智慧礦山多系統傳感層設備融合關鍵技術

陳 杰

（1.中煤科工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）

2021 年中下旬，由國家能源局與國家礦山安全監察局印發的《煤礦智能化建設指南（2021 年版）》文件[1]中針對災害風險與災害超前干預、應急救援指揮與避險規劃等方向提出智能安全監控系統建設專題[2]，并詳細說明了建設內容，自此安全監測監控系統進入“多系統互聯，全面感知”[3]階段，同時對分站等邊緣層設備要求計算能力更強[4]、數據處理更快、邏輯控制更穩。

在煤礦智能化趨勢下，相近區域內的各類安全監測系統的大量傳感層設備會同時接入邊緣層設備，部分傳感器不僅僅只是采集數據，還要根據傳感器的數據與狀態做相應邏輯運算，以安全監控系統中對甲烷傳感器閉鎖要求[5]：當實時數據達到閉鎖值時需要執行閉鎖，并且故障時也要執行閉鎖。這樣對于采集層的分站來說，不僅要實時采集數據做超限判斷，而且要求數據處理不丟幀，減少因丟幀導致的故障閉鎖發生。根據現場反饋，大部分的誤斷電來自故障閉鎖，一部分的超限閉鎖來自甲烷傳感器冒大數。傳感層設備融合[6-7]不僅要求邊緣層設備需要具備多類型、多數量的現場總線接口，而且還得具備多種工業協議[8]，這樣分站具備了傳感層設備的統一采集基礎；同時傳線層設備融合還要分析各類傳感層設備的共性特點[9]，建立邊緣設備數據采集中間層軟件[10]，通過創建傳感層設備統一采集模板實現采集線程與數據處理線程間的解耦[11]，通過減少邊緣設備適配傳感設備次數實現傳感層設備動態加載，這種模式既減少相近區域邊緣設備的數量[12]，又達到了傳感層設備統一采集目的。

所以要在邊緣設備層實現多系統傳感層設備的融合[13]，需要解決以下3 個關鍵技術：①傳感層設備的統一采集；②數據緩存不丟幀；③異常數據的實時檢測[14]。

1 多系統傳感層設備的統一采集技術

各類煤礦監控系統的傳感層設備由各種各樣的傳感器組成，這些傳感器根據監控系統的類型不同，技術參數、接口類型等關鍵參數也隨之不同，但是傳感器之間存著一些共性，利用這些共性，抽象出傳感器標準化模板，設計采集中間層軟件，實現傳感器數據的統一采集。

1.1 傳感器共性標準化

傳感模塊屬性相關的信息包括制造廠商、模塊型號和產品編號，提取這些特性作為標準化模板的統一采集基礎，傳感器共性圖如圖1。

圖1 傳感器共性圖Fig.1 Sensor commonality diagram

傳感器通信接口總體設計為3 類，分別為現場總線型、節點型、以太網型，現有礦用傳感模塊選擇的接口均為這3 類中之一。探頭接口包含了模塊內部各種傳感器探頭類型、單位、精度、名稱、相對編號、絕對編號等主要信息，相對編號標注出單個傳感模塊與通道之間的關聯，絕對編號指單個傳感模塊在全局模塊中的對應編號。函數庫是根據傳感器的通行方式、探頭接口等點動態加載相關函數。

1.2 數據采集中間層軟件

數據采集中間層軟件邏輯架構分為應用層、核心層、驅動層和接口層4 層。應用層是為上層操作系統提供的應用接口；核心層負責周期性從各傳感器通信接口采集傳感器數據，分為接口處理程序和周期采樣程序2 部分，周期采樣程序負責依據各傳感接口定義配置定周期向傳感接口發送數據采集函數，接口處理程序負責接收數據采集指令，并將采集到的數據包整理為統一的標準格式；驅動層包含系統內所有傳感設備和功能指令的驅動庫；接口層根據系統內的接口類型進行配置。傳感器數據采集中間軟件體系結構如圖2。

圖2 傳感器數據采集中間層軟件體系結構圖Fig.2 Structure diagram of intermediate sensor data acquisition software

