貴州省級瓦斯抽采與發(fā)電移動監(jiān)測平臺設計

張 鵬

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原030032）

基于國辦發(fā)〔2013〕93 號《國務院辦公廳關于進一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見》，貴州省煤礦管理部門長期給與瓦斯利用企業(yè)一定的資金補助[1-2]。貴州有500 多家煤礦建立了瓦斯抽采及利用系統(tǒng)，也安裝了瓦斯抽采及利用計量裝置，但目前只能實現(xiàn)礦井內(nèi)部的計量管理，相關管理部門不能夠實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測與綜合管理功能，更不能實現(xiàn)與貴州省“安全云”的有效對接，給瓦斯抽采和發(fā)電利用補助資金管理帶來難度。

貴州省內(nèi)瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)和瓦斯發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)類型和生產(chǎn)廠家多樣，基本處于相對獨立的運行和管理狀態(tài)，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)孤島[3]。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)呈指數(shù)爆炸增長和煤礦工作條件及監(jiān)管技術手段的限制，監(jiān)管部門無法準確、及時、快捷、高效的掌握煤礦現(xiàn)場瓦斯抽采和發(fā)電利用情況[4-5]。

煤炭工業(yè)已經(jīng)進入了由“兩化融合”向“互聯(lián)網(wǎng)+”轉變的新階段，實現(xiàn)信息化、自動化和網(wǎng)絡化發(fā)展是必然發(fā)展趨勢[6-8]。貴州省煤礦瓦斯抽采和發(fā)電利用監(jiān)管技術發(fā)展來說，需解決2 方面問題：一方面是，融合多源異構數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線實時診斷和異常信息預警[9-11]，提高補助資金基礎數(shù)據(jù)的準確性；另一方面是，增加移動通訊接口和模塊，實現(xiàn)瓦斯抽采和發(fā)電利用信息的靈活掌握，即不受工作時間和地點的限制，就能實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的方快捷查詢和關聯(lián)分析[12-14]。在此背景下，建立貴州瓦斯抽采與發(fā)電移動監(jiān)測平臺，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)采集和融合、移動查詢平臺建設、網(wǎng)絡管理終端開發(fā)及異常推送機制構建，實現(xiàn)對瓦斯抽采和發(fā)電利用補助資金管理的保駕護航。

1 功能與開發(fā)設計

根據(jù)瓦斯抽采和發(fā)電利用監(jiān)測管理需求，提出了基于SOA 架構的平臺總體設計框架，實現(xiàn)瓦斯抽采、發(fā)電子數(shù)據(jù)庫管理，以及數(shù)據(jù)集成、共享發(fā)布與決策支持等功能。

系統(tǒng)設計遵循“全組件、面向服務、可擴展、可移植”的原則，選擇“核心層-組件層-功能層-應用層”的數(shù)據(jù)處理平臺4 層系統(tǒng)架構。核心層主要封裝煤礦空間數(shù)據(jù)管理、分析處理、專業(yè)算法等模塊，是基于C++程序設計語言的源代碼級封裝，可直接或通過.Net、JNI 等方式被上層的組件層調(diào)用。在核心層中開發(fā)多源數(shù)據(jù)引擎來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理。不同的數(shù)據(jù)源存儲空間數(shù)據(jù)的格式可能存在一定的差異，但引擎反饋給應用層的數(shù)據(jù)流必須是經(jīng)過規(guī)范化的數(shù)據(jù)。組件層按照統(tǒng)一的體系結構劃分封裝核心層的各個模塊，都包括數(shù)據(jù)對象模塊、數(shù)據(jù)組織管理模塊、數(shù)據(jù)訪問引擎模塊、算法和分析模塊、可視化制圖模塊等。功能層按照煤礦瓦斯地質(zhì)圖制圖的相關需求，開發(fā)出來的應用功能模塊。功能層主要包括基礎功能模塊和專業(yè)功能模塊，其中基礎功能模塊提供一般的圖形編輯、數(shù)據(jù)操作等功能；專業(yè)模塊則分抽采和發(fā)電。應用層具有基于Windows 的桌面平臺和基于Android 的移動平臺。

