智慧煤礦管控一體化平臺系統(tǒng)研究

陳 杰

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

在我國加快經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)軌的時代背景下，煤礦企業(yè)從傳統(tǒng)的粗放型管理模式向集約型管理模式轉(zhuǎn)變，必須以信息技術(shù)所帶來的企業(yè)管理提升和創(chuàng)新為支撐力量，信息技術(shù)是煤礦行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障之一。隨著5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)不斷發(fā)展，進(jìn)一步加速煤礦企業(yè)的信息化發(fā)展，在煤礦產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用不斷深入，煤礦信息化發(fā)展取得階段性進(jìn)展，受到各部門及各級領(lǐng)導(dǎo)的廣泛關(guān)注，煤礦信息化、智能化是我國煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

近幾年，國家及各地方政府陸續(xù)制定了智慧礦山的建設(shè)規(guī)范，煤礦企業(yè)、廠商、科研院所也已經(jīng)開始了煤礦智能化建設(shè)方面的試點，很多的煤礦企業(yè)都相繼在智能化建設(shè)方面取得一些進(jìn)展?？傮w來講，從產(chǎn)業(yè)的角度看，煤礦企業(yè)在逐步推動礦井綜合自動化與信息化管理以及推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)進(jìn)程。目前煤炭行業(yè)智能化水平與其他行業(yè)相比，仍相對較低，離真正的智慧礦山尚有距離。

為進(jìn)一步落實國家《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》、《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及中煤科工集團(tuán)《智慧企業(yè)建設(shè)指導(dǎo)意見》和《智慧企業(yè)建設(shè)總體規(guī)劃》，結(jié)合煤礦企業(yè)自身特點，建設(shè)一套智能化生產(chǎn)控制平臺，智能化生產(chǎn)控制平臺以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)、人工智能為技術(shù)手段，具備“自分析、自管理、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自學(xué)習(xí)、自提升”特征的智慧平臺，為創(chuàng)建一流的智慧企業(yè)提供有力的支撐和保障[1-6]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

由于煤礦企業(yè)的各類安全生產(chǎn)相關(guān)子系統(tǒng)由不同廠家承建，智能化程度各不相同，因此管控一體化平臺系統(tǒng)設(shè)計要考慮各子系統(tǒng)的接入方式、傳輸標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議規(guī)范等，并針對不同的子系統(tǒng)形成統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn),并考慮協(xié)議的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)方案。作為整個平臺的邊緣層，實現(xiàn)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、協(xié)議解析與智能控制。

當(dāng)然海量的各子系統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲、分析、計算及智能控制，需要強大的基礎(chǔ)設(shè)施作為支撐。即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中常說的IaaS 層，其中包括服務(wù)器資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等。同時采用超融合、虛擬化等技術(shù)對外提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，并可按需分配[7-8]。

同時為了保證智慧煤礦管控一體化平臺系統(tǒng)各功能模塊能夠高效、穩(wěn)定的對外提供服務(wù)，需建立統(tǒng)一的高并發(fā)、高可用的架構(gòu)體系，包括采用容器化、分布式（存儲、部署、計算等）、微服務(wù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)架構(gòu)來搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)PaaS 層。為系統(tǒng)運行提供開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)中臺、微服務(wù)等平臺環(huán)境支持。

最終將設(shè)計、開發(fā)與煤礦企業(yè)用戶直接交互的應(yīng)用層功能模塊，其中包括安全生產(chǎn)監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)警、統(tǒng)計分析、GIS 一張圖、領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、智能控制、移動APP 等應(yīng)用模塊。

智慧煤礦管控一體化平臺基于PaaS 層將開發(fā)出智能采掘、智能運輸、智能通風(fēng)、智能監(jiān)控、智能診斷等智慧應(yīng)用模塊，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化調(diào)度、控制與管理。同時平臺系統(tǒng)保持高度的開放性，可滿足第三方專業(yè)應(yīng)用模塊的集成接入。同時，可根據(jù)后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要進(jìn)行應(yīng)用模塊的擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的邊緣層側(cè)重于設(shè)備的接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換及邊緣數(shù)據(jù)處理。IaaS 層側(cè)重于云基礎(chǔ)設(shè)施，包括服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等，本文不做過多闡述；PaaS層為平臺層，主要包括微服務(wù)架構(gòu)、微服務(wù)組件庫、數(shù)據(jù)建模與分析、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、資源管理等，為應(yīng)用層的設(shè)計與開發(fā)提供基礎(chǔ)的架構(gòu)和服務(wù)支撐；應(yīng)用層則側(cè)重于各業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，滿足用戶的各類監(jiān)控、生產(chǎn)、分析等業(yè)務(wù)流程需求。

