貴州省級瓦斯抽采與發電移動監測平臺設計

張 鵬

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原030032）

基于國辦發〔2013〕93 號《國務院辦公廳關于進一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見》，貴州省煤礦管理部門長期給與瓦斯利用企業一定的資金補助[1-2]。貴州有500 多家煤礦建立了瓦斯抽采及利用系統，也安裝了瓦斯抽采及利用計量裝置，但目前只能實現礦井內部的計量管理，相關管理部門不能夠實現遠程在線監測與綜合管理功能，更不能實現與貴州省“安全云”的有效對接，給瓦斯抽采和發電利用補助資金管理帶來難度。

貴州省內瓦斯抽采監控系統和瓦斯發電監測系統類型和生產廠家多樣，基本處于相對獨立的運行和管理狀態，造成監測數據孤島[3]。隨著監測數據呈指數爆炸增長和煤礦工作條件及監管技術手段的限制，監管部門無法準確、及時、快捷、高效的掌握煤礦現場瓦斯抽采和發電利用情況[4-5]。

煤炭工業已經進入了由“兩化融合”向“互聯網+”轉變的新階段，實現信息化、自動化和網絡化發展是必然發展趨勢[6-8]。貴州省煤礦瓦斯抽采和發電利用監管技術發展來說，需解決2 方面問題：一方面是，融合多源異構數據，實現監測數據的在線實時診斷和異常信息預警[9-11]，提高補助資金基礎數據的準確性；另一方面是，增加移動通訊接口和模塊，實現瓦斯抽采和發電利用信息的靈活掌握，即不受工作時間和地點的限制，就能實現監測數據的方快捷查詢和關聯分析[12-14]。在此背景下，建立貴州瓦斯抽采與發電移動監測平臺，通過監控數據采集和融合、移動查詢平臺建設、網絡管理終端開發及異常推送機制構建，實現對瓦斯抽采和發電利用補助資金管理的保駕護航。

1 功能與開發設計

根據瓦斯抽采和發電利用監測管理需求，提出了基于SOA 架構的平臺總體設計框架，實現瓦斯抽采、發電子數據庫管理，以及數據集成、共享發布與決策支持等功能。

系統設計遵循“全組件、面向服務、可擴展、可移植”的原則，選擇“核心層-組件層-功能層-應用層”的數據處理平臺4 層系統架構。核心層主要封裝煤礦空間數據管理、分析處理、專業算法等模塊，是基于C++程序設計語言的源代碼級封裝，可直接或通過.Net、JNI 等方式被上層的組件層調用。在核心層中開發多源數據引擎來實現數據庫的管理。不同的數據源存儲空間數據的格式可能存在一定的差異，但引擎反饋給應用層的數據流必須是經過規范化的數據。組件層按照統一的體系結構劃分封裝核心層的各個模塊，都包括數據對象模塊、數據組織管理模塊、數據訪問引擎模塊、算法和分析模塊、可視化制圖模塊等。功能層按照煤礦瓦斯地質圖制圖的相關需求，開發出來的應用功能模塊。功能層主要包括基礎功能模塊和專業功能模塊，其中基礎功能模塊提供一般的圖形編輯、數據操作等功能；專業模塊則分抽采和發電。應用層具有基于Windows 的桌面平臺和基于Android 的移動平臺。

2 瓦斯抽采與發電移動監測平臺

2.1 抽采監控系統數據集成

精準把握瓦斯抽采的真實計量能夠為瓦斯發電利用數據準確計量提供幫助，瓦斯抽采量一定程度上決定了最大瓦斯發電量。依據全省煤礦瓦斯發電利用監控系統存儲內容和結構，構建瓦斯抽采數據采集、集成、存儲數據庫模塊。貴州省瓦斯抽采數據采集和存儲量巨大，包括500 余對礦井瓦斯抽采監控系統的瓦斯濃度、壓力、流量等關鍵監測數據的動態采集與集中存儲[15-16]。建立貴州地區礦井統一的瓦斯抽采數據存儲格架和時空數據庫，采用基于大規模時間序列數據存儲方式，實現數據低成本存儲和高性能擴展，并做好數據預估，以保障有效數據存儲可達5 年左右。通過統一時態-地理空間數據庫，實現采集數據的內核表示、時空索引、疊加計算及復雜邏輯條件下的快速查詢；進而通過海量時態-地理數據庫結點構成并行分布式的時空數據庫集群，并通過全局時空索引、全局關鍵字索引、全局值索引等方式，完成海量瓦斯抽采監控數據流的存儲以及多模方式（關鍵詞、時空約束、數值約束）的快速查詢。

2.2 發電利用監控系統數據集成

同抽采數據集成融合相同，基于現有瓦斯發電監控數據結構，建立瓦斯發電利用監控系統數據采集接口和專用存儲數據庫，進行下屬所有礦井監測數據的連續、穩定采集和集成存儲。為保證監測監控系統的安全，采集接口采用單向采集模式（即只從監測監控系統讀取數據，而不允許寫入任何數據）。

建立發電利用監控系統數據采集及集中融合管理服務，實時監測和采集發電利用計量參數，包括瓦斯濃度、流量、純量、發電量等，并將關鍵參數的傳感器數據進行獨立的動態的采集和存儲，方便溯源審計。

