智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)規(guī)范研究

丁震， 孫繼平， 張帆， 王鵬， 胡而已， 鄧文革， 高靜， 鄭耀濤， 王波， 高秋秋， 李系民， 錢海軍， 柳建華， 喬少利， 鮑震， 楊永生0， 楊振宇， 李玉雪， 李昱翰， 邵光耀

（1. 國(guó)家能源集團(tuán)公司 煤炭與運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)管理部，北京 100013；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3. 應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；4. 國(guó)家能源集團(tuán)信息公司，北京 100011；5. 國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315；6. 國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；7. 國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；8. 國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；9. 國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司，北京 102211；10. 煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013；11. 精英數(shù)智科技股份有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)與礦山智能化建設(shè)相結(jié)合，有力推動(dòng)了礦山智能化技術(shù)發(fā)展[1-4]。但我國(guó)智能化礦山建設(shè)仍處于初級(jí)階段，大多數(shù)礦山企業(yè)信息系統(tǒng)的開放性、兼容性和可靠性差，設(shè)備通信接口與協(xié)議不開放，傳輸內(nèi)容和格式不統(tǒng)一，易形成新的“信息孤島”，企業(yè)在生產(chǎn)、安全、經(jīng)營(yíng)、管理過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通[4-6]。礦山智能化建設(shè)面臨數(shù)據(jù)融合共享難等技術(shù)挑戰(zhàn)。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)場(chǎng)景包含多種用于監(jiān)測(cè)和控制的終端節(jié)點(diǎn)，需保證在工礦條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣情況下可靠運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程中設(shè)備連接、通信的性能要求非常高[7]。國(guó)際上針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域各種通信接口與協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范眾多，如IEC 61158 Profinet，ETG1000 EtherCAT 等，國(guó)內(nèi)有GB/T 27960?2011《以太網(wǎng)POWERLINK 通信行規(guī)規(guī)范》、GB/T 33863.1?2017—GB/T 33863.8?2017《OPC 統(tǒng) 一 架構(gòu)》等。但針對(duì)礦山行業(yè)的實(shí)用性標(biāo)準(zhǔn)很少。礦山生產(chǎn)環(huán)境、工藝特殊，許多企業(yè)嘗試制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但往往出于商業(yè)目的，存在很大局限性，標(biāo)準(zhǔn)通用性差，實(shí)用性不強(qiáng)，影響力不高，應(yīng)用效果不佳。非標(biāo)準(zhǔn)化接口與協(xié)議仍是礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享的主要瓶頸，礦山智能化建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題在于缺乏規(guī)范的數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要進(jìn)行智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范研究，統(tǒng)一礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的接口方式和通信協(xié)議，明確不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，從而解決目前礦山企業(yè)存在的“數(shù)據(jù)壁壘”、“信息煙囪”等難點(diǎn)和痛點(diǎn)問(wèn)題[7-8]。

為了滿足數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享需求和應(yīng)用實(shí)施要求，本文按照核心規(guī)范、應(yīng)用規(guī)范、運(yùn)維規(guī)范設(shè)計(jì)，從總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、共享應(yīng)用等技術(shù)視角，研究了智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)規(guī)范，對(duì)總則、接口、服務(wù)、發(fā)現(xiàn)、連接、報(bào)文、配置、安全、管理等進(jìn)行描述，以期更好地指導(dǎo)礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。

1 技術(shù)體系

智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)體系如圖1 所示。核心規(guī)范通過(guò)總則和接口規(guī)定智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的接口方式與通信協(xié)議；應(yīng)用規(guī)范包括智能化礦山通信所涉及的服務(wù)、發(fā)現(xiàn)、連接、報(bào)文、配置功能，為智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸及上層應(yīng)用的通信接口與協(xié)議提供支撐；運(yùn)維規(guī)范包括安全、管理，為數(shù)據(jù)采集過(guò)程的安全、透明、可靠傳輸提供運(yùn)維保障。

圖1 智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)體系Fig. 1 Technique system of intelligent mine communication interface and protocol

1.1 核心規(guī)范

1） 總則：規(guī)定數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的通信接口與協(xié)議總體要求，描述智能化礦山設(shè)備抽象后的理論模型。

2） 接口規(guī)范：規(guī)定感知層、傳輸層和應(yīng)用層接口方式和通信協(xié)議，以及感知層協(xié)議轉(zhuǎn)換和應(yīng)用層數(shù)據(jù)共享的接口與協(xié)議。