2.1 邊緣層數(shù)據(jù)融合

邊緣層數(shù)據(jù)融合如圖2。

圖2 邊緣層數(shù)據(jù)融合Fig.2 Edge layer data fusion

智慧煤礦管控一體化平臺系統(tǒng)所需接入的子系統(tǒng)類型眾多，包括采煤系統(tǒng)，掘進(jìn)系統(tǒng)，機電系統(tǒng)，運輸系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)，排水系統(tǒng)等，涉及到安全生產(chǎn)的方方面面。其中監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、語音廣播等安全監(jiān)測類系統(tǒng)多采用FTP、WebAPI 等接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理。而大多數(shù)的自動化控制子系統(tǒng)軟件平臺均采用組態(tài)方式進(jìn)行構(gòu)建，支持OPC、Modbus 等數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。該邊緣層的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)的處理及智能控制3 部分。其主要核心是通過DCOM、TCP/IP 等技術(shù)對多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、生產(chǎn)要素等信息進(jìn)行實時高效采集。從系統(tǒng)的成熟度、穩(wěn)定性等考慮，選用第三方SCADA 系統(tǒng)作為控制類子系統(tǒng)的開發(fā)、監(jiān)視及控制平臺，能夠提供友好的用戶交互界面設(shè)計及快捷的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入，其中的數(shù)據(jù)采集器IOServer 支持上千種協(xié)議及設(shè)備，能快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入服務(wù)，對生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、或其他信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)等多種來源的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動采集、處理、存儲，保證數(shù)據(jù)的及時、準(zhǔn)確和共享。

2.1.1 安全監(jiān)測子系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入

對于安全監(jiān)測類子系統(tǒng)，包括煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)等，此類系統(tǒng)一般在子系統(tǒng)層次上進(jìn)行閉鎖控制、系統(tǒng)間融合聯(lián)動等，并有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此只需采集各系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息、實時數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接入。供管控一體化平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、集中監(jiān)測、實時預(yù)警。

在數(shù)據(jù)接入上采用通用的FTP 方式進(jìn)行文件的傳輸，協(xié)議規(guī)范滿足國家煤礦安全監(jiān)察局文件煤安監(jiān)辦[2019]42 號文件關(guān)于感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則的要求。在此，需要獨立的數(shù)據(jù)引擎軟件，對協(xié)議文件數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的讀取、解析、處理，并最終存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式文件系統(tǒng)等，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲。為實時監(jiān)測顯示、統(tǒng)計查詢分析以及大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)來源。

2.1.2 自動化控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入

對于自動化子系統(tǒng)，包括抽放子系統(tǒng)、主扇監(jiān)控子系統(tǒng)、電力監(jiān)控子系統(tǒng)、排水子系統(tǒng)、立井提升子系統(tǒng)、壓風(fēng)子系統(tǒng)等。共同的特點是均采用組態(tài)的方式進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，能夠以標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議規(guī)范對外提供數(shù)據(jù)，并對OPC、Modbus 等通用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供支持。同時針對現(xiàn)場的實際需求，采用OPC UA 架構(gòu)，來實現(xiàn)管控一體化平臺與現(xiàn)場控制系統(tǒng)的連接，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；在數(shù)據(jù)接入上選用第三方成熟的SCADA 產(chǎn)品，并利用其提供的IOServer 數(shù)據(jù)采集器，以其高開放性和穩(wěn)定性來實現(xiàn)各控制類子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制命令下發(fā)，最終實現(xiàn)給子系統(tǒng)的完美對接；獲得實時數(shù)據(jù)可以通過SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行直接圖形化展示，亦可存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行永久保存。本數(shù)據(jù)采集服務(wù)軟件能有效解決礦山現(xiàn)場設(shè)備協(xié)議的差異性、子系統(tǒng)通訊接口的多樣性，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集工具，只需要進(jìn)行簡單的配置，便可接入1 個新的設(shè)備或子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)。同時數(shù)據(jù)采集服務(wù)軟件可通過簡單配置即可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到各種數(shù)據(jù)庫中，如工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫、關(guān)系庫等，無需用戶考慮復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫存儲邏輯，只需要在數(shù)據(jù)存儲頁面配置數(shù)據(jù)庫信息即可完成。