數據采集中間層軟件通過讀取傳感模塊的驅動程序和配置信息完成初始化接口后即可執行數據采集任務，驅動程序和配置信息按照制定的傳感模塊特征描述表獲取和保存所需的信息。在配置文件中，所有根節點都與某一個傳感模塊一一對應，數據采集設備不同對應的配置文件信息也不同，因此在配置文件中每個節點結構也不同，對此通過編寫特定的程序來區分設定傳感接口配置信息。中間層軟件先進行傳感模塊的確定，當識別成功后讀取傳感模塊配置信息，并且查詢初始化函數的地址，訪問相應的初始化函數完成傳感模塊初始化任務；通過構建1 個包含全局的配置文件，可完成對傳感模塊實時掃描、自動更新，增強了傳感模塊的擴展性。

1.3 統一的數據格式封裝

煤礦安全監控系統中包含傳感模塊種類多，各廠商的通訊協議和控制指令存在差異，無法共通。在分站中，數據采集語句通過中間層軟件向上層發送統一的協議編碼和訪問指令等原語句，這些原語句再被解析映射成各廠商的控制指令語句以便能與傳感模塊硬件識別溝通，當系統存在同類型的傳感設備的替換、添加、刪減，分站可直接識別傳感設備狀態。分站需要收集數據時，先與中間層軟件建立連接，然后尋址數據配置信息，設置采集周期，然后調用采集函數對傳感模塊進行周期性采集數據工作。

底層數據協議和格式各不相同，需要將數據整合，封裝在協議數據單元中形成統一的數據格式，簡化上層應用軟件對接受到的封裝數據包進行解封裝處理，消除數據協議不同產生的差異。傳感器數據統一封裝格式如圖3。

圖3 傳感器數據統一封裝格式Fig.3 Unified packaging format of sensor

傳感數據封裝的處理方式步驟如下：

1）首先從解析采集的底層數據標識段中識別出設備類型，然后給采集傳感設備名稱、地址等信息賦值存儲，并根據監控系統預設的配置接口信息進行排序，按最后整理的數據組依照規定的統一協議進行數據封裝。

2）封裝好的數據包分為元數據和傳感數據2 部分對傳感設備進行描述。其中元數據主要包含傳感設備自身的名稱、監控類型、地址信息和傳感模塊數量信息；傳感數據主要包含當前累計采集量數據、實時采集數據、采樣時間、實際采集探頭數據信息。

3）將所有監控系統所需數據按照統一格式進行數據封裝，分站的數據處理進程可通過協議對封裝后的數據包進行解封處理并提取所需數據，促進了異構數據采集的集成化，解耦了數據處理與數據采集進程之間的耦合性，促進了數據處理進程的便捷。

2 采集數據不丟幀技術

結合線性表的順序存儲和鏈式存儲各自的優勢，采用隊列的數據結構設立數據緩存隊列和數據溢出隊列雙緩存隊列[15]。數據緩存隊列負責將連續的實時幀數據進行緩存，預分配指定的內存空間來存取數據，由于每個數據幀的長度是不確定的，數據結構以鏈式隊列構成單鏈表環形結構作為多線程數據存儲結構，避免頻繁malloc 和free。多線程可同時讀寫不同的區域，既具備鏈式存儲動態申請內存，每個結點都由數據域與指針域2 部分組成增加存儲空間能力，又解決頻繁申請釋放內存可能存在效率問題和產生的內存碎片。

2.1 多線程安全

在數據通訊上采用多線程技術達到系統數據并發執行實現與多路傳感器同時進行數據通信，但是多線程同一時間讀取數據幀緩存隊列時會出現多個線程同時對同一隊列訪問操作沖突，導致程序或者數據異常，或者某一線程在進行讀、改、寫過程中被其他線程打斷，再恢復寫的流程打斷導致寫的效果被覆蓋等造成系統錯誤，甚至如在IAP 升級時導致系統崩潰[16]，這類問題常采用條件鎖、信號量、互斥量等方式在多線程訪問臨界區時進行同步控制和保護。綜合以上方式的優勢，總結可行的設計方案：條件等待是多線程通訊同步的一種方法，判斷條件滿足與否以決定線程是否執行。當條件不滿足時候，掛起線程；當條件滿足時，讓信號量發送通知進程，允許訪問臨界區。當有且只有1 個線程時，如果條件不滿足則此線程會一直進入掛起線程循環，一直無法變成滿足條件。所以必須建立1 個線程，用于可操作，使共享變量發生改變，讓原來無法滿足的條件變為滿足，并且通知對此條件變量判斷等待的線程。

