貴州煤礦智能化系統運維服務平臺設計

汪 杰，王春華，李曉華，3，余克莉莎，任富強

（1.貴州省礦山安全科學研究院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；3.河南理工大學 安全學院，河南 焦作 454003）

煤礦智能化是煤炭工業發展的新階段，煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[1]。我國煤礦智能化發展處于初級階段，為了加快煤礦智能化建設，近年來國家和省出臺多項相關方案和政策，支持煤炭工業轉型升級，加快煤礦智能化機械化改造，促進煤炭產業高質量發展[2]。2017年以來，貴州省積極響應國家戰略，大力推進煤礦“兩化”建設，提出到2020年采煤機械化率達到96%、輔助系統智能化、信息化服務管理等達到100%的目標[3-4]。截至2019年12月底，全省生產煤礦采煤機械化率達到87%，輔助系統智能化實施覆蓋率達到86%，通過輔助系統智能化升級驗收的煤礦184處，通過采煤工作面智能化升級驗收的煤礦10處，通過綜合機械化改造的68處，有效改善工人作業環境，促進了煤礦安全生產水平的提高和勞動效率的提升，“兩化”建設初見成效[5-6]。隨著貴州省各煤礦智能化升級改造項目陸續完成，對建成后的智能化系統進行長期運維尤為重要，但目前國內尚無成熟的運維服務體系可供參考。為了保障現有煤礦智能化系統安全穩定運行，貴州少數大型煤礦企業嘗試自建設備管理系統，自主培養運維人員，在實際應用中取得了一定的效果。但由于貴州省以中小型煤礦企業為主，在升級改造完成后的運維階段依然存在以下關鍵問題[7-9]：①煤礦智能化系統專業性強，企業專業技術人才匱乏，現場人員不具備及時解決運行中重大問題的能力；②煤礦企業不具備對智能化系統運行狀態進行實時監測分析的能力，企業與運維服務機構間存在信息孤島；③貴州煤礦偏僻分散，不利于運維服務機構建立集中運維服務點，零部件發貨時間偏長，相關維護人員不能及時到達現場排除系統故障。以上問題致使智能化系統運行不正常或停運現象時有發生，給煤礦安全高效生產帶來極大風險。

近年來，貴州省委、省政府提出大力發展以大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術產業為代表的戰略性新興產業，率先將其作為貴州經濟社會發展的戰略決策，作為貴州轉型發展、跨越發展的重要途徑，在助推實體經濟高質量發展發面取得了顯著成效[10-11]。為此，以貴州能源智慧管理體系建設為契機，借助貴州省煤炭產業發展相關政策，基于云計算和大數據技術[12-14]，設計了貴州省煤礦智能化系統運維服務平臺，旨在破解智能化系統運維集成度低、投入人力多和維護成本高等系列難題，為貴州省煤礦智能化系統正常運行保駕護航。

1 平臺總體架構

基于B/S架構設計了貴州煤礦智能化系統運維服務平臺。平臺總體架構自下往上可分為：數據采集層、支撐層、應用層及用戶層，平臺總體架構如圖1。

圖1 平臺總體架構Fig.1 Overall architecture of the platform

1）數據采集層。數據采集層的信息來自煤礦智能化系統設備采集的實時數據和貴州省煤礦基本信息采集系統采集的基礎數據；基礎數據采用編寫API接口的方式調用貴州省煤礦基本信息采集系統[15]采集的數據；煤礦智能化系統設備運行實時數據上云，采用礦端采集網關和云端數據配置相結合模式、VPN加密單向傳輸模式來實現，同時運用MQTT協議Json格式進行數據推送。

2）支撐層。主要包括云架構IaaS（Infrastructure as a Service）層和PaaS（Platform as a service）層功能。IaaS層提供虛擬服務，將各相關物理資源通過虛擬化軟件構建為底層虛擬資源池。計算數據資源均存儲在虛擬資源層。PaaS層為用戶提供數據導入的管理、平臺軟件開發等服務。PaaS層將數據通過預處理，按照不同的主題建立數據倉庫，實現大數據的在線（Strom、Spark Streaming）和離線（Hadoop、Spark）計算，結合煤礦安全知識庫、故障字典庫及設備關鍵技術庫等，通過虛擬化手段實現系統應用的算法調度與資源調度，為應用服務提供支撐。

3）應用層。主要為用戶提供所需要的應用服務，對應云架構SaaS（Software as a Service）層功能。該層主要是依托“云上貴州”云平臺強大數據存儲和數據挖掘分析能力，以智能化系統的監測及故障分析結果為基礎，為煤炭行業監管部門、煤礦企業以及運維服務機構提供應用服務。

4）用戶層。通過不同用戶權限配置，采用“一站式”登錄方式，為不同用戶提供應用服務。用戶可以利用PC、平板電腦和筆記本等多媒體設備，通過瀏覽器（IE/360/Chrome）訪問云數據中心的Web服務器，獲取所需應用服務。

