基于煤礦安全監控系統的數據回放系統

張洪亮 ，洪玉玲

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著煤礦安全監控系統升級改造技術方案[1]（煤安監函〔2016〕5 號）的逐步完成，對系統的各項功能和指標要求大幅提升，系統整體架構在復雜性上遠遠超出了以往系統。系統故障點也會隨之增多，出現問題的故障率也會增加，有些問題在現場的環境下很難及時找出問題根源及解決方案。這就需要系統具備一個數據回放的機制，實時對現場采集的原始數據進行存儲，當現場出現問題時，把該段時間內的原始數據文件拷貝出來，通過實驗室環境把原始數據通過監控系統軟件再次進行處理、顯示，達到數據回放的效果，真實再現某段時間內系統現場運行的真實狀態和過程。從而可以分析井下設備上傳數據的正確性、穩定性，分析上位機軟件統計、顯示的正確性以及對系統進行現場環境調試、壓力測試等操作。為此結合實際應用就如何在監控系統中實現數據回放、如何有效解決現場出現的問題、如何通過回放系統進行系統壓力測試以及如何通過回放系統進行系統的功能性測試展開論述。

1 數據回放系統

數據回放系統主要包括數據的收集與存儲、數據的清洗與轉換、數據的轉發輸出、監控系統上位機軟件數據演練等過程。

1）原始數據采集。原始數據是來自監控系統井下硬件的真實數據，如何連續不間斷的對數據進行記錄、存儲[2-4]，需要一個詳細的規劃、設計。在現場監控系統運行的過程中會不斷地采集硬件設備運行、環境監測等數據，在監控系統收到原始數據的同時，可將數據輸出到文本文件，進行永久存儲。由于原始數據隨著井下監測點的增多會大幅增加，考慮按小時生成原始數據文本文件。同時由于長期運行輸出文件會占用大量的硬盤空間，考慮通過定時清理的方式，滾動刪除某一時間點之前的文本文件，保留近一段時間內的文本數據，同時作為日志系統使用。

2）數據清洗模塊。由于存儲的原始數據樣本可能包含信息類型、時間戳等信息，在原始數據樣本輸入到監控系統之前需要進行數據的清洗、轉換[5]操作，將文本文件中的記錄數據完全轉化為系統需要的滿足協議要求的數據，并驗證清洗、轉換后數據的正確性、完整性。數據清洗轉換流程如圖1。

圖1 數據清洗轉換流程Fig.1 Data cleaning conversion process

3）數據轉發模塊。數據轉發過程主要是將數據清洗之后，把滿足要求的數據轉發給監控系統上位機軟件進行處理。該模塊主要涉及數據的讀取，基于UDP 的數據發送體系的建立，按一定周期不間斷地將數據輸出給監控系統上位機處理系統。

2 系統關鍵技術

1）Socket 網絡通信技術。在網絡應用程序設計時，由于TCP/IP 的核心內容被封裝在操作系統中，如果應用程序要使用TCP/IP，可以通過系統提供的TCP/IP 的編程接口來實現。在Windows 環境下，網絡應用程序編程接口稱作Windows Socket。為了支持用戶開發面向應用的通信程序，大部分系統都提供了1組基于TCP 或者UDP 的應用程序編程接口[6]（API），該接口通常以1 組函數的形式出現，也稱為套接字（Socket）。數據回放系統在數據轉發給上位機軟件的過程中使用該技術，通過UDP 的方式把數據直接拋給上位機軟件進行處理，該種方式也是跟井下網絡設備與上位機軟件的通訊方式保持一致。真實模擬系統的網絡通訊。

2）多線程技術。多線程是指從軟件或者硬件上實現多個線程并發執行的技術。具有多線程能力的計算機因有硬件支持而能夠在同一時間執行多于1個線程，進而提升整體處理性能。具有這種能力的系統包括對稱多處理機、多核心處理器以及芯片級多處理或同時多線程處理器。在1 個程序中，這些獨立運行的程序片段叫作“線程”（Thread），利用它編程的概念就叫作“多線程處理（Multithreading）”。具有多線程能力的軟件系統因為能夠同一時間執行多個任務，進而提升軟件整體處理性能。數據回放系統在數據轉發的過程中為了模擬井下多個網絡設備的并發上傳，采用多線程技術實現多個原始數據文件的并發處理與轉發。

