基于物聯網的數字化礦山異構 信息集成處理模型

郝秦霞

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

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基于物聯網的數字化礦山異構 信息集成處理模型

郝秦霞

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

為研究煤礦企業安全生產中出現的如何將現有智能物件和子系統鏈接起來的問題，如何實現應用系統數據大集成的問題，以及如何解決物聯網的數字化礦山中海量的異源、異構數據的問題，提出采用基于XML的異構數據源集成算法(XUTD)，首先將異構數據轉換成統一的XML格式的數據，提高異構處理數據的能力，然后將異源海量數據在物聯網的數字化礦山異構信息集成處理模型(DMIT)中應用，將集成的復雜系統數據進一步的通過數字化礦山異構信息集成處理模型進行負載分散，增加了網絡傳輸壓力，從而滿足煤礦企業異構數據集成的要求，實現了異構、異源數據信息建設的總體思想。為有效利用物聯網技術實現數字化礦山數據大集成提出了有效的解決方案。模型在煤礦企業應用后證明，基于物聯網的數字化礦山異構信息集成處理模型可以有效解決異源、異構數據接入的問題，滿足了煤礦企業異構數據集成的需求。

XML；XUTD；DMIT；異構信息源；物聯網技術

0 引 言

物聯網產業是世界信息產業發展的又一次浪潮，其發展的關鍵在于把現有的智能物件和子系統鏈接起來，實現應用的大集成。基于物聯網的數字化礦山是通過各種感知方法、信息傳輸與處理技術，實現對真實礦山整體及相關現象的可視化、數字化及智能化。依據物聯網的技術體系結構和煤炭工業信息化與自動化建設框架，物聯網技術在數字化礦山中的應用主要包括各類安全子系統應用、生產技術設計管理信息系統、生產執行系統應用、煤炭企業經營管理信息系統應用和企業輔助決策分析應用，其中涉及的安全生產的環節眾多，使得監測監控應用系統復雜繁多。因而在數據的接入、信息的感知、信息的傳輸以及上層的處理和應用中造就了海量的異構、異源的信息和數據，形成了企業錯綜復雜的蜘蛛網絡，造成信息化建設中數字化集成的瓶頸，影響煤炭企業的安全數據決策效率與準確性。這就使企業無法整體協調一致地連續運轉，不利于煤礦企業對于安全生產中存在的問題以及隨時可能出現的緊急事件進行及時、有效地分析與處理。

文中針對上述海量的異構、異源數據集成的問題提出數字化礦山數據大集成的思想。首先應用基于XML的異構數據源集成算法(XUTD)集成不同傳感網絡的數據，將異構數據轉換成統一的XML格式的數據，解決數據之間存在的差異性與信息集成產生的數據沖突等問題力；然后在物聯網的數字化礦山異構信息集成處理模型(Digital mine integration of heterogeneous information processing model based on Internet of things，DMIT)中應用[1-3]，將集成的復雜系統數據進一步的通過數字化礦山異構信息集成處理模型進行負載分散；最后將所有各種傳感設備網絡的壓力分散到多個信息處理層部署數據匯集服務器，增加了網絡傳輸壓力，從而滿足煤礦企業異構數據集成的要求，為煤礦企業解決蜘蛛網絡中的復雜數據集成問題提出了有效的解決方案。

1 物聯網技術在數字化礦山中的應用

物聯網技術在煤礦安全生產過程中主要涉及[4-5]：綜合自動化、信息化的各個子系統，覆蓋煤礦安全、生產、經營等各個環節，最終將實現對底層數據的規范化和綜合集成，以便數據再利用和智能分析等功能。物聯網在煤礦安全生產過程中面臨的主要問題則包括[6]

1)不同類型的感知設備采用不用的接口協議、通信協議，給感知設備的互換和集成帶來了巨大的困難；

2)由于煤礦企業純在眾多異源異構應用系統，目前信息與業務之間不能完全融合，信息無法實現高度共享；

3)數據利用度不高，由于煤礦信息化建設中，數據采集信號種類繁多，采集實時性強，絕大多數數據存儲于控制站，應用層沒有對數據進行綜合利用和深度挖掘，智能化程度低，無法為煤礦生產安全管理發揮有效的利用價值。

2 異構數據源集成處理算法XUTD

由于物聯網在煤礦安全生產過程中，涉及煤礦安全、生產、經營等各個環節，因而存在大量不符合數據完整性條件、內容不確定的XML數據，這種大量的XML數據不能維持數據與語義的一致性，而數據的非一致性簡單地說就是違背了數據完整性[7-8]。這就需要建立一種能處理數據非完整性、內容不確定性的數據集成模型。這些有著不同的結構及來源的XML數據，其規模、可信度與可用度也往往參差不齊，若要有效利用這些不確定數據，則需要解決這些數據之間存在的差異性與信息集成產生的數據沖突等問題。而異構數據源集成算法的實質是解決分布存儲數據之間的異構問題，將不同格式的數據轉換成統一的XML格式的數據，有效的解決數據的差異性與信息集成的沖突。