2.3 移動監測終端

從移動終端和電腦終端2 方面開發貴州省監測監控數據網絡查詢終端，使用戶不受工作狀態限制，進行監測監控數據的及時顯示、方便查詢與分析。移動監測終端APP 如圖1。

基于對應與統一的關系，從貴州省管理部門和數據歸屬礦井2 級角度考慮，開發省級終端能按礦井顯示、查詢所有礦井數據，礦井終端只能顯示、查詢歸屬礦井的監測監控數據；終端首先按瓦斯濃度、壓力、流量、發電量等各種監測傳感器類型進行引導，使用戶可以方便的查找到某一類型的所有數據，然后顯示不同傳感器的實時值、時間和安全狀態，數據采集狀態異常，則提供報警。例如，瓦斯抽采流量數據采用表單方式進行統計，在瓦斯抽采模塊中，根據輸入日期對抽采計量監測異常數量指標進行統計（圖1（a）），實現過程中，主要運用jQuery表單控件對空間數據庫發送的數據在移動端進行顯示格式的優化。

圖1 移動監測終端APPFig.1 Design of mobile monitoring terminal app

為方便省管理部門及下屬礦井的技術及管理人員的統計分析，為移動終端提供按時間、地點、傳感器類型、傳感器名稱（或編號）等要求的查詢功能，查詢結果以統計報表、變化曲線等多元化形式展示，提供數據統計功能。在數據統計方面，運用jQuery 繪圖插件將數據轉換為圖表，提高數據的直觀性，更適合比較和分析瓦斯抽采和發電利用不同時段或鄰近礦井的數據，為數據真實性提供參考。APP 具體實現過程以瓦斯抽采量統計為例，該過程主要將瓦斯抽采量數據轉化為柱狀圖（圖1（b）），jQuery 繪圖插件通過網絡對從服務器獲取到的數據進行處理和封裝，讓這些封裝好的數據在設置好的圖表樣式中表現出來。

移動終端基于Android 開發APP，APP 對通訊網絡移動終端和提供了廣泛的兼容性，支持多種通訊網絡和移動終端，通過WIFI、4G、5G 等網絡連接來和服務器建立聯系，并通過中間件和空間數據庫交互數據。空間數據庫服務器由1 個服務器集群組成，包括云服務器、GIS 應用服務器、數據庫服務器。移動終端APP 查詢統計功能以模塊的形式存在，模塊與模塊之間相互依賴性較低，單個模塊可獨立進行某種功能實現，這樣有利于功能的擴展，形成多種多樣的功能組合，滿足不同層級用戶的需要。通過移動端App 開發，搭建了1 個瓦斯抽采發電信息化應用擴展渠道，移動查詢App 運行流暢，界面簡潔，數據穩定，不受移動手機類型影響，可以讓監管者不受空間和時間束縛，實現在任何地點、任何時間對瓦斯抽采和發電計量數據真實性實施有效的監管。

3 監測數據異常推送機制

平臺采集瓦斯抽采和瓦斯發電利用數據，根據傳感器實時監測數據，有超過異常模型臨界值等情況，根據制定的信息推送規則，將異常信息第一時間推送給相關管理人員和基礎礦井，同時，可按時間、位置等關系進行異常信息方便查詢，監控系統數據融合及移動查詢模塊架構如圖2。

圖2 監控系統數據融合及移動查詢模塊架構Fig.2 Monitoring system data fusion and mobile query module architecture

以現有LAN、云網絡、WSN、GPRS 無線接入技術為核心構建監測網絡體系，具有傳遞速率快、可靠性高、時效性強的特點，可實現政府-企業-煤礦信息同步化。采取TCP/IP 協議將監測中央服務器整合后的信息和數據上傳至云端存儲并共享，通過移動手機、掌上電腦、有線終端進入系統進行實時查詢。

監控異常數據推送是監測平臺的重要組成部分。由數據集成整合模塊生成或導出的瓦斯抽采濃度、壓力、存量、瓦斯發電量等信息，經過在線診斷識別后，最終將集成在監控預警發布系統，將監測的異常信息第一時間、合理推送給各級管理部門和歸屬礦井的相關領導。監測數據異常診斷識別是通過建立多指標體系的異常診斷模型，計算各指標的隸屬度函數，計算各指標的權重值，從而將多指標進行歸一化處理，最終由各指標得分疊加計算獲得瓦斯抽采和瓦斯發電利用監測異常診斷結果，評定異常級別，進行異常數據多維度分析，監管部門根據分析結果實時掌握瓦斯抽采和發電利用情況，制定管理方案[2]。

聯合上述抽采監控系統、發電利用監控系統的數據融合及移動查詢功能模塊，形成貴州省統一的煤礦瓦斯抽采利用監測綜合管理平臺，通過移動網絡和局域網，均能查詢所有礦井系統關鍵信息。同時，預留平臺數據接口擴展功能，為后期數據網絡融合與管理等功能擴展提供基礎和方便。

4 結 語

通過構建貴州省級瓦斯抽采與瓦斯發電實時監測和移動查詢平臺，對礦井瓦斯抽采泵進入端、輸出端、瓦斯發電站輸入端的瓦斯抽采濃度、流量、純量等數據實現集中遠程在線實時監測及查詢，發現數據異常能夠系統能夠實時診斷與預警；對每個礦井、每個區域及全省的煤礦的瓦斯抽采量、瓦斯利用量、利用率、利用效率等情況進行實時監測、統計與分析；通過對瓦斯發電量與瓦斯利用量的比值對瓦斯發電機組的運行狀況進行監控與故障診斷；對相關設備的運行及設備校檢記錄等進行監測和管理，確保瓦斯抽采及利用設備的有效運行。

通過平臺建設，實現動態監測數據移動在線查詢、診斷分析、集中管理，使生產、技術、監管部門實時獲取有效信息，實時全面掌握礦井動態，為礦井瓦斯抽采利用獎補資金兌現提供有效技術手段，同時為及時、科學、合理的決策提供數據支撐。