數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化在煤礦數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中的應(yīng)用

王憲 薛軍

摘 要：神東煤炭分公司早在2015年就制定了《礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了礦山機(jī)電設(shè)備的工業(yè)以太網(wǎng)通信EtherNet/IP接口和協(xié)議的術(shù)語、定義、規(guī)約。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上開展綜采工作面主要設(shè)備的數(shù)據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等工作，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用，建立綜采工作面設(shè)備綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)照，為設(shè)備管理工作提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；綜采工作面；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0170-02

1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，也是開展數(shù)據(jù)分析工作的前提，神東煤炭分公司早在2015年就制定了《礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了礦山機(jī)電設(shè)備的工業(yè)以太網(wǎng)通信EtherNet/IP接口和協(xié)議的術(shù)語、定義、規(guī)約，標(biāo)準(zhǔn)主要包括以太網(wǎng)EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范總則，擴(kuò)展對(duì)象庫，采煤機(jī)、液壓支架、饋電開關(guān)等10類主要設(shè)備行規(guī)，按照GB/T 1.1-2009給出的規(guī)則起草。

礦山機(jī)電設(shè)備通信接口和協(xié)議》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EtherNet/IP協(xié)議和OSI參考模型（如圖1所示），采用ODVA：CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第1卷：通用工況協(xié)議和ODVA，CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第1卷：CIP的以太網(wǎng)/IP適配，構(gòu)成特定的EtherNet/IP通信規(guī)約的一般規(guī)則。

OSI參考模型包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層共7個(gè)層級(jí)，在具體實(shí)施過程中遵循以下要求：

1.1 物理層要求

物理層作為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。煤礦設(shè)備受礦井環(huán)境及干擾因素影響較大，設(shè)備移動(dòng)性較強(qiáng)，物理層采用有線接口、無線接口兩種模式互補(bǔ)，提高可靠性，其中有線接口采用快速以太網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到100Mbps，支持使用屏蔽或非屏蔽銅雙絞線（Cat 5）和光纜，滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：

（1）100BASE-TX，銅介質(zhì)雙絞線符合MT 818.14-1999的規(guī)定。（2）100BASE-FX，光纖符合MT 818.14-1999的規(guī)定。

綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架多采用無線接口，滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：

3G CDMA 2000：滿足國際標(biāo)準(zhǔn)3GPP2 C.S0002-E-v2.0；

物理層的功能是在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間提供透明的比特流傳輸，所實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)備有中繼器和集線器，物理層有線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒切瓮負(fù)?、線形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)?，用于煤礦井下的EtherNet/IP通信應(yīng)在下列條件下正常工作：（1）環(huán)境溫度：0℃～40℃；（2）平均相對(duì)濕度：不大于95%（+25℃）；（3）大氣壓力：80 kPa～106 kPa；（4）有爆炸性氣體混合物，無破壞絕緣的腐蝕性氣體。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層位于OSI參考模型的第二層，數(shù)據(jù)鏈路層通過一些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不太可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，主要功能是為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，包括無確認(rèn)的無連接服務(wù)、有確認(rèn)的無連接服務(wù)、有確認(rèn)的面向連接的服務(wù)三種基本服務(wù)。其中有線通信的數(shù)據(jù)鏈路滿足IEEE802.3規(guī)范，支持10Mbps、100Mbps及更高速率，無線通信3G CDMA2000的數(shù)據(jù)鏈路滿足國際標(biāo)準(zhǔn)3GPP2 C.S0003-F-v2.0，3GPP2 C.S0004-E-v2.0，3GPP2 C.S0017-010-0-v3.0。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層位于TCP/IP協(xié)議棧數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層中間，網(wǎng)絡(luò)層接收傳輸層的數(shù)據(jù)報(bào)文，分段為合適的大小，用IP報(bào)文頭部封裝，交給數(shù)據(jù)鏈路層。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層標(biāo)準(zhǔn)滿足ODVA：CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第2卷：CIP的以太網(wǎng)/IP適配中9-3，ODVA：CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第1卷：通用工業(yè)協(xié)議的要求。具備如下功能：

（1）信源到信宿的傳輸。通過多條物理鏈路連接成的傳輸路徑將一個(gè)數(shù)據(jù)分組從源結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點(diǎn)。并為傳輸層提供了完整的服務(wù)，傳輸層不必關(guān)心兩結(jié)點(diǎn)之間傳輸信息的具體細(xì)節(jié)。（2）邏輯尋址。在數(shù)據(jù)分組的頭部加入源地址和目的地址。（3）路由。當(dāng)有多條路徑可選時(shí)，選擇從源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)分組的最佳路徑。在這種情況下，每個(gè)數(shù)據(jù)分組可以經(jīng)過不同的路由到達(dá)目的地，然后在目的地按照原始順序重新組裝。路由所考慮的因素包括傳送速率、費(fèi)用和在傳輸種改變路徑的能力。（4）地址轉(zhuǎn)換。將網(wǎng)絡(luò)層地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址或?qū)⑽锢淼刂忿D(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層地址。（5）復(fù)用。使用同一條物理線路同時(shí)傳輸多個(gè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)。（6）流量和擁塞控制。一個(gè)路由可能產(chǎn)生巨大的通信量，從而使路由上的某些結(jié)點(diǎn)超負(fù)荷工作，由此導(dǎo)致的擁塞經(jīng)常使某些分組信息被丟棄。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議必須能夠在部分報(bào)文丟失時(shí)通知發(fā)送方，調(diào)節(jié)發(fā)送的流量。（7）網(wǎng)絡(luò)互連。發(fā)送端和接收端結(jié)點(diǎn)可能不在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，要成功實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的傳送，必須解決網(wǎng)絡(luò)互連的有關(guān)問題。

