張 亮

（1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.礦山深井建設(shè)技術(shù)國家工程研究中心，北京 100013）

近幾年，我國煤礦智能化建設(shè)已由局部探索向全面推進(jìn)轉(zhuǎn)變，但仍有大量煤礦面臨轉(zhuǎn)型較慢或難以推進(jìn)的局面。主要原因表現(xiàn)在煤礦智能化建設(shè)工期較長且投入資金巨大，已建成的煤礦雖然在增產(chǎn)增效、提質(zhì)減人方面有一些成效，但實(shí)際上效果并不明顯，有些煤礦企業(yè)甚至出現(xiàn)了人員不減反增和產(chǎn)量下滑的現(xiàn)象[1]。

針對(duì)貴州省能源局相關(guān)要求以及恒姑煤礦生產(chǎn)、輔助系統(tǒng)現(xiàn)狀，并分析已完成智能化建設(shè)礦井的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，恒姑煤礦智能化管控平臺(tái)必須立足于技術(shù)先進(jìn)、成果務(wù)實(shí)、高性價(jià)比和可持續(xù)改進(jìn)而建設(shè)，由此確定了需求分析、技術(shù)選型、開發(fā)部署和實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)路線。結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況及《貴州省煤礦智能機(jī)械化建設(shè)與驗(yàn)收暫行辦法》要求，確定了恒姑煤礦智能化管控平臺(tái)“安全、實(shí)用、減員、增效”的建設(shè)目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中必須能夠顯著提升恒姑煤礦的生產(chǎn)和管理水平，為企業(yè)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 智能化管控平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)選型

1.1 智能化管控平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

恒姑煤礦智能化管控平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容主要包括:工業(yè)以太網(wǎng)、生產(chǎn)輔助自動(dòng)化平臺(tái)、信息管理平臺(tái)、瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)、高低壓供配電系統(tǒng)、光纖測溫系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)、主要通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、調(diào)度室大屏幕顯示系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)和信息引導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)[2]。

1.2 平臺(tái)建設(shè)技術(shù)選型

同類智能化平臺(tái)通常采用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層的3 層架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，其中表現(xiàn)層多為B/S 架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上核心技術(shù)選擇也比較多，如DotNet、J2EE、QT、Entfrm 等[3]。

考慮到恒姑煤礦現(xiàn)有各子系統(tǒng)接入方式的多樣性，以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、子系統(tǒng)功能分散、信息化程度不高、現(xiàn)有設(shè)備智能化程度較低等特點(diǎn)，平臺(tái)建設(shè)在技術(shù)選型方面應(yīng)更加注重平臺(tái)建成后的可延續(xù)性、可擴(kuò)充性、封裝性以及通用性[4]，因此選擇多重組態(tài)技術(shù)作為核心技術(shù)進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 基于多源組態(tài)技術(shù)的方案設(shè)計(jì)

2.1 多源組態(tài)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)路線

多源組態(tài)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)路線如圖1。

圖1 多源組態(tài)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)路線Fig.1 Application technology route of multiple configuration technology

組態(tài)即配置，多源即多種類多數(shù)量的數(shù)據(jù)來源，多源組態(tài)即為通過開發(fā)各類數(shù)據(jù)引擎動(dòng)態(tài)庫，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)眾多子系統(tǒng)的接入和數(shù)據(jù)融合。組態(tài)平臺(tái)提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)引擎動(dòng)態(tài)庫開發(fā)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)者按照此標(biāo)準(zhǔn)即可開發(fā)出適合具體項(xiàng)目的數(shù)據(jù)引擎動(dòng)態(tài)庫，而后通過組態(tài)平臺(tái)提供的配置功能完成管控平臺(tái)的建設(shè)[5]。

2.2 恒姑煤礦智能化管控平臺(tái)方案

平臺(tái)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 平臺(tái)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)圖Fig.2 Platform architecture and functional design diagram