2 瓦斯抽采與發(fā)電移動監(jiān)測平臺

2.1 抽采監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

精準把握瓦斯抽采的真實計量能夠為瓦斯發(fā)電利用數(shù)據(jù)準確計量提供幫助，瓦斯抽采量一定程度上決定了最大瓦斯發(fā)電量。依據(jù)全省煤礦瓦斯發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)存儲內(nèi)容和結構，構建瓦斯抽采數(shù)據(jù)采集、集成、存儲數(shù)據(jù)庫模塊。貴州省瓦斯抽采數(shù)據(jù)采集和存儲量巨大，包括500 余對礦井瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛?、壓力、流量等關鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)采集與集中存儲[15-16]。建立貴州地區(qū)礦井統(tǒng)一的瓦斯抽采數(shù)據(jù)存儲格架和時空數(shù)據(jù)庫，采用基于大規(guī)模時間序列數(shù)據(jù)存儲方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)低成本存儲和高性能擴展，并做好數(shù)據(jù)預估，以保障有效數(shù)據(jù)存儲可達5 年左右。通過統(tǒng)一時態(tài)-地理空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的內(nèi)核表示、時空索引、疊加計算及復雜邏輯條件下的快速查詢；進而通過海量時態(tài)-地理數(shù)據(jù)庫結點構成并行分布式的時空數(shù)據(jù)庫集群，并通過全局時空索引、全局關鍵字索引、全局值索引等方式，完成海量瓦斯抽采監(jiān)控數(shù)據(jù)流的存儲以及多模方式（關鍵詞、時空約束、數(shù)值約束）的快速查詢。

2.2 發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

同抽采數(shù)據(jù)集成融合相同，基于現(xiàn)有瓦斯發(fā)電監(jiān)控數(shù)據(jù)結構，建立瓦斯發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口和專用存儲數(shù)據(jù)庫，進行下屬所有礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)、穩(wěn)定采集和集成存儲。為保證監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的安全，采集接口采用單向采集模式（即只從監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，而不允許寫入任何數(shù)據(jù)）。

建立發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及集中融合管理服務，實時監(jiān)測和采集發(fā)電利用計量參數(shù)，包括瓦斯?jié)舛?、流量、純量、發(fā)電量等，并將關鍵參數(shù)的傳感器數(shù)據(jù)進行獨立的動態(tài)的采集和存儲，方便溯源審計。

2.3 移動監(jiān)測終端

從移動終端和電腦終端2 方面開發(fā)貴州省監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡查詢終端，使用戶不受工作狀態(tài)限制，進行監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)的及時顯示、方便查詢與分析。移動監(jiān)測終端APP 如圖1。

基于對應與統(tǒng)一的關系，從貴州省管理部門和數(shù)據(jù)歸屬礦井2 級角度考慮，開發(fā)省級終端能按礦井顯示、查詢所有礦井數(shù)據(jù)，礦井終端只能顯示、查詢歸屬礦井的監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)；終端首先按瓦斯?jié)舛取毫?、流量、發(fā)電量等各種監(jiān)測傳感器類型進行引導，使用戶可以方便的查找到某一類型的所有數(shù)據(jù)，然后顯示不同傳感器的實時值、時間和安全狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集狀態(tài)異常，則提供報警。例如，瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)采用表單方式進行統(tǒng)計，在瓦斯抽采模塊中，根據(jù)輸入日期對抽采計量監(jiān)測異常數(shù)量指標進行統(tǒng)計（圖1（a）），實現(xiàn)過程中，主要運用jQuery表單控件對空間數(shù)據(jù)庫發(fā)送的數(shù)據(jù)在移動端進行顯示格式的優(yōu)化。

圖1 移動監(jiān)測終端APPFig.1 Design of mobile monitoring terminal app

為方便省管理部門及下屬礦井的技術及管理人員的統(tǒng)計分析，為移動終端提供按時間、地點、傳感器類型、傳感器名稱（或編號）等要求的查詢功能，查詢結果以統(tǒng)計報表、變化曲線等多元化形式展示，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，運用jQuery 繪圖插件將數(shù)據(jù)轉換為圖表，提高數(shù)據(jù)的直觀性，更適合比較和分析瓦斯抽采和發(fā)電利用不同時段或鄰近礦井的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)真實性提供參考。APP 具體實現(xiàn)過程以瓦斯抽采量統(tǒng)計為例，該過程主要將瓦斯抽采量數(shù)據(jù)轉化為柱狀圖（圖1（b）），jQuery 繪圖插件通過網(wǎng)絡對從服務器獲取到的數(shù)據(jù)進行處理和封裝，讓這些封裝好的數(shù)據(jù)在設置好的圖表樣式中表現(xiàn)出來。