1.4 表示層和應(yīng)用層

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用通過端系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)每一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，通信雙方都必須按照雙方都能夠理解的規(guī)范交換或處理數(shù)據(jù)，也稱為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議。應(yīng)用協(xié)議包括通信雙方請(qǐng)求或響應(yīng)服務(wù)的信息格式、控制命令和所傳數(shù)據(jù)信息的說明等。如超文本傳輸協(xié)議HTTP，是Web服務(wù)器與客戶瀏覽器之間交換信息的協(xié)議；域名系統(tǒng)DNS，定義了客戶端向域名服務(wù)器請(qǐng)求域名解析服務(wù)的信息交換規(guī)范；文件傳輸協(xié)議FTP，定義了請(qǐng)求文件的客戶端從提供文件的服務(wù)器獲取文件操作規(guī)范等，企業(yè)表示層和應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)滿足ODVA：CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第1卷：通用工業(yè)協(xié)議和ODVA：CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第2卷：CIP的以太網(wǎng)/IP適配。

2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在建設(shè)初期存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性差、如何進(jìn)行預(yù)篩選等問題。

數(shù)據(jù)量大。區(qū)域自動(dòng)化四礦大柳塔礦、補(bǔ)連塔礦、上灣礦和哈拉溝礦合計(jì)監(jiān)測(cè)169600點(diǎn)，而全公司13個(gè)礦井總計(jì)監(jiān)測(cè)超過450000點(diǎn)，且隨著綜采工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)逐年增加。

數(shù)據(jù)相關(guān)性差。神東有信息化系統(tǒng)40多個(gè)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)涉及到的主要系統(tǒng)有5個(gè)，系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)端對(duì)端集成，數(shù)據(jù)共享度不高，整合難度大，需要整體統(tǒng)籌計(jì)劃。

數(shù)據(jù)預(yù)篩選難度大。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)源包括三部分：綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（綜采、主運(yùn)、通風(fēng)、供排水、供電）、PM、CMES系統(tǒng)，其中PM、CMES系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的同步，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)要獲取數(shù)據(jù)需按照四步走，第一，從綜合自動(dòng)化組態(tài)軟件中檢索點(diǎn)表；第二，將檢索點(diǎn)表導(dǎo)入到數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中；第三，配置監(jiān)測(cè)畫面點(diǎn)位；第四，配置數(shù)據(jù)分析報(bào)表點(diǎn)位。導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新和維護(hù)環(huán)節(jié)多、工作量大、易出錯(cuò)，且對(duì)人員專業(yè)性要求較高。

通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用可集中解決數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性差及數(shù)據(jù)預(yù)篩選難度大等問題，為開展數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的各項(xiàng)工作提供統(tǒng)一規(guī)范，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要對(duì)綜采工作面五種主要設(shè)備開展綜合分析工作，包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板機(jī)等設(shè)備的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，首先對(duì)該類數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的主要目的是將數(shù)據(jù)按照比例進(jìn)行縮放，使之落入一個(gè)小的區(qū)間范圍之內(nèi)，使得不同的變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后可以由平等分析和比較的基礎(chǔ)。

企業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用采用ODVA：CIP網(wǎng)絡(luò)圖書館-第1卷：通用工業(yè)協(xié)議的AppendixC-2中所述的數(shù)據(jù)類型，包括基本數(shù)據(jù)類型和擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型（主要指?jìng)鞲衅鲾?shù)據(jù)類型）。

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

采用Min-max標(biāo)準(zhǔn)化，也叫離差標(biāo)準(zhǔn)化，是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使得結(jié)果在[0，1]區(qū)間，為數(shù)據(jù)預(yù)篩選做好準(zhǔn)備，轉(zhuǎn)換公式如下：

x*=

其中，max為樣本數(shù)據(jù)的最大值，min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用過程中，參與聚類的變量絕大多數(shù)都是區(qū)間型變量，不同區(qū)間型變量之間的數(shù)量單位不同，如果不加處理直接進(jìn)行聚類，很容易造成聚類結(jié)果的失真。比如電流單位有的是A，有的是KA；變量的單位越小，變量可能的值域就越大，對(duì)聚類結(jié)果的影響也就越大。為了避免對(duì)度量單位的選擇依賴，在聚類之前所要采取的一個(gè)重要的技術(shù)措施就是進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)篩選

