智慧礦山安全生產管理系統設計

王雪妮，韓國鋒

(1.楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100；2.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

我國煤炭資源儲量十分豐富，截止至2019年，我國已探明煤炭儲量達到1 145億t，位居世界第3，占全球已探明儲量的11%。在我國工業化發展進程不斷加速的大背景下，國內工業生產對于煤炭資源的需求量也越來越大，全球煤炭產品市場約有35%的供給來自中國，因此國內煤炭的開發需求也相對較大[1-5]。然而，國內煤炭開采仍然普遍存在機械化水平偏低、信息化程度不足等方面的問題，無論是生產還是管理都過于依賴人工，安全管理措施不夠規范，致使開采事故頻發。為了進一步加強煤炭安全生產管理，國家煤礦安全監察局于2015年12月22日頒布了《煤礦安全規程》，對煤礦信息在安全生產管理方面的信息化水平提出了較為明確的要求，根據《煤礦安全規程》第489條的內容“安全監控和人員位置監測系統顯示和控制終端、有線調度通信系統調度臺必須設置在礦調度室，全面反映監控信息。礦調度室必須24 h有監控人員值班”。可見國家監管部門對于礦山開發的安全管理信息化建設工作給予了高度重視。因此，新形勢下的采礦企業應當緊緊抓住當前我國信息化技術快速發展的歷史機遇，將礦山安全管理信息數字化、網絡化，提高智慧礦山的建設水平，為現場工作人員的施工安全提供更加充分的保障，堅決落實安全生產。

1 總體結構

1.1 系統總體架構設計

研究所設計的智慧礦山安全生產管理系統通過設置于礦井側的各種傳感器來采集數據，通過工業以太環網實現傳感器與計算機之間的數據交互，利用計算機中的軟件程序來轉換并處理數據。智慧礦山安全生產管理系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體框架結構

智慧礦山安全生產管理系統主要由應用層、網絡層和硬件層3部分組成。①硬件層指的是用于系統數據采集的各種硬件設備，比如視頻監控設備、控制器設備以及用于溫度檢測或氣體檢測的各種傳感器設備；②網絡層指的是用來連接硬件層和應用層的數據傳輸裝置，通過網絡通信技術將硬件層所采集到的數據上傳至Web服務器或應用層計算機設備并對數據進行處理。在《煤礦安全規程》的強制要求下，當前我國絕大多數礦井施工區域設置有工業以太環網，可實現1 000 MB以上的數據傳輸速率，可以滿足該系統在數據傳輸方面的需求，智慧礦山安全生產管理系統無需再對網絡層進行組織與設計；③應用層指的是對系統數據進行轉換與處理的核心機構，該層次中的PC計算機、微型計算機以及Web服務器中均封裝有負責不同數據處理項目的應用程序，可以將來自傳感器的模擬信號轉換為數字信號并加以計算，進而生成可供現場管理人員目測分析的文本、圖像以及視頻資料。

1.2 系統軟件結構設計

研究出于系統可維護性和可擴展性2個方面的考慮，決定采用分層的體系架構建立智慧礦山安全生產管理系統，決定基于B/S架構對系統實施開發與設計[6-10]。在軟件層面將智慧礦山安全生產管理系統劃分為表示層、業務邏輯層和表示層數據訪問層3個主要層次：①表示層指的是系統數據與業務的輸出窗口，負責通過PC瀏覽器展示系統功能界面，實現該系統與操作者之間的信息交互；②業務邏輯層負責處理來自表示層的據請求，并從數據庫中提取數據并加以分析，再將分析結果反饋給表示層；③數據訪問層主要負責建立業務邏輯層與數據庫之間的關聯，整體系統的軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構

智慧礦山安全生產管理系統表示層中的終端客戶端程序采用HTML、JS、JSP等語言進行編寫，控制層和業務邏輯層基于Java EE架構進行設計，數據訪問層基于Hibernate對數據庫數據進行管理，數據庫則采用Oracle小型數據庫。