2.1.3 邊緣層數(shù)據(jù)的處理

通過FTP、UDP 等方式接入的原始數(shù)據(jù)一般會存在大量的數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)格式不滿足管控一體化平臺應(yīng)用的規(guī)范化要求，因此，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)持久化以及數(shù)據(jù)分析等處理?；诟咝阅苡嬎?、實時操作系統(tǒng)、邊緣分析算法等技術(shù)支撐，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，從而提升操作響應(yīng)靈敏度、消除網(wǎng)絡(luò)堵塞，并與PaaS 平臺數(shù)據(jù)分析形成協(xié)同。滿足在實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

2.1.4 智能控制數(shù)據(jù)的下發(fā)

由于OPC 采用Server/Client 架構(gòu)，數(shù)據(jù)可以雙向通訊，OPC Server 作為數(shù)據(jù)源即子系統(tǒng)數(shù)據(jù)對外接口，OPC Client 客戶端即圖2 中的IOServer 數(shù)據(jù)采集器，可通過連接各子系統(tǒng)的OPC Server 接口來獲取數(shù)據(jù)，同時IOServer 客戶端也可將指令數(shù)據(jù)寫入OPC Server 服務(wù)器。因此，用戶可以方便的通過圖形界面，發(fā)送開、關(guān)等控制指令或者由程序根據(jù)智能控制策略進(jìn)行自動控制指令的下發(fā)，并最終下發(fā)到PLC 等控制器設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2 PaaS 平臺層

平臺層的建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)建模等服務(wù)，涉及非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)等。還包括用戶服務(wù)、租戶管理、授權(quán)管理、用戶管理、資源管理、基礎(chǔ)設(shè)施管理等基礎(chǔ)資源管理服務(wù)。同時還包括計算服務(wù)、客戶端展示服務(wù)、采集服務(wù)等。

2.2.1 通用PaaS 平臺環(huán)境

管控一體化平臺PaaS 層是整個系統(tǒng)的核心，起著承上啟下的作用，任一環(huán)境、服務(wù)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運行，所以從設(shè)計角度要滿足運行環(huán)境、服務(wù)的高并發(fā)、高可用。

首先從開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境方面考慮，采用主流的Spring 系列JAVA 框架作為整個系統(tǒng)的主要后臺開發(fā)環(huán)境，使用JDK、Tomcat、Nginx、Redis 等平臺和中間件來搭建系統(tǒng)的運行環(huán)境。其中JDK、Tomcat用來作為應(yīng)用服務(wù)器提供系統(tǒng)各類服務(wù)的運行環(huán)境，Nginx 是著名的反向代理工具，可以用來作為負(fù)載均衡服務(wù)器，實現(xiàn)多臺應(yīng)用服務(wù)器的分布式部署，并具備緩存功能，可實現(xiàn)靜態(tài)頁面的緩存，有利于提升整個系統(tǒng)的訪問性能。這里需要注意的一點就是在應(yīng)用服務(wù)的程序設(shè)計上要考慮狀態(tài)無關(guān)性，訪問者的狀態(tài)數(shù)據(jù)要進(jìn)行統(tǒng)一的存儲和管理。同時使用Docker 技術(shù)來實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的容器化部署，實現(xiàn)了應(yīng)用服務(wù)程序的依賴隔離，快速部署與啟動。