5）標準規范體系。遵照國家的各項煤礦安全生產信息化標準規范，為系統間信息交換和共享提供技術規范。

6）安全運維保障體系。主要為采集層、支撐層、應用層以及用戶層等提供統一的信息安全、運行維護和運行管理等服務。

2 平臺構建關鍵技術

1）煤礦智能化系統實時數據上云。采用大數據、智能硬件等技術對智能化系統相關設備的基礎信息進行統一編碼，制定設備運行數據上傳要求，統一智能化數據的上傳格式，采用礦端采集網關和云端數據配置相結合模式[7]，運用MQTT協議Json數據格式進行數據推送，實現智能化系統實時數據上云。主要流程：①礦端采集網關和云端的數據應用統一結合，礦端MQTT推送數據只包含測點編碼和測點數值；②礦端調用云端的測點描述API對各個測點進行準確描述，其它信息由編碼可以獲取，云端后臺對礦端推送的數據進行解密入庫；③云端建立流媒體視頻流管理平臺，實現礦端網關的視頻流的推流拉流管理，保證一路通道上傳即可在云端進行多客戶端的復用，當礦端推送的媒體沒有客戶端觀看時云端通知礦端不再推送，實現按需要推送減少帶寬的占用。智能化數據上云流程如圖2。

圖2 智能化數據上云流程Fig.2 Intelligent data cloud process

2）煤礦智能化系統監測及故障分析。運維服務平臺接收到智能化系統運行實時數據后，對數據進行預處理（清洗、加工、存儲），調用故障算法庫，通過已構建的閾值、平均值、方差以及上下限等數學算法模型進行故障分析（預判設備故障或參數異常），發布智能化系統的運行狀況是否正常，并把數據分析結果推送給煤礦企業及運維調度中心。智能化系統故障預判流程如圖3。

圖3 智能化系統故障預判流程Fig.3 Intelligent system failure prediction process

3）SaaS云服務模式。運維服務平臺基于SaaS模式為用戶提供云服務，用戶通過接入互聯網就能夠獲取平臺相關應用服務，簡單方便，不需要用戶進行軟件開發，也無需要管理底層基礎設施資源，即可實現對智能化系統設備運行實時情況的查看、監測監控和智能化系統運維服務。

4）平臺安全。平臺數據資源作為故障分析依據與載體，必須做到高度的安全可靠，才能夠保證評估與決策體系的正常運轉。要充分考慮到各方面的因素對平臺數據信息資源的攻擊與破壞，充分利用現有成熟的信息安全技術手段、采用容災備份機制等方法，確保數據資源在受到異常攻擊時的安全穩定，同時在存儲數據被破壞的情況下，能提供最快的數據和系統的恢復能力。運維服務平臺的安全主要基于“云上貴州”提供的安全防護，用戶不用考慮數據丟失及病毒入侵的情況。

3 平臺功能模塊

運維服務平臺主要服務于煤礦企業、運維服務機構、運維調度中心及煤炭行業監管部門，不同用戶輸入分配賬號和密碼即可登錄平臺獲取相關應用服務。平臺功能模塊主要包括監測及故障分析、煤礦企業服務、運維派單、運維人員物資管理、運維機構服務、信息發布、培訓服務、運維調度指揮、運維服務監管、運維后臺管理以及手持終端APP等子系統，平臺功能模塊架構如圖4。

圖4 平臺功能模塊架構Fig.4 Platform function module architecture

1）監測及故障分析子系統。該子系統運行于運維服務平臺的后端，云平臺接收到礦端推送的智能化系統設備實時采集的數據后，進行數據的清洗、加工后，結合已構建的故障診斷模型，進行動態智能分析，并把數據分析結果推送給煤礦企業所屬煤礦和運維調度中心，實現對煤礦智能化系統的遠程定位診斷和預警，為煤礦智能化系統運維提供數據支撐。

2）煤礦企業服務子系統。可實現對本煤礦智能化系統運行分析查看以及運維報修、運維反饋等表單的填報管理，具有設備管理、故障管理、運維單管理、結算管理、企業內部運維管理、合作企業管理、黑名單管理、運維評價等功能，煤礦企業可隨時查看和掌握事件的處理進程。

3）運維派單子系統。平臺根據運維機構分布、物資實時情況、運維效率和運維服務質量等，通過智能優化分析向調度人員自動推薦最優運維派單方案，經過調度員核實下發派單通知，形成現場實施情況、運維反饋、報表生成的閉環流程，具有運維派單管理、運維派單優化分析、自動派單設置、運維派單報表等功能。

4）運維人員物資管理子系統。對納入運維服務平臺的智能化系統及運維服務機構專業運維人員的信息掌握，并對運維服務機構主要物資（交換機換機、PLC、物聯網網關、閥門及主要傳感器設備）儲備進行登記了解，具有運維人員管理、物資管理、物資申購、物資領用、倉庫管理、出庫管理等功能。

