基于GIS的礦用分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 賈文琪

基于GIS的礦用分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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針對(duì)如何將光纖測(cè)溫技術(shù)更好的應(yīng)用到井下的問題，提出了基于GIS的礦用分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)原理及功能與軟件設(shè)計(jì)。該軟件基于Windows平臺(tái)，結(jié)合MODBUS/TCP通信協(xié)議、MapWinGis地圖控件、Wpf技術(shù)和光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。

光纖測(cè)溫；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；MapWinGis；Wpf；MODBUS

1　 引言

我國煤礦生產(chǎn)危險(xiǎn)源多、災(zāi)害嚴(yán)重的形勢(shì)非常嚴(yán)峻，礦井火災(zāi)是直接威脅礦井安全的主要危害之一[1]。煤礦火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。外因火災(zāi)是指違章在井下吸煙、礦用電氣設(shè)備等引起的火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)是指煤炭由于自身的物理化學(xué)性質(zhì)具有自燃性，與空氣接觸后能氧化生熱，如果散熱條件不好，就會(huì)自燃。國家安監(jiān)總局公布的“煤礦安全生產(chǎn)十二五規(guī)劃”中，明確指出：進(jìn)一步加大火災(zāi)成因機(jī)理分析、火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測(cè)預(yù)警和火災(zāi)發(fā)生后應(yīng)急處理設(shè)備研究力度；有效防范和及時(shí)消除煤礦電纜、皮帶、電氣、可燃材料支護(hù)等存在的外因火災(zāi)隱患。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)快速多點(diǎn)測(cè)溫和測(cè)量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)。它是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸?shù)倪^程中與光纖分子相互作用，發(fā)生多種形式的散射，有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。這里提出的光纖測(cè)溫原理是依據(jù)背向拉曼散射的溫度效應(yīng)[2-3]。該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾，可不受任何環(huán)境的影響，本身安全，適用于特殊危險(xiǎn)場合。

2　 光纖測(cè)溫系統(tǒng)架構(gòu)

分布式光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)主要由工控機(jī)、打印機(jī)、不間斷電源、電涌保護(hù)器、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、礦用隔爆兼本安型光纖測(cè)溫主機(jī)、礦用本質(zhì)安全型聲光報(bào)警器、礦用本安型計(jì)算機(jī)鍵盤、煤礦用阻燃溫度探測(cè)光纜和其他必要設(shè)備組成。系統(tǒng)連接示意圖見圖1。

圖1　 系統(tǒng)連接圖

溫度探測(cè)光纜沿被測(cè)場所或機(jī)電設(shè)備布置，采集環(huán)境溫度。測(cè)溫主機(jī)采集溫度探測(cè)光纜的光信號(hào)經(jīng)過光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入信號(hào)處理器，便可將溫度信息實(shí)時(shí)顯示出來，同時(shí)根據(jù)光纖中光波的傳輸速度和后向光回波的時(shí)間對(duì)溫度信息定位。測(cè)溫主機(jī)同時(shí)可以設(shè)定溫度報(bào)警值并通過繼電器信號(hào)輸出。根據(jù)現(xiàn)場布置需要，測(cè)溫主機(jī)可布置于井下或地面。測(cè)溫主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備與地面工控機(jī)相連，通過系統(tǒng)軟件監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)溫度。

3　 GIS技術(shù)介紹

地理信息系統(tǒng)（GIS）是描述、儲(chǔ)存、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門交叉學(xué)科，是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)采用地理模型的分析方法，適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。

運(yùn)用GIS技術(shù)，可以將礦區(qū)的基本信息（包括道路、水系、鐵路、電力設(shè)施、通信設(shè)施和機(jī)電設(shè)備等）分為不同的圖層進(jìn)行疊加展現(xiàn)。用戶可以選擇自己感興趣或與工作相關(guān)的圖層進(jìn)行瀏覽。系統(tǒng)提供的瀏覽功能包括放大、縮小、漫游、鷹眼和全圖查看等。根據(jù)人眼的視覺原理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在不同比例尺下GIS基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)顯示不同的數(shù)據(jù)層。在功能上，可以實(shí)現(xiàn)礦井信息的多角度查看，同時(shí)將重要設(shè)備信息、人員等在虛地圖中標(biāo)識(shí)出來。

圖2　 軟件架構(gòu)