2.2.2 大數(shù)據(jù)分析平臺

大數(shù)據(jù)分析平臺作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算的核心，是整個系統(tǒng)的大腦。首先要對邊緣層采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行ETL 處理，將各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取、清洗轉(zhuǎn)換之后加載到數(shù)據(jù)倉庫中，目的是將子系統(tǒng)中的分散、零亂、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合到一起，為下一步的大數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。此處，可選擇Hive 等數(shù)據(jù)倉庫工具來實現(xiàn)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化處理[9-11]。

其次要應(yīng)用大數(shù)據(jù)的開發(fā)建設(shè)工具Hadoop 來實現(xiàn)，該工具的核心是分布式計算與分布式數(shù)據(jù)存儲。能夠很好的解決管控一體化平臺數(shù)據(jù)量大、安全性要求高的問題。通過它的分布式文件系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的冗余備份、海量存儲及并發(fā)數(shù)據(jù)的讀取。此外，管控一體化平臺系統(tǒng)需進(jìn)行大量的預(yù)測預(yù)警及智能控制響應(yīng)，如瓦斯災(zāi)害預(yù)警、火災(zāi)預(yù)警等，需對采集上來的各子系統(tǒng)清洗后的數(shù)據(jù)通過一定的算法模型進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，當(dāng)達(dá)到預(yù)警條件時，發(fā)出預(yù)警信息，并根據(jù)智能控制配置規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的智能控制，通過系統(tǒng)邊緣層進(jìn)行控制指令的下發(fā)。并根據(jù)預(yù)警結(jié)果不斷優(yōu)化算法模型，來提高系統(tǒng)預(yù)判的準(zhǔn)確性。決策驅(qū)動整個系統(tǒng)穩(wěn)定、有序運行[12-14]。

2.2.3 數(shù)據(jù)中臺

管控一體化平臺數(shù)據(jù)中臺，首先需建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并對服務(wù)器資源集中虛擬化部署，形成一個統(tǒng)一的礦山數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲管理。 數(shù)據(jù)中臺后臺數(shù)據(jù)庫由自定義業(yè)務(wù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫、工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫3 部分構(gòu)成。

1）自定義業(yè)務(wù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫，主要是針對管控一體化平臺各子系統(tǒng)具體業(yè)務(wù)邏輯，以及子系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)關(guān)系而設(shè)計，根據(jù)各子系統(tǒng)相關(guān)對象屬性信息抽象出關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，同時也是為了便于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理，提高數(shù)據(jù)檢索速度，并增強數(shù)據(jù)安全性。數(shù)據(jù)庫將采用通用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方案，如Mysql、SqlServer 等。

2）工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫。主要針對自動化控制類系統(tǒng)，工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崟r存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。實時歷史數(shù)據(jù)主要包括煤礦井上、井下所有自動化監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括但不限于綜采系統(tǒng)、主運系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等生產(chǎn)及生產(chǎn)輔助自動化系統(tǒng)中的工作指示（如電流、電壓等）及報警信號等。 將數(shù)據(jù)采集軟件中實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包含參數(shù)名稱、時間戳、質(zhì)量戳。由于設(shè)備監(jiān)測點的數(shù)量比較多，采集參數(shù)多數(shù)是秒級的采集與存儲，并發(fā)數(shù)據(jù)量較大，隨著存儲量的增大，為保障數(shù)據(jù)的訪問速度及吞吐量，需進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)壓縮。工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)對大量過程數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理、檢索和統(tǒng)計分析，并提供開放的數(shù)據(jù)訪問和開發(fā)接口支持。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既作為監(jiān)控軟件的核心部分，也可以被獨立應(yīng)用以作為企業(yè)信息集成的基本平臺，用戶可選用其他客戶端工具連接或自行開發(fā)以滿足其特殊需求。提供構(gòu)建于實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上的應(yīng)用工具軟件集，為用戶提供功能強大的可視化工具集，包括管理工具、SQL 查詢工具、開發(fā)工具包（SDK 和OLE DB Provider、OLE Automation）、報表工具、統(tǒng)計分析工具等，提供各類標(biāo)準(zhǔn)的接口，實現(xiàn)與其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換。

