煤礦井下多功能模塊化分站及其軟件管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

摘 要：目前，礦山的信息化、數(shù)字化系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)展雖然取得了長足進(jìn)步，但各種單一功能的分站或者具備若干項(xiàng)功能的井下分站設(shè)備仍廣泛使用，集成度不高，維護(hù)及管理問題突出；另外，因其功能分散，統(tǒng)一指揮功能不容易得到發(fā)揮及使用，在搶險(xiǎn)救災(zāi)等關(guān)鍵時(shí)刻容易導(dǎo)致拖延、貽誤等現(xiàn)象發(fā)。因此，研發(fā)煤礦井下模塊化分站及設(shè)備管理系統(tǒng)并將其應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、用于救災(zāi)等就顯得十分必要。

關(guān)鍵詞：礦山信息化；集成度；分站設(shè)備；應(yīng)用

前言

目前，礦山的信息化系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)展方興未艾，但仍有許多煤礦使用各種單一功能的分站或者具備若干項(xiàng)功能的井下分站設(shè)備，設(shè)備功能應(yīng)用不完善，缺少統(tǒng)一的通信及信息交換標(biāo)準(zhǔn)和平臺，獨(dú)立系統(tǒng)多，整體規(guī)劃和集成的較少，設(shè)備之間的信息交互少，利用率低，綜合功能欠缺，使得維護(hù)及管理問題突出。因此，研究將各個(gè)功能集成于一體的煤礦井下多功能綜合模塊化分站及分站統(tǒng)一管理系統(tǒng)并將其應(yīng)用于實(shí)踐尤為迫切。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦山的信息化建設(shè)需要建立在三個(gè)平臺基礎(chǔ)上，即統(tǒng)一的傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺及統(tǒng)一的應(yīng)用平臺。通過與致力于研究和推動數(shù)字化礦山綜合通信系統(tǒng)建設(shè)的高新技術(shù)企業(yè)合作，我們首次提出“基于工業(yè)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的一網(wǎng)一站”的新概念，即開發(fā)一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只構(gòu)建一個(gè)或幾個(gè)多功能綜合模塊化分站，使用光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳處理。利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)等構(gòu)建井下寬帶綜合通信基礎(chǔ)設(shè)施，研制了多功能模塊化分站，提升礦山安全信息化水平。

本課題以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建的信息化傳輸平臺，以模塊化軟件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)和管理過程的信息化應(yīng)用。多功能模塊化分站為系統(tǒng)承載平臺，該分站具有人員定位、通信聯(lián)絡(luò)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)廣播、視頻監(jiān)控、傳感器接口、設(shè)備控制等功能。支持各大系統(tǒng)的各種標(biāo)準(zhǔn)化終端和設(shè)備接入。網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

2 煤礦井下綜合模塊化分站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及開發(fā)

2.1 硬件系統(tǒng)

本課題開發(fā)的的系統(tǒng)硬件——井下模塊化分站硬件系統(tǒng)，是一個(gè)基于IP/以太網(wǎng)的多業(yè)務(wù)承載平臺，其實(shí)現(xiàn)的主要功能有：提供礦山網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)（wifi、zigbee、adsl、eoc、傳感器模擬信號等業(yè)務(wù)）的接入；融合接入設(shè)備與終端的綜合功能，提供多IP供終端業(yè)務(wù)的使用；提供統(tǒng)一網(wǎng)管對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)管理。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

模塊化分站一般作為井下作為網(wǎng)絡(luò)的傳輸節(jié)點(diǎn)和井下物聯(lián)網(wǎng)信息的匯聚點(diǎn)使用。與分站連接的設(shè)備包括分站、傳感器接口設(shè)備和專用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。分站的功能包括四個(gè)部分：模塊組合承載業(yè)務(wù)、給模塊和傳感器供電、具有交換機(jī)功能、配合網(wǎng)管管理模塊。

其硬件電路組成如下：背板：實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)無關(guān)的以太網(wǎng)分組交換功能，完成各個(gè)模塊/單板之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；光交換模塊：提供千兆以太網(wǎng)接入功能；Wifi模塊：提供wifi及百兆以太網(wǎng)接入功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)wifi與以太網(wǎng)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換功能；標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展模塊：實(shí)現(xiàn)傳感器信號接入并轉(zhuǎn)化成IP/以太網(wǎng)報(bào)文，提供終端IP供傳感器模塊使用來與服務(wù)器進(jìn)行通訊；精確定位模塊：實(shí)現(xiàn)zigbee信號接入并轉(zhuǎn)化成IP/以太網(wǎng)報(bào)文，提供終端IP供精確定位模塊使用來與服務(wù)器進(jìn)行通信。

井下多功能模塊化分站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 軟件管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

基于多功能模塊化分站的軟件管理系統(tǒng)是礦山信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分，是針對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理的部分?？蛻舳送ㄟ^訪問運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，可根據(jù)客戶要求遠(yuǎn)程控制及現(xiàn)場維護(hù)井下信息節(jié)點(diǎn)，為礦山信息化傳輸層提供管理保障。主要包括 API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）、APP（Application，應(yīng)用程序）設(shè)計(jì)兩部分。