2 系統功能設計

研究所設計的智慧礦山安全生產管理系統在功能層面由環境監控子系統、人員定位子系統、設備管理子系統、系統管理子系統4個模塊組成，具體功能模塊結構如圖3所示。

圖3 智慧礦山安全生產管理系統各功能模塊結構

2.1 環境監控子系統的構成

以環境監控子系統為例，該子系統由數據查詢分析、報警閾值設置、報警信息管理、傳感器遠程控制、傳感器運行管理5個功能模塊所組成，各模塊的具體功能如下。

(1)數據查詢分析。環境監控子系統下的數據查詢分析功能具體涉及環境報警查詢、抽放查詢、開關量查詢、模擬量查詢等不同類型。模擬量查詢又涉及模擬量統計、模擬量密采、模擬量日/月查詢、模擬量斷電、模擬量報警等功能。所涉及的開關量主要包括開關量日/月查詢、開關量斷電、開關量報警等。抽放查詢主要負責抽放數據的查詢，可按時間、設備類型、分站等基礎信息進行查詢；環境報警查詢可按時間、監控指標、分站等基礎信息進行查詢。數據查詢分析能夠幫助用戶通過一個或多個查詢條件來獲取礦山運維相關的歷史數據，為礦山施工的安全管理提供數據指導。

(2)報警閾值設置。智慧礦山安全管理系統中設置有大量不同種類的傳感器裝置，當現場各環境參數達到一定數值的情況下，系統會自動發出警報。該系統中的報警閾值設置功能可以幫助管理者根據安全管理工作的具體需求為各個傳感器裝置設置報警閾值，并對報警閾值進行編輯、添加、刪除等操作。

(3)報警信息管理。該功能具體涉及報警級別設置以及相應的管理功能，該功能模塊下的頁面會展示出系統內所有的報警信息，可以提供報警歷史查詢、報警處理以及詳情查看等服務。用戶點擊“報警處理”按鈕即可彈出“處理單”內容，無法實施在線處理的報警項目則會自動彈出“故障單”內容。在報警級別設置中，用戶可以根據報警項目的輕重來設定級別以及相應的處理方式，系統支持界面彈出、聲音報警以及短信報警等多種報警方式。

(4)傳感器遠程控制。該功能可以幫助用戶在線調整傳感器設備運行參數，并將調整結果上傳至各傳感器所在的網絡節點，進而設置或更改傳感器參數，進而實現對于傳感器的遠程控制，比如控制命令重發、下發結果查看以及控制命令下發等。

(5)傳感器運行管理。該功能負責在線監控傳感器設備當前的運行狀態，獲取傳感器運行參數，對于無法上傳數據的傳感器則僅向系統上報其網絡狀態，即判斷傳感器是否在線，可實現傳感器運行狀態的在線查詢和運行狀態查詢等。

2.2 查詢分析模塊的靜態模型設計

本次研究通過類圖描述的方式來對數據查詢分析模塊的靜態模型進行設計，闡述該功能模塊中各類以及接口之間的關系。由于數據查詢分析模塊功能較為復雜，因此僅以警閾值功能為例來闡述設計方案。

本次研究所設計的智慧礦山安全管理系統中報警閾值功能主要涉及傳感器閾值信息的編輯、添加以及刪除功能。在功能類圖設計方案以AlarmThresholdMgrAction定義為總控制類，于表示層定義AlarmThresholdAction類，具體包括delAlarmThresholdInfo()刪除方法、modifyAlarmThresholdInfo()編輯方法以及addAlarmThresholdInfo()添加方法，在系統界面中將queryAlarmThresholdInfo()定義為報警閾值信息的查詢方法。在數據庫操作方法方面，將在數據訪問層中定義AlarmThresholdDao類，將報警閾值實體對象定義為AlarmThresholdBean類，基于Hibernate框架下的配置文件建立數據庫中的報警閾值和實體對象之間的映射關系，在實際操作過程中，用戶通過AlarmThresholdBean類就可以實現對于數據庫的操作，完整的類圖設計方案如圖4所示。

