煤礦安全監控多系統融合與聯動交互方案

張 翼

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害應急信息技術國家重點實驗室，重慶 400039）

2016年底，國家煤礦安監局關于印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知（簡稱5號文）[1]，將煤礦安全監控系統升級改造推向了高潮。5號文中，在多系統融合方面，提出了地面和井下2種融合方式，鼓勵新安裝的安全監控系統采用井下融合方式[1]。目前煤礦基本都已安裝了安全監控、人員定位、應急廣播等系統，因此多系統融合在一定時間內仍將以地面融合為主。而地面融合面臨系統廠家眾多、信息存儲與交互形式各異等問題。如何制定滿足融合需求、可靠性高，同時易于其它業務系統接入和協作的交互方案成為多系統融合的關鍵和基礎。

1 數據融合與聯動控制分析

1.1 需要融合的業務系統分析

在5號文中，政策導向方面明確要求“在地面統一平臺上必須融合的系統：環境監測、人員定位、應急廣播，如有供電監控系統，也應融入。其它可考慮融合的系統：視頻監控、無線通信、設備監測、車輛監測等”[1]。

在煤礦實際需求上，從數據綜合呈現與應用分析方面看，主要考慮安全監控、人員定位、車輛監測、礦壓監測等系統；從應急聯動方面看，主要考慮安全監控、人員定位、應急廣播、供電監控、視頻監控、調度通信等。

綜合考慮，融合的系統主要為安全監控、人員定位、應急廣播、供電監控、視頻監控、調度通信、礦壓監測等。除此外，也可以考慮將生產過程控制系統納入融合平臺。

1.2 業務系統特點分析

通過對融合系統的分析，可將系統分為各具特點的3大類。

1）實時監控與后期分析結合類系統。如安全監控、人員定位、礦壓監測等系統，這類系統除具有實時監測、控制外，還會開展二次分析與統計。

2）單實時監控制類。如煤礦應急廣播、煤礦供電監控、調度通信等系統，這類系統通常只進行實時監測與控制。

3）單接入類。如視頻監控等，這類系統通常無需數據接入，只需按一定的方式進行集成即可。

在進行數據融合與聯動數據交互協議與接口設計時，需充分考慮不同業務系統的特點，最大程度兼顧差異。

1.3 業務系統融合數據分析

以總體需求為指導，結合各業務系統的功能特點，得出各業務系統交互數據。①安全監控系統：因融合平臺以安全監控系統為主體，因此安全監控系統的數據將全部接入，主要包括實時狀態、運行記錄、異常狀態記錄、定義信息等數據；②人員定位系統：主要包括定位設備定義及狀態、人員基本信息、井下人員實時、出入井記錄等數據[2]；③應急廣播：主要包括設備定義、播放狀態等數據[3]；④供電監控：主要包括設備（開關）定義、實時狀態、歷史運行記錄、異常狀態記錄等數據[4]；⑤調度通信：主要包括電話薄、實時通話狀態、歷史通話記錄等數據；⑥礦壓監測：主要包括實時監測、歷史運行記錄、異常記錄等數據；⑦視頻監控系統：主要為實時視頻流數據，此數據一般以視頻服務器進行支撐，無需額外采集。

通過上述分析，可將數據分為實時數據、業務統計分析數據、定義數據3大類。

1.4 聯動控制分析

參與聯動控制的系統主要包括安全監控、人員定位、應急廣播、供電監控、調度通信等系統。各系統的控制業務主要為：安全監控系統控制特定區域斷電；人員定位系統通知人員緊急撤離或是回電話；供電監控系統進行斷電、復電控制[4]；應急廣播系統播放特定的音頻或是喊話等；調度通信系統發起特定號碼的呼叫、發短信或播放警示音頻。

聯動控制的觸發主要由安全監控系統觸發。如某工作面瓦斯超限，此時可切斷相關電源、通知人員撤離、調用視頻查看現場情況。除此之外，也可以由其它系統觸發。如人員定位識別出限制區域有人闖入時，可發起視頻監控、人員定位、調度通信等系統的聯動。