文中提出對XML非一致性數據不確定性信息轉化為確定性信息的算法(XUTD)，它通過增加概率約束條件，準確抽取數據元素特征，使不確定信息轉化為確定信息，有效的解決了數字化礦山中的異源、異構數據集成問題。

XUTD的集成策略L：L是一個三元組，其中P表示源信息元素各子元素的優先級，是{CW，T，QC}全排列的序列之一。QCF∈Q+∪{0}表示QC的影響力(Q：有理數集合)；TR表示time`的影響力。

對于n個XUTD實例X1，X2，…，Xn的集成，將結果存儲為一個新的XUTD實例X，對應的集成算法XM(∑Xi,L)

輸入：輸入n個XUTD實例X1，X2，…，Xn，以及集成策略L；

輸出：n個XUTD實例X1，X2，…，Xn的集成結集X；

首先按照指定的策略L進行n個源信息元素的歸并。創建元素Fr,Ft，Ft的值歸并SS，令Fn=Xn·SS，Fr值為X1.Fr∪X2.Fr…∪Xn.Fr.

1)元素Num：Num=X1·Mum1+X2·Mum2+…+Xn·Mumn；

2)元素CW：CW=(X1·CW1+X2·CW2+…+Xn·CWn)/Num；

3)元素T及其子元素：創建時間值取當前集成操作的時間，T=min{X1·T1,X2·T2,…,Xn·Tn}；

4)元素QC：QC1=0，XiQCi=XiQCi+1.

其次按照集成策略L計算X1，X2，…，Xn的權，計算公式有4種情況。

2)Nmui=QCi×S·QCFi+Nmui；

3)若僅考慮CW與Num，則僅計算1)；若用集成策略L，則判斷L.P，若順序為QC，T，CW，先計算2)～3)，再計算1)，若順序為CW，OC，T，則先計算1)～3)；

4)weighti=Numi；

最后按照元素kij屬性，修正數據。

1)kij?K，使kij與mij元素名稱相同，則認為mij表示的是數據類中的一個全新的對象，將元素mij引入X(K)；

2)kij∈Ki，將kij引入到X(K)，對每個mij∈Ki，若存在元素kij∈K，kij與mij的概率取值與分布相同，則不需對數據進行處理；

3)kij與mij元素名稱相同，則認為kij與mij表示的是相同數據類中的同一個對象；

4)kij與mij元素名稱不同，對mi的每個子元素Rp，循環判斷ki的每個子元素Rq：

①Rq·k=Rp·k，Rq·p≠Rp·q，則計算

②Rq·k≠Rp·k，則重新計算

③若Rq·k≠Rp·k，則計算

3 DMIT的體系結構

3.1 DMIT的體系模型

DMIT采用分布式層次化結構[9-10]，由不同層次和專業的信息化系統組成，各層次及各類信息化應用系統之間采用無縫銜接，DMIT實現了數字化將礦山統一的數據中心，提高了煤礦安全生產運營管理的效率。DMIT體系結構共分為5層，分別是感知層、接入層、傳輸層、信息處理層和應用層，如圖1所示。

圖1 DMIT體系結構

1)感知層：在感知層主要是實現煤礦安全生產與管理的綜合感知，目前數字化礦山中的感知層由各類傳感器、RFID設備、GPS、M2M等組成，主要涉及采掘、運輸、提升、選洗、運裝等各種傳感設備網絡(Sensing Network,SN)。在有數據接入需求的地理區域(簡稱接入區域：Access Area，A)中，一個A可含多個SN.

2)接入層：目前煤礦企業主要應用WiFi，ZigBee、總線等來實現物聯網感知層的相連，模型應用接入層來實現數字化礦山感知層中不同感知網絡的各種終端數據的接入。模型在接入層中部署傳感網絡接入代理(SN access Agent,SNA)，為該區域提供數據接入服務節點。根據接入規模，一個A可連接多個SNA，一個SNA管理多個接入適配器(Adaptor)和一個合成器(Synthesizer，Syn)。Adaptor負責傳感網絡協議的解析工作，不同的Adaptor適配不同的傳感網絡，根據待接入傳感網絡的不同，可以自定義接入適配器。當SN向Adaptor發送XML數據時，Adaptor將這些信息以傳感器為單元進行封裝。封裝后的數據被認為是一個輸入實例Xi，n個實例(X1，X2，…，Xn)被發送至Syn，集成為結集X，由SNA統一管理。數據的集成由異構數據源集成處理算法來實現。

