基于OPC UA 的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型

榮雪，黃友銳，儲(chǔ)怡然，徐善永

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001）

0 引言

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中子系統(tǒng)種類較多，各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)備型號(hào)繁雜[1-2]。隨著井下開采區(qū)域不斷擴(kuò)大，新老設(shè)備共存的情況一直存在，缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，形成“信息孤島”，設(shè)備信息異構(gòu)導(dǎo)致數(shù)據(jù)語(yǔ)義完備性低及信息交互數(shù)據(jù)碎片化。因此需解決煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息共享問題。

針對(duì)目前煤礦普遍存在的“信息孤島”問題，文獻(xiàn)[3-4]提出一種基于資源模型和受限應(yīng)用協(xié)議的智慧礦山信息交互方法。文獻(xiàn)[5]提出一種通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)將異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一協(xié)議的方法，在井下實(shí)現(xiàn)信息交互。文獻(xiàn)[6]提出利用CORBA 組件對(duì)煤礦系統(tǒng)進(jìn)行集成。文獻(xiàn)[7-8]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)控集成平臺(tái)。我國(guó)煤礦信息化建設(shè)中，各個(gè)子系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)集成，但所獲得的海量數(shù)據(jù)無(wú)法有效共享，集成分析無(wú)法進(jìn)行。

OPC UA（OLE for Process Control Unified Architecture，用于過(guò)程控制的OLE 統(tǒng)一架構(gòu)）通過(guò)建立節(jié)點(diǎn)信息模型描述生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，為生產(chǎn)提供可互操作、高性能且包含豐富語(yǔ)義信息的通信模式[9]。OPC UA 是對(duì)OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有使用OPC UA協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行相互訪問和控制[10]。煤礦OPC UA研發(fā)目前處于起步階段，綜采、通風(fēng)、排水等部分控制系統(tǒng)已通過(guò)OPC UA 協(xié)議開發(fā)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，解決了現(xiàn)場(chǎng)異構(gòu)設(shè)備通信協(xié)議不同帶來(lái)的數(shù)據(jù)集成和傳輸問題[11-13]。由于OPC UA 具有平臺(tái)獨(dú)立性、可擴(kuò)展性、可互操作性、高可靠性、可連接互聯(lián)網(wǎng)等特點(diǎn)[14]，本文在分析煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備與信息模型映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種基于OPC UA 的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型，該模型采用統(tǒng)一的格式和語(yǔ)言進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)煤礦新老設(shè)備、不同廠家設(shè)備之間的無(wú)障礙信息共享，從而使煤礦生產(chǎn)中各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互通，統(tǒng)一展示給用戶。

1 OPC UA 簡(jiǎn)介

1.1 OPC UA 架構(gòu)

OPC UA 采用SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu)），將數(shù)據(jù)訪問、事件報(bào)警等功能集成在地址空間中，使用HTTP 信道SOAP（Simple Object Access Protocol，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議）編碼格式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。OPC UA 保留了OPC 的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，擁有暴露信息的服務(wù)器和使用信息的客戶端，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間的信息交互。

相比于OPC，OPC UA 最大的創(chuàng)新是增加了信息建模功能。例如，在OPC 中甲烷傳感器僅提供甲烷濃度，而在OPC UA 中不僅能采集到甲烷濃度，還可獲得甲烷傳感器的類型、編號(hào)等具體信息。OPC UA 信息建模過(guò)程中，將需要采集信息的設(shè)備或系統(tǒng)作為對(duì)象，提取對(duì)象的屬性構(gòu)建信息模型。信息模型由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的引用組成，節(jié)點(diǎn)可分為對(duì)象、變量和方法等8 種類型，引用體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系，節(jié)點(diǎn)和引用共同構(gòu)成信息模型中的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。信息模型在OPC UA 服務(wù)器的地址空間中供客戶端訪問，如圖1 所示。

圖1 OPC UA 服務(wù)器架構(gòu)Fig.1 OPC UA server architecture

1.2 OPC UA 建模流程

OPC UA 建模流程：①獲取需求；② 建立信息模型；③實(shí)例化信息模型；④ 轉(zhuǎn)換為XML（Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）格式。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景并結(jié)合領(lǐng)域規(guī)范，獲取設(shè)備的類型、屬性和設(shè)備之間的關(guān)系，這是信息模型建立的前提，也是信息模型能夠與應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的關(guān)鍵。信息模型最終采用XML 文件描述，具有良好的通用性，支持跨平臺(tái)使用。