2 數據融合與聯動協議設計

由于協議需兼容不同廠家的業務系統，因此必須深入挖掘系統本質，設計出包容性更強的規范。通過分析得出設計的主要原則為：①融合協議要求的數據應是大部分廠家都能提供的；②應以融合總體需求為指導，定義有必要的融合數據，減少業務系統提供數據的負擔，提高穩定性；③協議應是簡單的，可以適當的冗余數據降低數據之間的耦合度；④相似的數據盡量使用統一的數據結構，降低數據解析與后期分析利用的難度；⑤聯動指令應是實用的、簡單的，不涉及或少涉及復雜指令集；⑥安全監控系統數據融合與聯動應是全面、完整的（因不涉及其它廠家）。

根據以上原則，以及對市場占有率較高的幾大主要業務系統的功能分析后，設計出數據融合與聯動協議如下。

1）人員定位系統。設備定義及實時狀態[設備編碼、安裝位置、類型、狀態描述、統一狀態碼、更新時間等]；人員基本信息[卡號、姓名、部門、工種、職務等]；人員實時數據[卡號、姓名、部門、當前位置、到達時間、入井時間、班次、狀態等]；人員軌跡數據[卡號、姓名、部門、經過地點、經過時間等]；出入井記錄數據[卡號、姓名、部門、入井時間、出井時間、班次、狀態等]；聯動指令[全礦撤離、區域撤離、單人撤離、通知回電話等]。

2）應急廣播系統。設備定義以及實時狀態[設備編碼、安裝位置、類型、狀態描述(含播放狀態）、統一狀態碼、更新時間等]；聯動指令[單播、組播、全礦廣播等]。

3）供電監控系統。設備（開關）定義及實時狀態[設備編碼、安裝位置、類型、狀態描述(分閘合閘狀態)、統一狀態碼、更新時間、擴展信息（包括電流、電壓等參數）等]；聯動指令[開關分閘、開關合閘]。

4）調度通信。電話薄數據[號碼、權限、使用者描述等]；電話實時狀態[號碼、主被叫標志、接通狀態、接通時間等]；通話記錄數據[主叫號碼、被叫號碼、狀態、發起時間、接通時間、掛斷電話等]；聯動指令[單呼電話、組呼電話、單發短信、組發短信、單發音頻、組發音頻等]。

其它業務系統參考以上進行設計。

3 數據交互接口設計

數據交互接口指在進行數據交換時所使用的技術以及具體的實現方法。這通常與數據內容與交互場景有關。因此在數據交互接口設計時，首先要選擇在當前場景下適用的技術，然后組合技術與數據的特點進行具體的接口設計。

3.1 交互環境分析

通過分析，安全監控系統多系統融合與聯動的數據交互的特點主要有：①都處在同一煤礦；②實時性要求高；③涉及雙向交互；④涉及控制指令，對可靠性要求更高。

此交互環境與傳統聯網系統（是煤炭行業數據交互應用最廣的系統，具有較高的代表性）對比更能直觀地說明問題：①聯網項目運行在多個企業中，網絡結構復雜，而融合平臺處在同一個企業中，即使不在同一網段，通過配置也能使不同的服務器直接（或間接）連通，網絡相對穩定、速度快、質量有保障;②由于融合平臺和融合的原業務系統都在同一礦中，甚至就在旁邊，這比聯網項目的實時性、可靠性及數據還原能力要求更高;③聯網項目數據通常都是單向上傳，不涉及或很少涉及雙向交互，而融合平臺涉及聯動控制，必須進行高效的、可靠的雙向交互。

3.2 交互技術選用決策分析

通過對交互環竟、交互數據進行分析，確定交互技術選用決策指標為穩定性、普遍性、跨平臺性、實現簡單、便于調試、透明度高、技術難度低、環節少（指實現整個數據交互需要的步驟數量，環節越少越好）等。根據這些指標對常用技術[5-6]（Socket、HTML含 WCFWebService、OPC、FTP、數據庫等）進行分析，交互技術選用決策分析表見表1。

表1 交互技術選用決策分析表

在考慮各指標的權重占比后，可計算得出DB（數據庫）方式的得分最高、FTP次之。另外通過調研發現，煤礦行業使用Microsoft SQL Server數據庫的比例最高，因此最終選擇Microsoft SQL Serve數據庫為載體進行數據交互。