1.2 應(yīng)用規(guī)范

1） 服務(wù)規(guī)范：規(guī)定發(fā)現(xiàn)服務(wù)集、安全服務(wù)集、連接服務(wù)集、配置服務(wù)集、文件傳輸服務(wù)集和告警服務(wù)集等，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的分組管理。

2） 發(fā)現(xiàn)規(guī)范：規(guī)定感知層和應(yīng)用層的發(fā)現(xiàn)方式、發(fā)現(xiàn)流程及發(fā)現(xiàn)服務(wù)的基本屬性及格式。

3） 連接規(guī)范：規(guī)定感知層數(shù)據(jù)采集的連接方式、連接過(guò)程，傳輸層的連接建立/斷開過(guò)程，應(yīng)用層協(xié)議解析、控制下發(fā)及數(shù)據(jù)共享過(guò)程。

4） 報(bào)文規(guī)范：規(guī)定智能化礦山設(shè)備之間的通信報(bào)文格式，以及數(shù)據(jù)采集所涉及的感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)的報(bào)文格式。

5） 配置規(guī)范：規(guī)定智能化礦山設(shè)備在感知層協(xié)議轉(zhuǎn)換的配置規(guī)范、應(yīng)用層服務(wù)集的配置規(guī)范、應(yīng)用層數(shù)據(jù)共享協(xié)議的配置規(guī)范。

1.3 運(yùn)維規(guī)范

1） 安全規(guī)范：規(guī)定智能化礦山設(shè)備通信的安全模型、安全接入要求、安全傳輸要求、訪問(wèn)控制要求及安全審計(jì)要求。

2） 管理規(guī)范：規(guī)定智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸與協(xié)同共享過(guò)程中的管理參考模型、管理技術(shù)要求。

2 接口模型

根據(jù)礦山企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求，基于ISO/IEC 7498?1 標(biāo)準(zhǔn)，定義了智能化礦山通信接口與協(xié)議模型，如圖2 所示。該模型分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層，將智能化礦山設(shè)備分為傳感器等感知設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)，旨在全面覆蓋礦山數(shù)據(jù)通信全過(guò)程。

圖2 智能化礦山通信接口與協(xié)議模型Fig. 2 Model of intelligent mine communication interface and protocol

感知層定義物理層接口和建立數(shù)據(jù)連接規(guī)范，實(shí)現(xiàn)基于物理鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。該層主要使用智能傳感器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)有線或無(wú)線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。有線接口包括Ethernet 以太網(wǎng)接口和Modbus、CAN、RS485 總線接口[8-9]，無(wú)線接口包括WiFi、4G、5G、RFID、UWB、BT、ZigBee 等。感知層設(shè)備應(yīng)具備IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，能夠自動(dòng)適配感知層接口和協(xié)議，向傳輸層提供統(tǒng)一的IP 接口[10]。

傳輸層定義網(wǎng)絡(luò)層IP 地址解析和TCP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議規(guī)則，通過(guò)路由協(xié)議和地址解析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并為上層提供透明可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)?？紤]智能化礦山對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽窟B接和非可靠連接服務(wù)需求，傳輸層應(yīng)選用IPv4/IPv6 協(xié)議和TCP/UDP協(xié)議。

應(yīng)用層基于傳輸層TCP/UDP 協(xié)議，集成智能化礦山通信涉及的發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)連接、通信報(bào)文、服務(wù)、配置功能模塊，為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)智能化礦山不同類型數(shù)據(jù)的融合共享。應(yīng)用層數(shù)據(jù)解析支持OPC UA、Modbus TCP、RTSP、ONVIF、IEC104、MQTT、EPA 等通信協(xié)議，數(shù)據(jù)共享應(yīng)選用OPC UA、RTSP、SFTP、MQTT 通信協(xié)議[11-12]。其中，感知數(shù)據(jù)中用于實(shí)時(shí)交互和控制命令的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用OPC UA 協(xié)議，自定義格式的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用發(fā)布/訂閱式的MQTT 協(xié)議，文本數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用SFTP 協(xié)議，音視頻數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用RTSP 協(xié)議。

3 設(shè)備模型

為實(shí)現(xiàn)智能化礦山互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)融合共享，在定義通信協(xié)議與接口架構(gòu)基礎(chǔ)上，需通過(guò)設(shè)備模型進(jìn)一步對(duì)智能化礦山通信接口進(jìn)行形式化描述。設(shè)備模型是對(duì)智能化礦山設(shè)備特征屬性的抽象描述，是設(shè)備中采集類、通信類、工程類、配置類、報(bào)警事件類、網(wǎng)絡(luò)安全類、控制類等相關(guān)信息的集合[13]，其具體與智能化礦山數(shù)據(jù)編碼體系中描述的主題域、對(duì)象、屬性相耦合。智能化礦山設(shè)備模型如圖3 所示。