4　 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，使用Wpf技術(shù)，C#，C++開發(fā)語言。系統(tǒng)采用MVC分層架構(gòu)如圖2所示，其中關(guān)鍵模塊功能包括系統(tǒng)調(diào)度模塊，地圖編輯模塊，地圖實(shí)時(shí)顯示模塊，溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊，MODBUS數(shù)據(jù)通信模塊。系統(tǒng)調(diào)度模塊為核心模塊，負(fù)責(zé)各模塊直接協(xié)作調(diào)度、系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理和界面更新等功能。文件上傳下載模塊負(fù)責(zé)下位機(jī)配置文件讀寫功能。數(shù)據(jù)庫訪問模塊負(fù)責(zé)MySql數(shù)據(jù)庫操作。MODBUS數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)通過MODBUS/TCP協(xié)議與下位機(jī)進(jìn)行通信，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

5　 軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 表示層模塊實(shí)現(xiàn)

地圖編輯模塊，地圖實(shí)時(shí)顯示模塊，溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊均屬于前端顯示模塊。用戶體驗(yàn)成為模塊實(shí)現(xiàn)的首要考慮因素。

系統(tǒng)界面采用Wpf技術(shù)[6-7]編寫，首先Wpf統(tǒng)一了Windows創(chuàng)建、顯示和操作文檔、媒體和用戶界面(UI)的方式，使開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建更好的視覺效果、不同的用戶體驗(yàn)。其實(shí)，Wpf采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的UI，數(shù)據(jù)是核心，處于主動(dòng)的，UI從屬于數(shù)據(jù)并表達(dá)數(shù)據(jù)，是被動(dòng)的。WPF數(shù)據(jù)第一，控件第二。因此，Wpf能更好可以使開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員同步緊密地合作來快速提供不同的連通體驗(yàn)，使軟件易于維護(hù)。

地圖顯示與編輯模塊采用MapWinGis第三方開源Gis進(jìn)行二次開發(fā)，MapWinGis 是一個(gè)相當(dāng)高效的地圖引擎，放大、縮小、漫游速度很快，被譽(yù)為開源中的ArcGis。對(duì).Net的二次開始相當(dāng)支持。速度、效率總體不錯(cuò)[8-9]。

系統(tǒng)主界面采用地圖方式對(duì)全礦井平面、所要監(jiān)控的對(duì)象進(jìn)行展示。當(dāng)鼠標(biāo)移至設(shè)備對(duì)象時(shí)，顯示對(duì)象在光纖中的基本信息如圖3所示，具有良好的用戶體驗(yàn)。

圖3　 軟件主界面

5.2 系統(tǒng)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)調(diào)度模塊位于系統(tǒng)的邏輯層，主要模塊功能有：1)定時(shí)讀取底層數(shù)據(jù)；2)定時(shí)更新用戶界面；3)負(fù)責(zé)各模塊之間協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)相互訪問性；4)控制歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及訪問；5)控制系統(tǒng)配置文件進(jìn)行上傳下載。

系統(tǒng)調(diào)度模塊采用Observer模式[10]，系統(tǒng)調(diào)度模內(nèi)包含多個(gè)觀察者（如地圖顯示模塊等），通過系統(tǒng)調(diào)度模塊監(jiān)視被觀察者（如MODBUS數(shù)據(jù)通信模塊等）。這樣就阻斷了各模塊之間的直接聯(lián)系，松散了耦合關(guān)系。被觀察者通過Update函數(shù)通知觀察者做出相應(yīng)的動(dòng)作，完成Observer模式整個(gè)流程。

5.3 MODBUS通信模塊實(shí)現(xiàn)

MODBUS通信模塊基于MODBUS/TCP協(xié)議[11-12]，采用C++ Dll庫文件方式實(shí)現(xiàn)，方便C#等其它程序調(diào)用。MODBUS通信模塊作為客戶端程序接收三類事件：1)對(duì)MODBUS請(qǐng)求進(jìn)行編碼，并使用TCP管理組件服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送MODBUS請(qǐng)求。2)處理MODBUS證實(shí)，對(duì)接收到的MODBUS數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，根據(jù)解碼后內(nèi)容作響應(yīng)處理。3)對(duì)于用戶請(qǐng)求超時(shí)的，進(jìn)行重傳處理。具體過程如圖4所示。

圖4　 MODBUS通信模塊流程圖

6　 結(jié)語

本軟件基于Windows操作系統(tǒng)的Wpf技術(shù)、MapWinGis第三方地圖控件和MODBUS通信協(xié)議開發(fā)，能夠更靈活方便的對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備、動(dòng)力電纜及高速運(yùn)行的皮帶各處的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，也可以對(duì)煤礦重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè)，預(yù)防檢測(cè)火災(zāi)的發(fā)生。目前，該軟件已經(jīng)在煤礦得到應(yīng)用，取得了顯著效果。

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[12]MODBUS通訊協(xié)議中文版[DB/OL]．http://wenku．baidu．com/view/7eea0083ec3a87c24028c4eb．html,2013．

賈文琪（1978—），男，江蘇武進(jìn)人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)在天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司從事礦用產(chǎn)品研發(fā)工作。