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換響應(yīng)慢的問題。

4.3 Web Service數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)來源廣泛，具有多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)零散化、數(shù)據(jù)格式多樣的特性，數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺采用Web Service技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，解決了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸緩慢和系統(tǒng)的計算能力差等問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效率共享，如圖4所示。

圖4 Web Service數(shù)據(jù)傳輸Fig.4 Web Service Data Transmission

5 應(yīng)用實例

5.1 數(shù)據(jù)匯交

數(shù)據(jù)共享的匯交過程以刮板輸送機(jī)制造企業(yè)匯交三維模型數(shù)據(jù)為例，企業(yè)數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)人登錄刮板輸送機(jī)共享系統(tǒng)進(jìn)行實名匯交注冊，點擊數(shù)據(jù)發(fā)布菜單，根據(jù)填寫規(guī)范將匯交數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，并上傳質(zhì)量承諾書和申請數(shù)據(jù)匯交憑證文檔。數(shù)據(jù)匯交發(fā)布界面，如圖5所示。

圖5 刮板輸送機(jī)數(shù)據(jù)匯交界面Fig.5 Data Interface for Scraper Conveyor

數(shù)據(jù)中心管理員登錄數(shù)據(jù)庫，查看數(shù)據(jù)匯交申請，根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和數(shù)據(jù)說明確定選取參數(shù)化建模專家，通知外聘參數(shù)化建模專家通過專屬審核密碼登錄數(shù)據(jù)庫，查看待審核的數(shù)據(jù)并給出審核意見，專家審核之后平臺管理員查看專家審核意見作出數(shù)據(jù)處理決定，匯交數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的通知匯交用戶進(jìn)行修改完善，直至審核通過；審核通過的數(shù)據(jù)，平臺管理員及時進(jìn)行整理提交到專題數(shù)據(jù)中的CAD模型庫，完成最后的發(fā)布，供其他用戶在專題數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行瀏覽和下載使用，達(dá)到數(shù)據(jù)從輸入到輸出的共享目標(biāo)。

5.2 專題數(shù)據(jù)

專題數(shù)據(jù)模塊作為匯交數(shù)據(jù)的共享端，為用戶提供豐富的設(shè)計資源，保證了用戶研發(fā)設(shè)計過程有據(jù)可依。本模塊以刮板輸送機(jī)專題數(shù)據(jù)模塊下的材料庫為例，用戶點擊專題數(shù)據(jù)左邊菜單欄材料庫，進(jìn)入材料庫界面，此庫以表格方式清晰的向用戶表達(dá)各種材料的信息，點擊右邊二級菜單欄的材料密度查看各種材料的密度信息，用戶在下面的查詢框里輸入“大理石”點擊查詢便可得到大理石的密度信息。材料庫的界面及查詢結(jié)果，如圖6所示。

圖6 材料庫的界面及查詢結(jié)果Fig.6 The Interface and Query Results of the Material Library

5.3 應(yīng)用服務(wù)

本模塊以刮板輸送機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)機(jī)頭部截軸變型設(shè)計為例，平臺以友好的圖形界面引導(dǎo)用戶輸入所需的關(guān)聯(lián)參數(shù)，遠(yuǎn)程進(jìn)行三維參數(shù)建模和三維變型的設(shè)計和控制服務(wù)。用戶在三維模型客戶端按照三維模型設(shè)計的步驟填入需要的參數(shù)，系統(tǒng)自動將該參數(shù)編制成三維參數(shù)建模文件命令批處理腳本命令文件，將設(shè)計器生成的腳本命令文件直接提交給三維模型的設(shè)計器，設(shè)計器自動開始執(zhí)行命令批處理文件，完成模型的變型設(shè)計，將三維模型展現(xiàn)給客戶供客戶下載使用。應(yīng)用服務(wù)刮板輸送機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)界面，如圖7所示。

圖7 刮板輸送機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)界面Fig.7 The Interface of the Parametric Modeling System of Scraper Conveyor

6 結(jié)語

煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺的構(gòu)建，采用Ajax技術(shù)、Web Service 數(shù)據(jù)傳輸、權(quán)限控制和配置文件加密技術(shù)相結(jié)合的方式，優(yōu)化了應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)擴(kuò)充性及數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源分級分類整合、匯聚和充分共享，通過領(lǐng)域?qū)＜液推脚_管理員雙重審核機(jī)制，確保匯交數(shù)據(jù)能夠及時準(zhǔn)確安全共享，達(dá)到了數(shù)據(jù)有始有終的共享目標(biāo)。該平臺不僅提高了煤機(jī)裝備設(shè)計數(shù)據(jù)的收集與匯交效率，而且提高了科研人員研發(fā)進(jìn)度，為設(shè)計分析、故障診斷、可靠性分析、決策支持提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)，加快了煤機(jī)裝備智能化發(fā)展步伐。