圖3 智能化礦山設(shè)備模型Fig. 3 Device model of intelligent mine

設(shè)備通用信息用于定義礦山設(shè)備的通用屬性集，主要包括基礎(chǔ)信息、網(wǎng)絡(luò)信息和位置信息?；A(chǔ)信息包括設(shè)備廠家、設(shè)備類型、設(shè)備型號(hào)、制造日期、設(shè)備序列號(hào)、操作系統(tǒng)類型及版本、通信協(xié)議類型及版本等。網(wǎng)絡(luò)信息包括IP 地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址、DNS 服務(wù)器等。位置信息包括經(jīng)度、緯度、海拔等。

設(shè)備擴(kuò)展信息用于定義礦山設(shè)備特有狀態(tài)和功能的屬性集，主要包括模擬量、開關(guān)量、累計(jì)量等。模擬量在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號(hào)，包括電流、電壓、功率、頻率、溫度、濕度、振動(dòng)、壓力、流量、告警碼、故障碼、整定值等[14]。開關(guān)量在時(shí)間和數(shù)值上都是斷續(xù)變化的離散信號(hào)，包括運(yùn)行狀態(tài)、告警狀態(tài)、故障狀態(tài)、屏蔽狀態(tài)、使能狀態(tài)、時(shí)間戳、質(zhì)量戳等。累計(jì)量為與時(shí)間序列有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括瓦斯抽采量、產(chǎn)量等。

智能化礦山設(shè)備間的應(yīng)答模式應(yīng)統(tǒng)一采用“客戶端?服務(wù)端”模式。在“客戶端?服務(wù)端”模式下，宜采用“請(qǐng)求?響應(yīng)”或“訂閱?發(fā)布”會(huì)話模式[15]，如圖4 所示。

圖4 智能化礦山設(shè)備工作模式Fig. 4 Working modes of intelligent mine device

1） “請(qǐng)求?響應(yīng)”會(huì)話模式。智能化礦山設(shè)備實(shí)體應(yīng)能夠同時(shí)或單獨(dú)使能為客戶端或服務(wù)端角色，執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯?？蛻舳丝筛鶕?jù)自身能力和應(yīng)用需求，同時(shí)與1 個(gè)或多個(gè)服務(wù)端進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。服務(wù)端也可根據(jù)自身能力和應(yīng)用需求，同時(shí)與1 個(gè)或多個(gè)客戶端進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

2） “訂閱?發(fā)布”會(huì)話模式。智能化礦山數(shù)據(jù)生產(chǎn)者應(yīng)作為發(fā)布者，數(shù)據(jù)消費(fèi)者應(yīng)作為訂閱者。發(fā)布者是一個(gè)邏輯實(shí)體，發(fā)布端一般指設(shè)備。訂閱者應(yīng)向發(fā)布端訂閱信息，接收發(fā)布者發(fā)布的通知消息。訂閱者接收發(fā)布者發(fā)布的通知消息時(shí)，應(yīng)識(shí)別目標(biāo)通知消息，即訂閱者訂閱的通知消息。

4 數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

4.1 數(shù)據(jù)分類

智能化礦山是一個(gè)巨系統(tǒng)，大量異構(gòu)設(shè)備的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生多源的海量數(shù)據(jù)。針對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)葐?wèn)題，如何科學(xué)有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分類至關(guān)重要[16]。依據(jù)科學(xué)性、全面性和實(shí)用性原則，將智能化礦山數(shù)據(jù)分為感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)3 類，有利于行業(yè)從業(yè)人員對(duì)礦山數(shù)據(jù)分類的明確認(rèn)知形成共識(shí)，進(jìn)而指導(dǎo)礦山感知數(shù)據(jù)融合共享應(yīng)用落地。

感知數(shù)據(jù)是由智能化礦山設(shè)備產(chǎn)生的除音視頻數(shù)據(jù)之外的可實(shí)時(shí)采集或?qū)崟r(shí)控制的數(shù)據(jù)，如控制器或傳感器的對(duì)象屬性靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等。文本數(shù)據(jù)是智能化礦山中以文本文件形式存在的數(shù)據(jù)，一般經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換或加工，用于系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，如礦山地測(cè)數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運(yùn)行的日志文件等。音視頻數(shù)據(jù)是智能化礦山用于監(jiān)控、告警和智能管控的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要包括視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、人工智能識(shí)別數(shù)據(jù)等。