恒姑煤礦智能化管控平臺(tái)融合瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)、高低壓供配電系統(tǒng)、光纖測溫系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)、主要通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)和信息引導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)，結(jié)合煤礦生產(chǎn)、安全、經(jīng)營等信息，以數(shù)據(jù)集成、融合、共享為原則，實(shí)現(xiàn)智能感知、遠(yuǎn)程集控、數(shù)據(jù)挖掘和決策支持[6]。

2.2.1 子系統(tǒng)接入引擎選型

在子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入引擎選型設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)考察子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分散度、數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)頻率和預(yù)警方式等因素[7]。子系統(tǒng)數(shù)據(jù)引擎接入方式見表1。

表1 子系統(tǒng)數(shù)據(jù)引擎接入方式Table 1 Design of subsystem data engine access method

以安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為例，其所監(jiān)控的數(shù)據(jù)來自大量不同的傳感器和分站設(shè)備，每個(gè)數(shù)據(jù)又包含大量的數(shù)據(jù)屬性，如數(shù)據(jù)狀態(tài)、閾值上限、閾值下限、傳感器類型、斷電值、復(fù)電值、關(guān)聯(lián)測點(diǎn)等，因此安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)屬于分散度較高，數(shù)據(jù)屬性較復(fù)雜的情況；再者根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，其數(shù)據(jù)頻率要求不低于30 s[8]，預(yù)警方式為超低延時(shí)預(yù)警；綜合以上情況，在安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入上采用OPC 數(shù)據(jù)接入方式。

2.2.2 子系統(tǒng)接入引擎開發(fā)

數(shù)據(jù)引擎開發(fā)采用微軟標(biāo)準(zhǔn)的COM 組件技術(shù)和.NET 平臺(tái)，在建立接口時(shí)，可以創(chuàng)建多個(gè)互相獨(dú)立的對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都可以根據(jù)設(shè)備情況擁有自己的變量，接入引擎開發(fā)最終的成果是一個(gè)可以被平臺(tái)導(dǎo)入的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。

1）建立驅(qū)動(dòng)信息結(jié)構(gòu)。首先建立驅(qū)動(dòng)信息結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)信息所有結(jié)構(gòu)都定義在頭文件中。驅(qū)動(dòng)信息主要數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)見表2。

表2 驅(qū)動(dòng)信息主要數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)Table 2 Main packet structure of driver information

2）重寫組態(tài)平臺(tái)接口函數(shù)。在驅(qū)動(dòng)信息結(jié)構(gòu)確定后，便可以重寫組態(tài)平臺(tái)接口函數(shù)[9]。在本項(xiàng)目中組態(tài)平臺(tái)與驅(qū)動(dòng)交互主要通過IprotocolImp（原始接口）和IProtocolImp2（自定義接口）2 個(gè)接口中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在程序設(shè)計(jì)中，定義了12 個(gè)接口實(shí)例函數(shù)，接口實(shí)例函數(shù)表見表3。

表3 接口實(shí)例函數(shù)表Table 3 Interface instance function table

3）程序類的設(shè)計(jì)。主要為：①驅(qū)動(dòng)程序項(xiàng)目類：該類實(shí)現(xiàn)了IprotocolImp 和IprotocolImp2 這2 個(gè)接口，接口中的函數(shù)見表3，其中序號(hào)1～9為IprotocolImp 接口函數(shù)，序號(hào)10～12 為IprotocolImp2 接口函數(shù)；②子系統(tǒng)設(shè)備類：實(shí)現(xiàn)組件對(duì)象模型接口包含設(shè)備基類（CDevBase）和設(shè)備子類（CDev）這 2 個(gè)類，類CDevBase 是所有設(shè)備子類的父類，其中，GetRegisters 用于得到由szDevice-Name 確定的寄存器的名字和個(gè)數(shù)，GetDevices 用于得到設(shè)備的名字和個(gè)數(shù)，ConvertUserConfigTo-Var 用于將用戶的配置字符串轉(zhuǎn)換為組態(tài)變量結(jié)構(gòu)，AddVarToPacket 用于確認(rèn)變量是否能夠與1 個(gè)包里的其他變量一起進(jìn)行采集，以進(jìn)行變量的打包，ProcessPacket2 用于根據(jù)協(xié)議及包狀態(tài)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理等；③設(shè)備通信類：此類用于實(shí)現(xiàn)串口和網(wǎng)口的通訊，平臺(tái)可自動(dòng)地產(chǎn)生串口通信類（CSerialCom）或者網(wǎng)絡(luò)通信類（CNetCom），其中，OpenCom 用于打開設(shè)備串口，CloseCom 用于關(guān)閉設(shè)備串口，PhysicalSend 用于相關(guān)設(shè)備發(fā)送通信數(shù)據(jù)，并接收設(shè)備返回的數(shù)據(jù)等；④數(shù)據(jù)調(diào)用類：該類實(shí)現(xiàn)各種調(diào)試信息在組態(tài)平臺(tái)信息窗口中的輸出，比如錯(cuò)誤信息，接口信息，數(shù)據(jù)信息等，其中，ShowImpMessage 用于輸出接口信息標(biāo)志，ShowErroMessage 用語顯示系統(tǒng)錯(cuò)誤消息，Show-FunMessage 用于顯示函數(shù)功能消息，ShowUser-Message 用于顯示用戶類消息。