3 數據回放系統應用

1）安全生產實踐。在煤礦現場監控系統運行的過程中時常有各類問題，其中包括井下硬件存在的問題，也包括上位機軟件的問題，根據用戶的問題描述，有時很難界定是哪里出了問題，這時把現場保存下來的原始數據文件，按需要的時間段拷貝回來，在實驗室中利用數據回放系統把數據輸出給監控系統上位機軟件，監控系統上位機軟件進行數據的正常處理，實時觀察監控系統軟件數據的發展變化，根據實驗室真實數據表現推斷問題的所在。例如：用戶反映某一路傳感器有頻繁斷線的現象，首先通過數據回放系統進行該段時間的數據回放演練，如果的確存儲數據閃斷的現象，再從原始數據進行分析，是井下設備傳上來的斷線狀態，還是監控系統軟件由于判斷、統計問題造成的監控點頻繁斷線。通過查找原始文件數據協議，如果發現確實存在該通道數據的間斷斷線狀態數據，證明該數據是井下設備發上來的，應該從井下設備找原因，如果原始數據中不存在該通道的斷線狀態數據，那就從上位機軟件找原因，接下來就可以針對該監控點的數據進入代碼調試程序，找尋是否程序邏輯存在問題，對現場問題的查找、判斷具有重要意義。

2）系統功能性測試。在監控系統軟件開發、升級、維護的過程中，有時需要大量的樣本數據進行系統調試、單元測試、集成測試[7-9]，實驗室環境中產生的數據往往過于理想，不能真實反映煤礦現場環境數據的真實狀態。只有真實的現場環境數據才能對系統進行一個全面的測試，及時發現問題，及時修正，保證系統新增功能、完善功能的穩定運行。也可從多個現場拷貝數據，進行更加全面的功能性測試，對新發布軟件版本的穩定運行具有重大作用。

3）系統壓力測試。上位機軟件系統的穩定性，對整個監控系統至關重要，決定軟件系統是否能穩定運行的一個重要因素就是井下監測點的數量以及數據的變化頻率。實驗室環境往往不具備大量的設備接入條件，監測點量往往不足普通煤礦1/10。也就不能真實的對系統是否穩定進行測試、評估。通過數據回放系統，選擇現場監測點數量比較大的煤礦，拷貝相當長一段時間的樣本數據，例如1 年的數據量進行數據回放演練，對系統進行壓力測試。同時對系統CPU、內存、數據庫、監控系統軟件運行狀態、系統實時顯示性能、歷史數據查詢性能、數據處理性能等多項指標進行監測，發現存在由于數據量較大造成的問題及時找出原因進行完善、修復。同時可調整數據的轉發頻率，加大單位時間內的數據量，對系統的處理能力進行高強度測試，找出系統性能邊界點，分析判斷是否滿足現場更大型煤礦的安全監測需求，如果不能滿足，則需要對系統進行調優、服務降級等處理。提高系統性能指標，更好的為煤礦安全生產服務。

4）作為日志系統。作為一個大型的煤礦安全監控系統，日志系統[10]是必不可少的一部分，可分為調試日志、錯誤日志、警告日志、數據運行日志等，作為整個系統運行狀態的一個歷史記錄，便于查找、分析系統存在問題。在數據回放系統將原始數據存入文本文件的同時，即為監控系統也做了一個數據日志的記錄，通過這些數據日志文件的分析，可確定數據格式、發送規則是否符合系統協議標準要求，對不滿足協議標準要求的數據，可能會影響系統的穩定運行及數據的準確性。就要從井下設備層找尋原因，保證整個系統的每個環節都按規則有序進行，保證系統的穩定性。

4 結 語

1）數據回放系統有助于及時發現監控系統存在的眾多問題點，對問題點的查找、分析發揮了巨大作用，有效地解決了各類疑難問題，大幅降低了現場可能再次出現問題的故障率。

2）通過回放系統進行的大規模壓力測試，從事前預防的角度，對系統進行預演，有效地對系統的運行性能進行驗證、評判，解決了系統可能出現的眾多影響穩定運行的性能問題。對系統的發展、演進起到了至關重要的作用。