5）運維機構服務子系統。以納入運維服務云平臺的智能化系統服務信息為基礎，構建運維機構與運維平臺、煤礦企業及時溝通渠道，實現運維服務機構接單、服務礦井運行查看、服務反饋的管理，具有運維單管理、服務點管理、合作企業管理、運維評價等功能。

6）信息發布子系統。根據煤礦企業和運維機構填報的相關數據，通過大數據分析，定期發布全省各地區運維機構服務情況、煤礦智能化系統運行情況、設備優劣評估信息；定期對智能化系統運維處理及效果進行統計分析；同時發布智能化新技術、新設備、新工藝及新服務理念等。

7）培訓服務子系統。對煤礦運維人員線上培訓、對運維服務機構人員培訓與認證，實現智能化系統操作培訓的數字化，具有運維論壇、運維培訓、運維認證等功能。

8）運維調度指揮子系統。該子系統服務對象主要面向運維調度機構和煤炭行業監管部門，以大屏為載體，借助GIS可視化技術展示接入平臺煤礦、平臺簽約煤礦、運維機構、運維人員、運維倉庫、運維物資等分布情況；借助圖表數據可視化技術展示運維統計、故障類型分析、最近預計完成的運維單以及運維的實時動態等情況，實現對平臺運維人員和物資最優調度和配置，同時為調度人員提供及時、準確的數據依據，確保礦井智能化系統的正常運行。

9）運維服務監管子系統。該子系統服務對象主要面向煤炭行業監管部門，以大屏幕為載體，借助GIS、數據圖表等可視化技術實現煤炭行業監管部門對煤礦智能化系統使用情況、設備質量情況、運維服務機構服務質量等的監督和管理，具有建設監管、使用監督、運維監管、隱患預警、實時視頻調取、生產工作報表等功能。

10）運維后臺管理子系統。通過運維后臺管理子系統一是為保障用戶的安全；二是能夠實現數據資源查詢檢索、數據備份及恢復、數據庫用戶權限管理、數據庫日志管理等。具有平臺用戶權限管理、角色管理、運維數據管理等功能。

11）手持終端APP。主要用于運維移動辦公，不同權限用戶可享有不同的應用服務。具有煤礦企業服務的故障管理、運維單管理、評價中心、接受時故障信息推送等功能，此外還可以通過手持終端APP的工業視頻查看自己煤礦設備運行情況；具有運維派單的派單服務功能；具有運維服務機構服務的接單管理、我的運維單、運維機構評價、我的評價等功能；具有運維人員物資管理的運維物資、物資申請、物資申請審批、出庫管理、物資申購、物資申購審批等功能。

4 平臺業務流程

平臺業務流程從煤礦企業服務子系統的故障上報開始，有系統上報和人工上報2種，人工上報由人工操作完成，其中包含有設備保養/升級，系統上報主要是依托平臺后端的監測及故障診斷分析子系統，通過該子系統檢測出故障，煤礦管理人員進行故障現場確認，為了便于故障能夠及時上報，可通過手持終端APP進行運維事件推送，同時也可在平臺選擇煤礦企業自主運維。其間涵蓋了運維派單子系統、運維服務機構子系統、運維人員物資管理子系統，主要包括運維機構選擇、派單、維修估價、運維人員分派、物資申請、運維訂單填寫以及運維訂單提交等業務流程，最終以客戶確認為流程結束。

煤礦自主運維有3種入口可選擇：第1種從故障上報開始，選擇煤礦自己維修，安排運維人員進行維修，填寫運維明細，最終以提交運維訂單結束煤礦自主運維流程；第2種從運維管理中的新增運維開始，選擇煤礦自主維修，安排運維人員進行維修，填寫運維明細，最終以提交運維訂單結束煤礦自主運維流程；第3種采用手持終端APP的企業內部運維管理中的新增運維作為煤礦企業自主運維入口，選擇運維類型，安排運維人員進行維修，填寫運維明細，最終以提交運維訂單結束煤礦自主運維流程。

5 結語

貴州省煤礦數量眾多，企業位置分散，多以中小型煤礦企業為主，煤礦智能化升級改造項目已陸續完成，保證煤礦智能化系統安全正常運行已勢在必行。貴州煤礦智能化系統運維服務平臺依托云計算資源，實現對煤礦智能化運維資源的有效整合，降低煤礦企業智能化系統運維成本，結合大數據技術以監測及故障分析子系統為支撐，實現對煤礦智能化系統的風險預判，為煤礦智能化系統安全穩定運行提供堅實的保障。貴州煤礦智能化系統運維服務平臺建設有利于政府監管部門對煤礦企業、運維服務機構及運維調度中心等的監督和管理，保證政府監管部門監察效能，進而促進煤礦智能化高質量發展。