移動終端基于Android 開發(fā)APP，APP 對通訊網(wǎng)絡移動終端和提供了廣泛的兼容性，支持多種通訊網(wǎng)絡和移動終端，通過WIFI、4G、5G 等網(wǎng)絡連接來和服務器建立聯(lián)系，并通過中間件和空間數(shù)據(jù)庫交互數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫服務器由1 個服務器集群組成，包括云服務器、GIS 應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器。移動終端APP 查詢統(tǒng)計功能以模塊的形式存在，模塊與模塊之間相互依賴性較低，單個模塊可獨立進行某種功能實現(xiàn)，這樣有利于功能的擴展，形成多種多樣的功能組合，滿足不同層級用戶的需要。通過移動端App 開發(fā)，搭建了1 個瓦斯抽采發(fā)電信息化應用擴展渠道，移動查詢App 運行流暢，界面簡潔，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不受移動手機類型影響，可以讓監(jiān)管者不受空間和時間束縛，實現(xiàn)在任何地點、任何時間對瓦斯抽采和發(fā)電計量數(shù)據(jù)真實性實施有效的監(jiān)管。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常推送機制

平臺采集瓦斯抽采和瓦斯發(fā)電利用數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，有超過異常模型臨界值等情況，根據(jù)制定的信息推送規(guī)則，將異常信息第一時間推送給相關管理人員和基礎礦井，同時，可按時間、位置等關系進行異常信息方便查詢，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及移動查詢模塊架構如圖2。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及移動查詢模塊架構Fig.2 Monitoring system data fusion and mobile query module architecture

以現(xiàn)有LAN、云網(wǎng)絡、WSN、GPRS 無線接入技術為核心構建監(jiān)測網(wǎng)絡體系，具有傳遞速率快、可靠性高、時效性強的特點，可實現(xiàn)政府-企業(yè)-煤礦信息同步化。采取TCP/IP 協(xié)議將監(jiān)測中央服務器整合后的信息和數(shù)據(jù)上傳至云端存儲并共享，通過移動手機、掌上電腦、有線終端進入系統(tǒng)進行實時查詢。

監(jiān)控異常數(shù)據(jù)推送是監(jiān)測平臺的重要組成部分。由數(shù)據(jù)集成整合模塊生成或導出的瓦斯抽采濃度、壓力、存量、瓦斯發(fā)電量等信息，經(jīng)過在線診斷識別后，最終將集成在監(jiān)控預警發(fā)布系統(tǒng)，將監(jiān)測的異常信息第一時間、合理推送給各級管理部門和歸屬礦井的相關領導。監(jiān)測數(shù)據(jù)異常診斷識別是通過建立多指標體系的異常診斷模型，計算各指標的隸屬度函數(shù)，計算各指標的權重值，從而將多指標進行歸一化處理，最終由各指標得分疊加計算獲得瓦斯抽采和瓦斯發(fā)電利用監(jiān)測異常診斷結果，評定異常級別，進行異常數(shù)據(jù)多維度分析，監(jiān)管部門根據(jù)分析結果實時掌握瓦斯抽采和發(fā)電利用情況，制定管理方案[2]。

聯(lián)合上述抽采監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合及移動查詢功能模塊，形成貴州省統(tǒng)一的煤礦瓦斯抽采利用監(jiān)測綜合管理平臺，通過移動網(wǎng)絡和局域網(wǎng)，均能查詢所有礦井系統(tǒng)關鍵信息。同時，預留平臺數(shù)據(jù)接口擴展功能，為后期數(shù)據(jù)網(wǎng)絡融合與管理等功能擴展提供基礎和方便。

4 結 語

通過構建貴州省級瓦斯抽采與瓦斯發(fā)電實時監(jiān)測和移動查詢平臺，對礦井瓦斯抽采泵進入端、輸出端、瓦斯發(fā)電站輸入端的瓦斯抽采濃度、流量、純量等數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中遠程在線實時監(jiān)測及查詢，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常能夠系統(tǒng)能夠實時診斷與預警；對每個礦井、每個區(qū)域及全省的煤礦的瓦斯抽采量、瓦斯利用量、利用率、利用效率等情況進行實時監(jiān)測、統(tǒng)計與分析；通過對瓦斯發(fā)電量與瓦斯利用量的比值對瓦斯發(fā)電機組的運行狀況進行監(jiān)控與故障診斷；對相關設備的運行及設備校檢記錄等進行監(jiān)測和管理，確保瓦斯抽采及利用設備的有效運行。

通過平臺建設，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)移動在線查詢、診斷分析、集中管理，使生產(chǎn)、技術、監(jiān)管部門實時獲取有效信息，實時全面掌握礦井動態(tài)，為礦井瓦斯抽采利用獎補資金兌現(xiàn)提供有效技術手段，同時為及時、科學、合理的決策提供數(shù)據(jù)支撐。