1.3 OPC UA 信息傳輸

OPC UA 服務(wù)器與客戶端之間經(jīng)通信棧完成網(wǎng)絡(luò)層的信息傳輸。通信棧由編碼層、安全層和傳輸層組成，數(shù)據(jù)編碼采用二進(jìn)制或XML 格式，通過(guò)TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接?？蛻舳伺c服務(wù)器之間上下文通信過(guò)程如圖2 所示。首先，建立Socket 套接字，客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，服務(wù)器返回響應(yīng)消息，建立TCP層的初始連接。然后，打開安全通道，將套接字與安全通道綁定，進(jìn)行信息加密。最后，客戶端發(fā)送會(huì)話請(qǐng)求，服務(wù)器返回響應(yīng)后建立并激活會(huì)話，開始上下文通信。

圖2 客戶端與服務(wù)器之間上下文通信過(guò)程Fig.2 Context communication process between client and server

2 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)按功能可分為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦井下人員位置監(jiān)控系統(tǒng)、礦井火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦供電系統(tǒng)、瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)等。由于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模大、設(shè)備復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行信息建模時(shí)，應(yīng)滿足可擴(kuò)展性、完整性要求。根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)信息和OPC UA 信息模型通用建模規(guī)則，得出煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備與信息模型的映射關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 實(shí)際設(shè)備與信息模型的映射關(guān)系Fig.3 Mapping relationship between actual equipment andinformation model

信息模型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。將按功能劃分的各個(gè)子系統(tǒng)和組成子系統(tǒng)的設(shè)備定義為組件，將各個(gè)子系統(tǒng)稱為功能組件集（簡(jiǎn)稱功能集），設(shè)備稱為設(shè)備組件集（簡(jiǎn)稱設(shè)備集），各個(gè)組件所包含的所有數(shù)據(jù)信息的集合稱為屬性集。各個(gè)組件都可通過(guò)屬性集進(jìn)行描述，屬性集和組件之間允許嵌套和繼承。功能集中各功能組件通過(guò)靜態(tài)屬性集及動(dòng)態(tài)屬性集進(jìn)行描述（根據(jù)信息數(shù)據(jù)的性質(zhì)，將屬性集分為靜態(tài)屬性集和動(dòng)態(tài)屬性集，靜態(tài)屬性表示設(shè)備固有的屬性，例如設(shè)備的編號(hào)、名稱，采集數(shù)據(jù)的類型等，動(dòng)態(tài)屬性表示系統(tǒng)開啟時(shí)變化的數(shù)據(jù)，例如水泵排水量、通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、各類傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等）。在信息模型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化和模型化描述，形成信息模型。

圖4 信息模型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.4 Information model infrastructure

基于OPC UA 的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)如圖5 所示。由于不同子系統(tǒng)的功能及所包含的設(shè)備不同，建立模型的信息也不同。當(dāng)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中需要擴(kuò)展新的功能時(shí)，在功能集進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建新的模塊化組件。當(dāng)子系統(tǒng)中需要增添新的設(shè)備時(shí)，可在設(shè)備集中增加新的組件，保證信息模型的可擴(kuò)展性。

圖5 基于OPC UA 的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)Fig.5 Overall structure of information model of coal mine safety production monitoring system based on OPC UA

以瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)信息模型為例，其由屬性集和設(shè)備集組成，主要描述井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)和實(shí)際設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。靜態(tài)屬性包括系統(tǒng)編號(hào)、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能等；動(dòng)態(tài)屬性包括抽采管道狀態(tài)、抽放站環(huán)境狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、供氣管道狀態(tài)和儲(chǔ)氣罐狀態(tài)。抽采管道狀態(tài)主要包括抽采管路中CH4體積分?jǐn)?shù)、流量、壓力、CO 體積分?jǐn)?shù)等；抽放站環(huán)境狀態(tài)主要包括瓦斯抽放泵站室內(nèi)和井下臨時(shí)抽放泵站下風(fēng)側(cè)CH4體積分?jǐn)?shù)、O2體積分?jǐn)?shù)等；設(shè)備狀態(tài)主要包括電動(dòng)機(jī)溫度、抽采泵軸溫度、抽采泵運(yùn)行/停止、電流、電壓等；供氣管道狀態(tài)主要包括管道正壓、溫度、CH4體積分?jǐn)?shù)、流量供氣閥開度等；儲(chǔ)氣罐狀態(tài)主要包括密封水位、密封水溫、罐內(nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)等。設(shè)備集包含甲烷傳感器、氧氣傳感器、風(fēng)壓傳感器等用于數(shù)據(jù)采集的傳感器，用于數(shù)據(jù)分析處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂破骷坝糜趫?zhí)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果的光電報(bào)警器、甲烷斷電儀、甲烷閉鎖裝置。依據(jù)設(shè)備集中設(shè)備類型，建立瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)信息模型，如圖6 所示，各個(gè)設(shè)備的屬性可由父級(jí)設(shè)備的屬性繼承而來(lái)，也可擴(kuò)展設(shè)備的自身屬性。

瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)信息模型僅為抽象的框架，在進(jìn)行信息模型實(shí)例化過(guò)程中需要基于實(shí)際系統(tǒng)中的設(shè)備和功能，按照?qǐng)D6 中的類別對(duì)框架中各類信息進(jìn)行填充，形成具有實(shí)際意義的信息模型對(duì)象。根據(jù)傳感器的屬性進(jìn)行建模，各個(gè)傳感器對(duì)象可以直接繼承傳感器類型的屬性。以甲烷傳感器和氧氣傳感器為例，對(duì)其信息模型進(jìn)行實(shí)例化，如圖7 所示。

圖6 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)信息模型Fig.6 Information model of gas extraction monitoring system

圖7 傳感器信息模型實(shí)例化Fig.7 Instantiation of sensor information model

UaModeler 提供了地址空間的圖形設(shè)計(jì)，可對(duì)信息模型進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)，用戶可快捷地在圖形用戶界面中添加節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間的引用，快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型，并且可用創(chuàng)建的信息模型自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的XML文件[15]。因此，采用UaModeler 建立傳感器信息模型并實(shí)例化。建立圖形化結(jié)構(gòu)的信息模型后，利用UaModeler 自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)信息模型的XML 描述文件，并將其導(dǎo)入OPC UA 服務(wù)器的地址空間。

3 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于OPC UA 的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型的可行性，根據(jù)信息模型可通過(guò)地址空間向客戶端展示的原理，使用第三方客戶端UaExpert 連接服務(wù)器對(duì)信息模型進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程所生成的XML 描述文件向OPC UA 服務(wù)器地址空間映射，并運(yùn)行OPC UA 服務(wù)器，利用OPC UA 客戶端讀取服務(wù)器地址空間，獲取信息模型的全部?jī)?nèi)容。對(duì)信息模型測(cè)試時(shí)，可通過(guò)節(jié)點(diǎn)變化來(lái)判斷信息模型是否開發(fā)成功。

在Python 環(huán)境使用asyncua 搭建OPC UA 服務(wù)器，服務(wù)器成功啟動(dòng)后，運(yùn)行第三方客戶端UaExpert，輸入服務(wù)器地址連接到服務(wù)器。在UaExpert 客戶端界面（圖8）中，瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)信息模型中的傳感器信息均在左側(cè)列表中，點(diǎn)擊最右側(cè)窗口可顯示節(jié)點(diǎn)的基本屬性信息，說(shuō)明服務(wù)器加載地址空間成功。

圖8 UaExpert 客戶端界面Fig.8 UaExpert client interface

測(cè)試結(jié)果表明，所建立的信息模型可根據(jù)映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)在OPC UA 地址空間的映射，并通過(guò)OPC UA 客戶端訪問服務(wù)器的地址空間，獲取各個(gè)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)中任意對(duì)象的屬性，驗(yàn)證了使用信息模型實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通的可行性。

4 結(jié)論

（1）以煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，從實(shí)際設(shè)備與信息模型的映射關(guān)系出發(fā)，構(gòu)建了基于OPC UA 的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息模型。通過(guò)UaModeler 實(shí)現(xiàn)對(duì)信息模型的編輯，在服務(wù)器地址空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息模型實(shí)例化，并使用UaExpert 驗(yàn)證了信息模型的可行性。

（2）構(gòu)建的信息模型具有可擴(kuò)展性、語(yǔ)義完備性高等特點(diǎn)，能夠解決煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)難以信息共享的問題。