數(shù)據(jù)預(yù)篩選直接影響數(shù)據(jù)的清洗、整理、探索等數(shù)據(jù)處理工作，而篩選有效的輸入變量更能提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，具體體現(xiàn)在三個(gè)需要。一是篩選有效的輸入變量是提高模型穩(wěn)定性的需要。過多的輸入變量很可能會(huì)帶來干擾和過擬合等問題，這會(huì)導(dǎo)致模型的穩(wěn)定性下降，模型的效果變差。所以，優(yōu)質(zhì)的模型一定是遵循輸入變量少而精原則的。二是篩選有效的輸入變量是提高模型預(yù)測(cè)能力的需要。過多地輸入變量會(huì)產(chǎn)生共線性問題，所謂共線性是指自變量之間存在較強(qiáng)的，甚至完全的線性相關(guān)性。當(dāng)自變量之間高度相關(guān)時(shí)，數(shù)據(jù)的小小變化，比如誤差的發(fā)生都會(huì)引起模型參數(shù)嚴(yán)重震蕩，明顯降低模型的預(yù)測(cè)能力，并且，共線性的發(fā)生也增加了對(duì)模型結(jié)果的解釋困難，因?yàn)橐钊氲胤治龊团袛嗝總€(gè)自變量對(duì)目標(biāo)變量的影響程度。三是篩選有效的輸入變量也是提高運(yùn)算速度和運(yùn)算效率的需要。在采取各種評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選有價(jià)值的輸入變量之前，可以先直接刪除明顯的無價(jià)值的變量，這些明顯的無價(jià)值變量包括的內(nèi)容如下：常數(shù)變量或者只有一個(gè)值的變量。缺失值比例很高的變量，比如缺失值高達(dá)95%，或者視具體業(yè)務(wù)背景而定。取值太泛的類別型變量，最常見的例子就是郵政編碼，除非采取進(jìn)一步措施將各個(gè)地區(qū)的編碼整合，減少類別的數(shù)量，否則原始的郵政編碼數(shù)據(jù)無法作為輸入變量來提供起碼的預(yù)測(cè)功能。

2.3 數(shù)據(jù)相關(guān)性研究

根據(jù)2017年64個(gè)工作面月報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)月產(chǎn)量、采高、工作面儲(chǔ)量、容重、平均夾矸厚度等25個(gè)相關(guān)量進(jìn)行多元線性回歸分析，根據(jù)分析結(jié)果分為兩類：一是月產(chǎn)量、采高、普氏系數(shù)、月推進(jìn)度等直接參與計(jì)算的相關(guān)量（圖2）；二是工作面儲(chǔ)量、夾矸厚度等弱相關(guān)量，基于原始數(shù)據(jù)得出預(yù)測(cè)曲線，將預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖3），具體結(jié)果如下：

第一類：開機(jī)率=（0.003765）*月產(chǎn)量+（0.850363）*容重+（0.007413）*普氏硬度+（0.000363）*大修次數(shù)+（-0.000022）*功率+（0.000268）*月累計(jì)推進(jìn)度+（-0.812831）

第二類：開機(jī)率=（0.000046）*工作面儲(chǔ)量+（-0.177576）*平均夾矸厚度+（-0.000053）*配套天數(shù)+（0.363765）*壽命年限+（0.380474）*新舊度系數(shù)+（-3.490963）

結(jié)論：第一類回歸分析方法較簡(jiǎn)潔，第二類回歸分析方法較理想，兩種曲線相關(guān)系數(shù)較高，為0.66左右（理想狀態(tài)為1），月報(bào)中開機(jī)率可以采用第一類和第二類回歸分析方法進(jìn)行開機(jī)率預(yù)測(cè)，并與實(shí)際開機(jī)率進(jìn)行校驗(yàn)。

3 結(jié)語

隨著煤礦信息化水平的提高，數(shù)字化、智能化礦山是未來煤炭發(fā)展的方向，而從電氣化到數(shù)字化乃至智能化發(fā)展的基礎(chǔ)是煤礦信息化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，所以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，下一步我們將充分利用數(shù)據(jù)上傳、在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等信息化手段，加強(qiáng)對(duì)各單位檢修時(shí)間監(jiān)控，針對(duì)電氣類故障制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按照定義故障、收集故障、分析故障原因、建立故障排除計(jì)劃、執(zhí)行故障排除計(jì)劃、分析結(jié)果的流程形成故障管理體系。

煤礦數(shù)據(jù)分析勢(shì)必通過內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)交互運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，必然會(huì)收到病毒的入侵、黑客的攻擊等不安全因素，這些因素會(huì)造成井下自動(dòng)化系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)環(huán)境的安全隱患，導(dǎo)致信息泄露或病毒感染，亟需制定相關(guān)的企業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然隨著煤礦信息化的發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化和完善。