3)傳輸層：該層為網絡化的煤礦安全、生產、經營和管理應用系統提供數據、語音和視頻一體化的高速公路。傳輸層主要由煤礦工業網絡和煤礦管理信息網絡2部分組成。實現煤炭企業信息管理和煤炭綜合自動化管理。接入層中的SNA數據通過HTTP協議發送至信息處理層。

4)信息處理層：在該層主要是實現數據的存儲和加工，通過構建數據的統一倉庫平臺，確保了信息應用層對數據的互聯、互通和共享的實現。因而在信息處理層部署數據匯集服務器(Rendezvous Service，RS)，作為多個接入區域傳感網絡數據匯集工作的節點。

5)信息應用層：該層承擔著數據的綜合利用和智能化應用，覆蓋整個數字化礦山安全、生產、經營和管理的綜合應用[11-12]。主要涉及安全相關的各類子系統應用、生產技術設計管理信息系統及生產執行系統應用、煤炭企業經營管理信息系統應用和企業輔助決策分析應用，各類應用系統從RS中提取相關數據。

3.2 DMIT的上、下行數據

在DMIT中存在2種數據[13-14]：上行數據和下行數據。上行數據即為從SN到應用層的業務數據流，下行數據則為從應用層到SN的控制數據流。上行數據通道采用面向內容的協議轉換，下行數據通道采用面向網絡的協議轉換。面向內容的協議轉換是指將SN中的傳感器作為協議轉換的最小單元，經Syn匹配后，解析SN中的數據，再以傳感器為最小單位對這些數據進行封裝。面向網絡的協議轉換是指將SN作為協議轉換的最小單元，應用層的控制信息只需發送給SN的網關節點，Adaptor將來自物聯網的管理控制協議按照SN的協議轉換即可。

DMIT采用分布式層次化的層級結構有利于將系統負載分散到不同層次[15]。所有SN首先依據地理位置在邏輯上被分為不同的A，每個A的接入壓力可以由多個SNA 來消化，每個在SNA中都采用XUTD算法將異構數據轉換成統一的XML格式的數據，解決數據之間存在的差異性與信息集成產生的數據沖突等問題力，最后所有SNA的壓力同樣被分散到多個RS，增加了網絡傳輸壓力[16-17]。

4 結 論

文中根據物聯網的技術體系結構和煤炭工業信息化與自動化建設框架，存在的海量異構、異源的信息和數據，造成信息化建設中數字化集成的瓶頸，影響煤炭企業的安全數據決策效率與準確性的問題，提出相應的解決辦法：

1)根據煤礦安全生產過程中海量、異構、異源數據提出了基于XML的異構數據源集成算法(XUDT)；

2)在異構數據源集成算法基礎上提出了物聯網海量異構信息集成及智能處理模型DMIT；

經過實驗證明可以有效解決異源、異構數據接入的問題，滿足了煤礦企業異構數據集成的需求，為煤礦企業解決蜘蛛網絡中的復雜數據集成問題提出了有效的解決方案。下一階段將在改善系統延遲方面做進一步研究。

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Digitalized mine heterogeneous information integration processing model based on internet of things

HAO Qin-xia

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

In order to study how to link up the existing smart objects and subsystems in safety production of coal mine enterprise,how to realize application of system data grand integration and how to solve the problems of massive heterologous data and heterogeneous data in the Internet of Things-based digitalized mine,this paper proposes the use of XML-based heterogeneous data source integration algorithm(XUTD),firstly,convert the heterogeneous data into unified data in XML format,improve heterogeneous data processing ability,and then apply massive heterologous data in Things-based digitalized mine heterogeneous information integration processing model(DMIT),and further conduct load distribution for the integrated complex system through the digitalized mine heterogeneous information integration processing model,which increases network transmission pressure,thus meeting the requirements of coal mine enterprise heterogeneous data integration and achieving overall thought of heterogeneous and heterologous data construction.It provides effective solution for realizing digitalized mine data grand integration through effective use of Internet of Things technology.It proves that,after application of model in coal mine enterprise,the Internet of Things-based digitalized mine heterogeneous information integration processing model can effectively solve the problem between heterologous data and heterogeneous data access,meeting the demands of coal mine enterprise heterogeneous data integration.

XML；XUTD；DMIT；heterogeneous information sources；internet of things technology

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0123

1672-9315(2015)01-0132-05

2014-08-10責任編輯:劉 潔

陜西省教育廳專項項目(14JK1457)作者簡介：郝秦霞(1980-)，女，陜西西安人，講師，E-mail:haoqinxia@xust.edu.cn

TP 271.5

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