4.2 數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

在智能化礦山應(yīng)用中，報(bào)文具有通信系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)裝載和運(yùn)輸?shù)墓δ?，礦山數(shù)據(jù)報(bào)文包括感知數(shù)據(jù)報(bào)文、文本數(shù)據(jù)報(bào)文、音視頻數(shù)據(jù)報(bào)文。智能化礦山報(bào)文是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)塊包含了要發(fā)送的完整數(shù)據(jù)信息，其長(zhǎng)短不一致，長(zhǎng)度不限且可變[17]。

4.2.1 感知數(shù)據(jù)報(bào)文

智能化礦山感知數(shù)據(jù)報(bào)文按照二進(jìn)制格式定義，數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序到在物理鏈路上傳輸?shù)亩M(jìn)制報(bào)文的轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)編碼、安全協(xié)議與傳輸協(xié)議3 個(gè)部分，如圖5 所示。

圖5 智能化礦山感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig. 5 Conversion process of perception data in intelligent mine

應(yīng)用程序間的所有通信都基于消息交換，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用服務(wù)產(chǎn)生消息，每個(gè)服務(wù)都有一個(gè)請(qǐng)求和響應(yīng)消息[18]。序列化層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所描述的數(shù)據(jù)編碼規(guī)定了將數(shù)據(jù)類型集合轉(zhuǎn)譯到二進(jìn)制表示的規(guī)則。安全通道層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所描述的安全協(xié)議提供應(yīng)用程序間消息的完整性和機(jī)密性。傳輸層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中提供所描述的傳輸協(xié)議定義了一種消息交換方法。感知數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 智能化礦山感知數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 6 Message structure of perception data in intelligent mine

4.2.2 文本數(shù)據(jù)報(bào)文

文本數(shù)據(jù)報(bào)文一般指與智能化礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)有關(guān)的文本信息、告警信息等數(shù)據(jù)報(bào)文，適用于智能化礦山內(nèi)部、礦山企業(yè)之間、礦山企業(yè)與上級(jí)部門等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換場(chǎng)景[19]。礦山應(yīng)用場(chǎng)景的文本數(shù)據(jù)交換一般產(chǎn)生請(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文2 類。

請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖7 所示。請(qǐng)求行的請(qǐng)求方法有g(shù)et、post、put、delete。請(qǐng)求頭的必選字段名有Accept-Language（語(yǔ) 言）、Content-Type（文 本 類 型）等，請(qǐng)求頭的空行作為請(qǐng)求頭結(jié)束的標(biāo)志。

圖7 文本數(shù)據(jù)的請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 7 Request message structure of text data

響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖8 所示。狀態(tài)行的狀態(tài)碼為3 位字符，由服務(wù)端按照http 規(guī)則發(fā)出。響應(yīng)頭的必選字段名有Accept-Language（語(yǔ)言）、Content-Type（文本類型）等。響應(yīng)頭的空行作為響應(yīng)頭結(jié)束標(biāo)志。

圖8 文本數(shù)據(jù)的響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 8 Response message structure of text data

4.2.3 音視頻數(shù)據(jù)報(bào)文

基于可靠性和可控性考慮，為監(jiān)測(cè)礦山生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)和氣體環(huán)境參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限報(bào)警、斷電和安全控制等功能，主要通過(guò)實(shí)時(shí)流協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。智能化礦山選用RTSP 協(xié)議傳輸音視頻數(shù)據(jù)[20]。RTSP 報(bào)文由開始行、首部行和實(shí)體主體3 個(gè)部分組成。

在音視頻數(shù)據(jù)的請(qǐng)求報(bào)文中，開始行為請(qǐng)求行。RTSP 請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖9 所示。請(qǐng)求行包括方法、URL、版本和CRLF，首部行包括首部字段名、鍵值和CRLF。

圖9 RTSP 請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 9 Request message structure of RTSP

RTSP 響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖10 所示。在響應(yīng)報(bào)文中，開始行為狀態(tài)行，而首部行結(jié)構(gòu)與RTSP 請(qǐng)求報(bào)文相同。

圖10 RTSP 響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 10 Response message structure of RTSP