3.2 API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）設(shè)計(jì)

3.2.1 API結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開發(fā)設(shè)計(jì)了API結(jié)構(gòu)。API也叫做“中間件”，通過使用API，可快速創(chuàng)建自己的應(yīng)用程序，而不需要了解底層的具體細(xì)節(jié)。API分為業(yè)務(wù)系統(tǒng)API（簡稱S-API）與網(wǎng)管系統(tǒng)API（M-API）。S-API主要實(shí)現(xiàn)對礦山信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的綜合管理，將個(gè)子系統(tǒng)等傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的采集，采用SOA架構(gòu)（面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）統(tǒng)一封裝為標(biāo)準(zhǔn)的API接口。通過標(biāo)準(zhǔn)的API協(xié)議，可以方便的在其基礎(chǔ)上開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，不用關(guān)心業(yè)務(wù)底層數(shù)據(jù)及物理層硬件工作數(shù)據(jù)，提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊化程度。M-API是針對系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的管理API，是對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)虛擬化，并提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以根據(jù)接口協(xié)議開發(fā)定制的管理軟件，使應(yīng)用層APP的開發(fā)更加靈活、易于維護(hù)。

3.2.2 API層模塊介紹

上層API：提供給應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的API調(diào)用接口；底層API：與底層數(shù)據(jù)交互接口，允許多種接口接入；數(shù)據(jù)區(qū)：存儲由底層API提供的數(shù)據(jù)，與處理模塊交互，最終根據(jù)上層API調(diào)用規(guī)則提供數(shù)據(jù)；處理區(qū)：對來自數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理；直傳通道：用于緊急應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)緊急、實(shí)時(shí)要求較高的數(shù)據(jù)交互通道；管理區(qū)：對API層各個(gè)模塊數(shù)據(jù)交互規(guī)則進(jìn)行管理，對其交互處理行為進(jìn)行日志保存。

3.3 APP（Application，應(yīng)用程序）設(shè)計(jì)

APP為系統(tǒng)上層應(yīng)用軟件，是與用戶直接交互的人機(jī)接口。通過調(diào)用API接口，APP可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用構(gòu)建為多種應(yīng)用形態(tài)。

本課題研究主要針對移動終端的APP設(shè)計(jì)。系統(tǒng)APP根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求分為管理頻道、咨詢頻道、設(shè)置頻道及搜索頻道，通過三個(gè)主要的應(yīng)用頻道，可以對系統(tǒng)內(nèi)基本的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，并可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行遠(yuǎn)程或現(xiàn)場維護(hù)。

3.4 軟件測試及現(xiàn)場應(yīng)用情況

移動終端用戶通過系統(tǒng)APP可修改用戶個(gè)人信息、修改密碼、調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置、反饋APP應(yīng)用意見、軟件升級等，并可現(xiàn)場查找設(shè)備名稱或ID等信息最終進(jìn)入實(shí)際設(shè)備信息查看與設(shè)置界面的頻道，用戶可查看當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場正在運(yùn)行的設(shè)備信息、工作情況及工作狀態(tài)歷史記錄，并且可對設(shè)備和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)、設(shè)置。軟件測試功能正常。

解決了傳統(tǒng)的數(shù)字化礦山系統(tǒng)設(shè)備冗余、維護(hù)復(fù)雜、設(shè)備無管理的問題，提高了信息處理的實(shí)時(shí)性、安全性，并降低成本。單個(gè)設(shè)備注入了可管理的代理軟件，通過軟件可對任意一臺設(shè)備進(jìn)行所見即所得的管理，解決了傳統(tǒng)數(shù)字化礦山系統(tǒng)因管理缺陷導(dǎo)致的設(shè)備狀況無法監(jiān)控的問題。應(yīng)用于現(xiàn)場以來效果良好。

4 創(chuàng)新與突破

（1）該本安型井下模塊化分站，接口豐富，可以用有線或者無線方式連接除瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)（按照要求必須獨(dú)立傳輸）傳感器之外各其他系統(tǒng)傳感器和終端設(shè)備，包括攝像頭、智能終端和PLC可編程邏輯控制模塊等，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測及所有系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護(hù)。

（2）對系統(tǒng)的應(yīng)用軟件建立了統(tǒng)一的調(diào)用接口，即在應(yīng)用軟件與硬件層之間建立標(biāo)準(zhǔn)的API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序可編程接口）。軟件開發(fā)、硬件開發(fā)相互獨(dú)立，增加系統(tǒng)的技術(shù)彈性，只要遵循API的標(biāo)準(zhǔn)接口，任何一個(gè)應(yīng)用軟件都可以快速進(jìn)行設(shè)計(jì)，且因?yàn)榻涌诘臉?biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，軟件與軟件之間接口都通用。

（3）建立了智能化的礦山信息化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。可以在任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)監(jiān)測到井下各大系統(tǒng)的工作情況。

（4）解決了傳統(tǒng)數(shù)字化礦山系統(tǒng)各自獨(dú)立所導(dǎo)致的問題。比如系統(tǒng)設(shè)備冗余、維護(hù)復(fù)雜、設(shè)備管理缺陷等，提高了信息處理的實(shí)時(shí)性、安全性，并降低了成本。

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[3]孫繼平，等.煤礦通信與信息化[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

作者簡介：王朋煒（1969-），河北省曲陽縣人，1992年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，中國礦業(yè)大學(xué)安全專業(yè)工程碩士，教授級高級工程師，現(xiàn)任中煤平朔集團(tuán)公司機(jī)電專家、中煤平朔北嶺煤業(yè)公司副經(jīng)理。