4）各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入引擎的實(shí)現(xiàn)。在重寫組態(tài)平臺(tái)接口函數(shù)和完成新程序類的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠完成各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入和采集。各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息表見表4。

表4 各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息表Table 4 Data information of each subsystem

2.2.3 煤礦監(jiān)控及自動(dòng)化平臺(tái)功能界面

煤礦監(jiān)控及自動(dòng)化平臺(tái)功能界面是上層智能化平臺(tái)的基礎(chǔ)，是本次智能化平臺(tái)升級(jí)的核心部分，除了自動(dòng)化數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和挖掘外，還要將數(shù)據(jù)以盡可能清晰、完整并實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行歸集，為智能化決策提供可靠的數(shù)據(jù)來源和決策依據(jù)。

軟件平臺(tái)利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將枯燥數(shù)字變?yōu)橹庇^、美化的圖形進(jìn)行展示，融合多媒體技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)進(jìn)行三維仿真模擬，加入語音、視頻等元素進(jìn)行有機(jī)整合，使用戶面對(duì)的不再是簡單的人機(jī)接口，更如同身臨其境的物理操作。

2.2.4 煤礦信息管理平臺(tái)

煤礦信息管理平臺(tái)重點(diǎn)關(guān)注企業(yè)在管理、經(jīng)營和安全等方面的業(yè)務(wù)需求[10]。煤礦信息管理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 煤礦信息管理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Architecture design of coal mine information management platform

在架構(gòu)上系統(tǒng)分為4 個(gè)主要層次：用戶終端、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯分析、數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。用戶終端包含信息發(fā)布、信息瀏覽、信息查詢和系統(tǒng)運(yùn)維等用戶應(yīng)用模塊；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯分析包含生產(chǎn)、安全等各子系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘；數(shù)據(jù)訪問層是連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的接口，通過類的設(shè)計(jì)隔離用戶操作和底層數(shù)據(jù)從而最大限度保證數(shù)據(jù)的完整和安全；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是DBMS 的物理實(shí)體，各類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和可編程數(shù)據(jù)操作均有該模塊完成。

在應(yīng)用層面煤礦信息管理是由技術(shù)平臺(tái)和業(yè)務(wù)平臺(tái)2 部分有機(jī)結(jié)合而成。

技術(shù)平臺(tái)采用面向?qū)ο蠓椒?，通過分析業(yè)務(wù)流程的耦合度設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流向和操作節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用或功能被分割為多個(gè)靜態(tài)實(shí)例對(duì)象，對(duì)象間依靠數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和耦合，在硬件環(huán)境基礎(chǔ)上搭建模塊化業(yè)務(wù)群，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦智能化業(yè)務(wù)的重新定義和流程管理。