3）非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。對于煤礦不同業(yè)務(wù)單元的數(shù)據(jù)內(nèi)容，如：地形地貌數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、儲量評價數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型數(shù)據(jù)、工業(yè)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)、安全信息數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)、生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、設(shè)備物資數(shù)據(jù)、人力資源數(shù)據(jù)、企業(yè)運營數(shù)據(jù)等?；跀?shù)據(jù)表現(xiàn)形式，在本平臺上數(shù)據(jù)分類按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)分析數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等5 類。其中的文檔類數(shù)據(jù)為非關(guān)系型的數(shù)據(jù)類型，以及需要數(shù)據(jù)緩存來滿足實時性、高并發(fā)訪問性能要求的各類數(shù)據(jù)，將采用MongoDB、Redis 等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)的高效訪問等操作。同時它的數(shù)據(jù)緩存功能可以很好的起到數(shù)據(jù)緩沖的作用，避免數(shù)據(jù)造成堵塞、堆積。也可用來提取緩存熱點數(shù)據(jù)，提供終端用戶的訪問體驗。

2.2.4 統(tǒng)一開發(fā)平臺

管控一體化平臺的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)是礦山企業(yè)內(nèi)部相對比較穩(wěn)定，變化緩慢的靜態(tài)數(shù)據(jù)，比如人員、組織機構(gòu)、設(shè)備、物資等數(shù)據(jù)。根據(jù)煤礦企業(yè)業(yè)務(wù)特點進(jìn)行分析，本系統(tǒng)主要是針對人的管理、機電設(shè)備管理、安全管理和生產(chǎn)管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計與維護(hù)管理。系統(tǒng)可自動同步相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，無需人工干預(yù)，即可實現(xiàn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同步更新。同時開發(fā)建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)管理模塊，用戶可在本平臺系統(tǒng)中錄入、修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，形成管控一體化平臺主數(shù)據(jù)系統(tǒng)，統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護(hù)又服務(wù)于各子系統(tǒng)。

作為一個管控一體化平，由于子系統(tǒng)眾多，系統(tǒng)的登錄驗證服務(wù)應(yīng)做到統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)，每個子系統(tǒng)的訪問認(rèn)證應(yīng)該統(tǒng)一處理，這就有必要開發(fā)建設(shè)統(tǒng)一的單點登錄服務(wù)，為整個管控一體化平臺提供登錄驗證服務(wù)，保障整個平臺的安全性，一次登錄，可訪問平臺下的不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。同時在應(yīng)用服務(wù)器分布式部署上也可以集中存儲用戶狀態(tài)，實現(xiàn)負(fù)載均衡的狀態(tài)無關(guān)性，避免了不同應(yīng)用服務(wù)器之間的狀態(tài)同步。

為此，重點將主數(shù)據(jù)系統(tǒng)和單點登錄系統(tǒng)作為統(tǒng)一的開發(fā)平臺而設(shè)計，為業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊的開發(fā)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)及認(rèn)證服務(wù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層開發(fā)人員可不用考慮該平臺的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需了解訪問接口的使用規(guī)范即可。實現(xiàn)了業(yè)務(wù)解耦與協(xié)同開發(fā)作業(yè)。

2.2.5 微服務(wù)系統(tǒng)平臺

業(yè)務(wù)微服務(wù)架構(gòu)如圖3。

圖3 業(yè)務(wù)微服務(wù)架構(gòu)Fig.3 Business microservice architecture

通過主流的微服務(wù)技術(shù)和工具Springboot、Springcloud 等來構(gòu)建本系統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)[15-16]。來承載本系統(tǒng)的大部分業(yè)務(wù)邏輯對外提供服務(wù)需求，各業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)微服務(wù)之間基于松耦合設(shè)計，同時微服務(wù)之間采用輕量級的基于HTTP 的RESTful API通信機制互相溝通，互相配合。每個微服務(wù)都圍繞著具體系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行構(gòu)建，并進(jìn)行獨立的、分布式部署，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境服務(wù)的高可用。

微服務(wù)本身由有眾多中間件構(gòu)成，其中包括API 網(wǎng)關(guān)、注冊中心、接入服務(wù)/認(rèn)證、配置中心、監(jiān)控中心、日志中心等，這些中間件將協(xié)同作業(yè)，互相配合，方能提供各業(yè)務(wù)邏輯對外提供服務(wù)的窗口。涉及技術(shù)眾多、結(jié)構(gòu)配置復(fù)雜。本文將不做深入探討，起到一個拋磚引玉的作用。