3.3 數據交互接口設計

在使用數據庫作為交互載體時，可以采用操作數據庫表、調用存儲過程等多種方式進行交互。存儲過程，在當前環境下可理解為一個遠程函數，比直接操作數據庫表更有優勢[7-9]。主要體現在：①對數據庫表進行了封裝，免除調用者對存儲物理結構的理解，在調用更加方便的同時更具有擴展性；②對數據庫表進行了隔離，使數據庫表更安全，并可在存儲管程中進行數據驗證，保存進入表的數據的合法性；③強化了數據的控制能力，使同一個表可保存不同業務系統數據，并保證數據在可控范圍內變更；④在存儲過程中可加入日志記錄、上傳最后時間等內容便于分析和追蹤問題。

根據上傳數據的內容及存儲過程自身的特點，各業務系統的每一類數據都定義1個存儲過程進行數據交互，每次調用只上傳1項數據。同時，為便于數據上傳的管理，在開始一類數據上傳之前調用上傳開始，上傳結束后調用上傳完成。即每一類數據對應1組接口，形如：

Update_X_Start：開始上傳X數據；

Update_X：上傳1項X數據；

Update_X_End：完成所有X類數據上傳。

聯動控制命令則設計1個獲取命令的存儲過程，和1個返回命令執行結果的存儲過程即可。

3.4 數據交互流程

數據交互主要分為數據融合上傳和聯動控制互動。在交互之前管理員向第三方業務系統分配登錄數據庫的用戶，以及交互接口登錄用戶。交互過程如圖1。聯動控制與此基本相同，在獲取命令后，各業務系統執行，并反饋執行結果。

3.5 性能優化與數據交互頻率確定

系統融合與聯動以高效的數據交互為基礎，因此對數據交互的實時性要求較高。因聯動控制命令數據少，因此數據交互的瓶頸在于業務系統數據融合至平臺。每一項業務數據上傳，較為理想的方案的步驟為：①安全驗證；②判斷數據庫中是否已有本次上傳的數據；③有數據則更新，無數據則插入；④記錄本次操作的日志。

結合效率需求與實際情況，可將日志記錄移到Update_X_Start與Update_X_End,不必每上傳1項數據都記錄日志（對于一些重要的操作，仍可在每1條數據中進行日志記錄，這需要在效率與實際情況兩者間權衡）。對于數據是否存在的不同操作，可先使用更新，然后判斷影響的行數。如果影響行數為0再插入。優化后的每一條數據上傳完整過程如圖2。

圖1 數據交互流程示意圖

圖2 優化后的每一條數據上傳完整過程

經過優化，對典型接口進行性能測試，結果約為600條/s（這一測試結果與測試環境有關）。

結合業務系統的實際需求和數據量，可初步確定數據交互的各類數據交互頻率為：①實時數據每5 s 1次；②及時數據5 min 1次；③定義數據（一般不變化）2 h 1次。各業務系統以此為指導，結合數據特點確定最終的交互頻率。

3.6 安全性設計

安全性是各類系統設計的重要環節，是防止數據被有意或無意破壞的重要手段。由于數據庫自身有著強大的安全管理機制，因此采用數據庫進行數據交互時，在安全性上具有先天優勢。直接利用數據庫的安全管理，為不同的業務系統交互程序分配不同的數據庫登錄用戶即可[10-11]。在進行權限分配時，只給予對應的存儲過程調用權限（可適時開放數據查看權限方便調試）即可保證數據的安全性。除此外，建立交互接口登錄機制，在數據上傳之前進行登錄驗證，驗證通過后才能正常調用相關接口。

4 結語

在交互協議方面，通過對相關政策、煤礦現狀等的分析，明確了應主要考慮的業務系統和數據，該協議覆蓋煤礦主要監測監控系統，滿足系統融合所需。在交互技術方面，通過對穩定性、普遍性、跨平臺等指標的對比分析，確立以數據庫儲過程技術進行數據交互，并對接口形式、流程、效率、安全性進行充分設計和優化。該方案在滿足數據融合與聯動的具體需求的同時，具有效率高、可靠性強、便于聯調等優點，且適用于不同的監控系統。