5 應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)智能化礦山感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)采集方式不同，本節(jié)描述這3 種數(shù)據(jù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的采集過(guò)程與感知數(shù)據(jù)融合共享與互聯(lián)互通的示例，旨在進(jìn)一步指導(dǎo)礦山規(guī)范應(yīng)用。

5.1 礦山數(shù)據(jù)采集方式

為實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與操作執(zhí)行層（設(shè)備層）間的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)共享，根據(jù)目前礦山設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用情況和未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向，宜采取設(shè)備直接采集方式、協(xié)議轉(zhuǎn)換采集方式、系統(tǒng)中轉(zhuǎn)采集方式[21]，如圖11 所示。

圖11 礦山數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場(chǎng)景Fig. 11 Application scenarios of mine data collection

設(shè)備直接采集方式主要用于系統(tǒng)控制器支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信協(xié)議（如Modbus TCP、OPC UA 等）的子系統(tǒng)，采用控制器以太網(wǎng)接口就近直接接入礦山工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接采集。

協(xié)議轉(zhuǎn)換采集方式主要用于通過(guò)系統(tǒng)控制器提供總線接口（如Modbus RTU、CAN、Profibus）的子系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，將總線式接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口，就近接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)中轉(zhuǎn)采集方式主要用于控制器不對(duì)第三方設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口但具有上位機(jī)或服務(wù)器的子系統(tǒng)，宜采用與上位機(jī)或服務(wù)器通信的中轉(zhuǎn)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

5.2 礦山數(shù)據(jù)采集與傳輸過(guò)程

基于智能化礦山數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由設(shè)備端傳輸至上層應(yīng)用，本節(jié)針對(duì)不同類型數(shù)據(jù)，描述其采集、傳輸過(guò)程，明確采集不同數(shù)據(jù)的流程和步驟，為實(shí)現(xiàn)智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享奠定基礎(chǔ)。

5.2.1 感知數(shù)據(jù)

感知數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程如圖12 所示。具體過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或第三方系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議及配置信息，選擇連接驅(qū)動(dòng)和配置參數(shù)；連接數(shù)據(jù)服務(wù)端并監(jiān)測(cè)連接狀態(tài)；發(fā)送采集指令并監(jiān)測(cè)發(fā)送是否異常；接收返回?cái)?shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)接收是否異常；按照應(yīng)用層協(xié)議要求解析并格式化數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)治理平臺(tái)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖12 感知數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程Fig. 12 Collection and transmission process of perception data

5.2.2 文本數(shù)據(jù)

文本數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程如圖13 所示。具體過(guò)程：由第三方廠家把工業(yè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)以文件格式（xml，txt，json）上傳到服務(wù)端；系統(tǒng)通過(guò)采集系統(tǒng)連接到服務(wù)端，下載服務(wù)端的文件到本地服務(wù)器；讀取、解析、格式化本地文件，把數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中；數(shù)據(jù)治理平臺(tái)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖13 文本數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程Fig. 13 Collection and transmission process of text data

5.2.3 音視頻數(shù)據(jù)采集

音視頻數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程如圖14 所示。具體過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備根據(jù)實(shí)時(shí)流協(xié)議及具體配置信息，連接驅(qū)動(dòng)和配置參數(shù)；連接數(shù)據(jù)服務(wù)端并監(jiān)測(cè)連接狀態(tài)；發(fā)送采集指令并監(jiān)測(cè)發(fā)送是否異常；接收返回?cái)?shù)據(jù)流并監(jiān)測(cè)接收是否異常；數(shù)據(jù)治理平臺(tái)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖14 音視頻數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程Fig. 14 Collection and transmission process of audio-visual data

6 結(jié)論

1） 礦山設(shè)備廠商接口協(xié)議不兼容，不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換規(guī)則不明確，在很大程度上阻礙了智能化礦山一體化進(jìn)程，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享。制定智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范，規(guī)范化數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的接口方式和通信協(xié)議，明確不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，可為礦山智能化建設(shè)過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集與傳輸提供指導(dǎo)，有利于實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)內(nèi)部或礦山企業(yè)與礦端管控平臺(tái)、礦端數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)交換和共享。

2） 研究了智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范體系，旨在實(shí)現(xiàn)國(guó)家礦山監(jiān)管部門、省級(jí)礦山監(jiān)管部門、集團(tuán)公司和礦山企業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享、互聯(lián)互通，以及通信接口與協(xié)議的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而加快礦山智能化建設(shè)進(jìn)程，提高智能化建設(shè)質(zhì)量。