2.3 應(yīng)用層

穩(wěn)固的基石決定了強大的、開放的上層建筑，有了邊緣層、PaaS 平臺層穩(wěn)固的、可擴(kuò)展的、高可用的、智慧的架構(gòu)體系設(shè)計，使應(yīng)用層建設(shè)，構(gòu)建礦山智能應(yīng)用變得簡單、高效。

首先管控一體化平臺的應(yīng)用層設(shè)計原則應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的融合展示、集中管控。其次展示方式上應(yīng)具備數(shù)據(jù)、圖形、二三維等多種表現(xiàn)形式。如GIS 一張圖、領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、數(shù)據(jù)大屏，能夠根據(jù)不用用戶、不同使用場景進(jìn)行定制設(shè)計，滿足煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)一體化監(jiān)管要求。

關(guān)于智能控制，從各自動化控制子系統(tǒng)的節(jié)能減排、提質(zhì)增效、助力安全生產(chǎn)等角度考慮，從智能監(jiān)測、智能采掘、智能運輸、智能通風(fēng)、智能監(jiān)控、智能診斷、智能報警、信息融合與聯(lián)動控制等具體功能出發(fā)，實現(xiàn)全礦區(qū)智能控制，提升設(shè)備性能、降低設(shè)備壽命損耗、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、保障安全等多個目標(biāo)，逐步減少各個生產(chǎn)現(xiàn)場的作業(yè)人員，達(dá)到減人增效的根本要求。

本系統(tǒng)應(yīng)用層平臺建設(shè)將采用C/S 結(jié)合B/S 的軟件架構(gòu)，前臺使用VUE、H5、JS、CSS、Echarts 等技術(shù)及框架。后臺采用JAVA、NodeJS、Spring 開發(fā)建設(shè)，還包括其他智能報表組件、工藝流程圖、3D 組件、視頻組件、GIS 組件、UI 組件等，共同構(gòu)建滿足安全生產(chǎn)控制要求的可視化應(yīng)用。

其次，由于智能手機的普遍應(yīng)用，移動APP 也成為了各類應(yīng)用所必備的一種形式。管控一體化平臺也應(yīng)具備移動APP 監(jiān)測功能。首先由于智能手機操作系統(tǒng)主要集中為Android 和蘋果的IOS 系統(tǒng)，2個平臺2 種開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，如果針對2 個平臺進(jìn)行開發(fā)，無疑將會浪費人力、時間成本，重復(fù)的工作相當(dāng)于做兩遍，通過技術(shù)調(diào)研、可行性分析，當(dāng)下混合式移動開發(fā)模式已成為了主流，一次開發(fā)可以實現(xiàn)不同平臺的編譯、運行，實現(xiàn)了跨平臺運行。通過框架選型，IONIC4 以其快速開發(fā)可伸縮應(yīng)用程序的優(yōu)勢，以及對Angular、組件化編程的強大支持，成為了本次APP 應(yīng)用開發(fā)的首選。

3 結(jié) 語

通過對智慧煤礦管控一體化平臺系統(tǒng)的研究，捋順了管控一體化平臺的整體構(gòu)建思路、系統(tǒng)的層級關(guān)系及重點建設(shè)內(nèi)容。通過整體的架構(gòu)設(shè)計、邊緣層設(shè)計、IaaS 層設(shè)計、PaaS 層設(shè)計、應(yīng)用層設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成、縱向貫通、大數(shù)據(jù)匯聚與分析。并通過微服務(wù)架構(gòu)實現(xiàn)了服務(wù)的高可用、可擴(kuò)展，為整個管控一體化平臺的運行提供服務(wù)支撐。結(jié)合煤礦的實際應(yīng)用，設(shè)計了基于數(shù)據(jù)、圖形、GIS、三維、組態(tài)等多種表現(xiàn)形式的終端應(yīng)用，為用戶提供基于安全監(jiān)管、智能控制于一體的智能化平臺，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。并在煤礦現(xiàn)場得到了實際應(yīng)用，在保障安全生產(chǎn)、減人增效方面效果顯著。