圖4 報警閾值功能

2.3 查詢分析模塊的動態模型設計

仍然以報警閾值功能為例，用戶進入報警閾值功能界面后手動輸入報警閾值信息，激活表示層中的addAlarmThresholdInfo()類獲取用戶所輸入的數據，同時檢驗該數據的有效性，經由接口將數據傳輸給業務邏輯層，由該層的addAlarmThresholdInfo()邏輯方法對數據進行處理并將經過處理的數據傳輸給數據訪問層，通過該層中insertAlarmThresholdInfo()方法操作實體類AlarmThresholdBean 中所建立的映射關系，在數據庫表中插入報警閾值信息，通過returnAlarmThresholdInfo()返回添加結果，最后通過表示層中的showAlarmThresholdInfo()將添加結果展示出來，數據查詢分析模塊的動態模型設計如圖5所示。

圖5 數據查詢分析模塊動態模型

3 數據庫設計

研究所設計的智慧礦山安全生產管理系統設置有大量傳感器，在運行過程中會生產大量數據需要數據庫加以存儲與管理。這些數據有助于管理人員組織施工現場的安全生產，也有助于工程師實時觀測現場狀況，為確保傳感器數據能夠及時響應命令，應當重點做好系統數據庫設計工作，智慧礦山安全生產管理系統所使用的數據庫硬件型號為Oracle 11g，負責對系統數據進行管理與存儲。

(1)操作員信息表。該表負責管理操作員基本信息，以角色編號roleID、部門編號deptID為外鍵，以操作員編號opID為主鍵，具體設計方案見表1。

表1 操作員信息

(2)環境監控預警閾值信息表。該表負責管理環境監控預警閾值信息，以報警模板編號atID為外鍵，以記錄編號ewtID為主鍵，具體設計方案見表2。

表2 環境監控預警閾值信息

(3)短信報警模板信息表。負責管理短信報警信息，以模板編號atID為主鍵(表3)。

表3 短信報警模板信息

(4)CO采集數據信息表。負責管理來自傳感器的CO數據，以測點號mID為外鍵，以記錄編號coID為主鍵(表4)。

表4 CO采集數據信息

(5)設備故障信息表。負責管理設備故障信息，以設備故障處理單編號efhID、設備編號eID為外鍵，以設備故障單編號eflID為主鍵(表5)。

表5 設備故障信息

4 系統功能實現

研究所設計的智慧礦山安全生產管理系統基于Java EE架構進行開發(圖6),并通過該平臺下的MyEclipse工具來進行軟件開發。

圖6 數據查詢分析界面顯示效果

該軟件開發工具不僅可以實現代碼的編寫、發布、調寫等功能，同時還完美支持Hibernate、Spring、Struts、HTML、CSS、JSP等其他系統開發工具。開發環境：操作系統為Windows Server 2019 NT10.0；數據庫管理系統Oracle 11g；開發語言為Java；軟件開發平臺為MyEclipse 2020.9.16/CodeMix3；其他工具：Photoshop CC 2019、Tomcat 8、Java 1.8等。以環境監控子系統中的數據查詢模塊為例，該模塊可提供模擬量統計、模擬量密采、模擬量日/月查詢、模擬量饋電異常、模擬量斷電、模擬量報警等功能。該功能模塊下的主界面中部顯示各測點號監測實時數值，左側顯示功能導航樹型菜單，右側顯示各分站實時狀態。

5 結語

此次研究建立了一套以Java EE為主要架構的智慧礦山安全生產管理系統，并詳細介紹了該系統的軟、硬件結構與數據庫設計方案。根據《煤礦安全規程》的具體要求，提出了該系統的功能結構方案。根據Windows Server 2019 NT10.0下的實際操作顯示結果，研究所設計的智慧礦山安全生產管理系統思路明晰且數據顯示完整，對于礦山施工現場的安全管理工作具有一定的輔助作用。