業(yè)務(wù)平臺(tái)是技術(shù)平臺(tái)的延續(xù)并于技術(shù)平臺(tái)無縫集成，業(yè)務(wù)平臺(tái)通過一體化設(shè)計(jì)和超高靈活度的配置管理，從根本上減少了在應(yīng)用維護(hù)期間的編碼設(shè)計(jì)的工作量，以配置代編碼的工作模式在降低系統(tǒng)業(yè)務(wù)復(fù)雜度的同時(shí)卻極大提高了其靈活度。

3 系統(tǒng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超融合與全生命周期管理的多重認(rèn)證技術(shù)

3.1.1 基于超融合技術(shù)的服務(wù)器虛擬化應(yīng)用

系統(tǒng)采用UniServer R4900 超融合服務(wù)器5 臺(tái)，配置UIS 超融合管理軟件和虛擬化軟件，采用云原生、赤霄加速、多角色、混合云、智能邊緣云6 大創(chuàng)新引擎，最終實(shí)現(xiàn)了“即刻共享，一步上云”的虛擬化場景。

通過超融合及虛擬化配置是及應(yīng)用，完成虛擬服務(wù)器12 臺(tái)，Raid5 虛擬共享存儲(chǔ)80 T，承載應(yīng)用部署86 個(gè)，全負(fù)荷工作時(shí)CPU 占用率不超過30%，保證了系統(tǒng)容災(zāi)、減災(zāi)的能力，在一定程度上達(dá)到了算力和網(wǎng)絡(luò)速率的負(fù)載平衡，實(shí)現(xiàn)了管控平臺(tái)的高可靠穩(wěn)定性。

3.1.2 全生命周期管理的多重認(rèn)證角色管理

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中，將系統(tǒng)功能進(jìn)行分類，包括系統(tǒng)監(jiān)測類、系統(tǒng)參數(shù)類和系統(tǒng)維護(hù)類3 個(gè)層次，3 種角色對(duì)應(yīng)3 個(gè)層次，通過Session 技術(shù)進(jìn)行過多重認(rèn)證。全生命周期管理的多重認(rèn)證角色管理如圖4。

圖4 全生命周期管理的多重認(rèn)證角色管理Fig.4 Multiple authentication role management for full lifecycle management

以角色區(qū)分權(quán)限，實(shí)現(xiàn)細(xì)分功能的定制化，用戶以指定角色登錄，在系統(tǒng)中的每一個(gè)動(dòng)作均實(shí)現(xiàn)多重認(rèn)證，從而保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)不被非法篡改、系統(tǒng)設(shè)備不被非授權(quán)控制、系統(tǒng)業(yè)務(wù)不被非認(rèn)證操作等。系統(tǒng)平臺(tái)通過“用戶-角色-權(quán)限-多重認(rèn)證”配置實(shí)現(xiàn)全生命周期管理的系統(tǒng)安全性。

3.2 智能聯(lián)動(dòng)預(yù)警技術(shù)

智能聯(lián)動(dòng)預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)在于平臺(tái)將各子系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)和控制點(diǎn)按照類別、區(qū)域、危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分類，用戶可通過系統(tǒng)提供的配置工具可將任意點(diǎn)位的異常與其他控制點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)動(dòng)作的順序延時(shí)響應(yīng)。

在監(jiān)測點(diǎn)異常判定上，平臺(tái)可提供人工智能驅(qū)動(dòng)的預(yù)測性分析，替代企業(yè)管理者對(duì)生產(chǎn)過程的風(fēng)險(xiǎn)變化做出及時(shí)響應(yīng)，提高風(fēng)控決策效率。平臺(tái)智能聯(lián)動(dòng)范疇包括生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)、安全監(jiān)控與指揮系統(tǒng)、應(yīng)急救援系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)等。

4 結(jié) 語

基于多源組態(tài)技術(shù)的恒姑煤礦智能化管控平臺(tái)，在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，在企業(yè)管理中實(shí)現(xiàn)了信息化，在具體實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷以及優(yōu)化調(diào)度。與管控平臺(tái)應(yīng)用前相比，恒姑煤礦原煤年產(chǎn)量提升8.33%，每年減少支出208 萬元，切實(shí)提高了恒姑煤礦的企業(yè)管理水平和管理效率。