2.2 隊列的入隊與出隊算法

數據溢出隊列會存儲數據幀存入數據緩存隊列時出隊數據小于入隊數據，造成存儲空間不足溢出數據緩存隊列的部分數據，當數據緩存隊列釋放足夠的空間后，數據溢出隊列將溢出部分的數據同步到數據緩存隊列。數據溢出隊列屬于數據緩存隊列臨時的存放空間，使用的頻率較低，使用時一次性申請內存，在數據完成同步后釋放溢出隊列空間。隊列結構分為頭指針front、尾指針rear 和計數器節點cnt 3 個結構組成，front 與rear 用于進行入隊、出隊，隊列的入隊只允許尾指針操作，rear 增加1 位，隊頭front 不允許修改；隊列的出隊列只允許隊頭操作，front 增加1 位，隊尾rear 不允許修改。數據域自身的信息無法體現當前隊列可否寫入，cnt 作為額外標記表示當前隊列的元素個數。向數據緩存隊列存儲數據首先判斷隊列是否已滿，當cnt 等于隊列預設的節點數量，表示隊列已滿，無法寫入；不相等說明隊列還有空位置；如果cnt 為0，表示隊列為空。對計數器節點cnt 的操作可防止入隊、出隊假溢出。出入隊操作示意圖如圖4。

圖4 出入隊操作示意圖Fig.4 Schematic diagram of entry and exit operation

入隊操作時，在判斷數據緩存隊列是否已滿隊，如果隊列未滿，將數據插入緩存隊列，如果隊列已滿隊，將數據插入溢出隊列。通過計數器節點cnt 確定數據緩沖隊列狀態，是否回收緩沖隊列冗余空間；若數據緩存隊列非滿，判斷溢出隊列是否非空，溢出隊列非空則表示隊列中有數據，將溢出隊列數據轉入緩存隊列。在出隊列操作時，首先判斷緩存隊列是否為空，如果隊列不為空則表示隊列是存在可讀數據的。預設1 個長度為L 的隊列，使front 和rear 始終保持2 個字節的長度，當有1 個數據入隊使head循環增加1，當有1 個數據讀出tail 循環增加1。在讀寫時，2 個指針繞著緩存隊列以不相對的速度旋轉。當有數據寫入頭指針更新，當頭指針指向緩存隊列末尾，頭指針會回到隊列初始位置；當頭指針遇到尾指針，停止頭指針更新，此時表示緩沖區已滿，數據無法寫入；當尾指針指向頭指針，表示緩沖區已空，數據傳輸任務完成。

2.3 數據同步與冗余回收

緩存隊列定義為Qbuf，溢出隊列定義為Qof。將Qbuf 的rear 隊列Qof 的front，Qbuf 的rear->next 隊列Qof 的rear，將Qbuf->rear->next 指向Qof 的rear，Qbuf->rear 指向Qof->front 獲取Qbuf 的隊尾節點地址。保證緩存隊列中有且至少有1 個節點可執行數據寫入，以保證多線程操作過程的安全性，提升實時性[17]，避免同步過程中緩存隊列中的節點發生混亂的情況。如果Qbuf 隊列處于已滿時執行數據同步操作，通過Qbuf->rear 的 位置判定是否有數據需要出隊。若此時停止入隊操作，Qof 收到的同步數據將會同步到Qbuf 的隊列末尾后完成出隊，Qbuf->head 指針錯誤偏移將導致節點數據混亂。

若緩存隊列的cnt 不為0，表示在緩存隊列中存在冗余節點，可以對緩存隊列Qbuf 中的冗余空間回收，通常的算法是臨時申請1 個指針t 作為臨時節點，指針t 指向可回收的冗余空間。改變rear 指針指向Qbuf->rear->next->next，釋放t，cnt 減1。進行榮譽空間回收需要保證至少有2 個可寫入的空間，若只有1 個可寫入空間，則在寫入數據時根據front 當前的位置可明確Qbuf 隊列在進行出隊任務，如果再此時暫停，將t 指向待回收的冗余節點，并釋放空間。在繼續出隊操作時，由于原隊列待出隊節點已經被釋放，Qbuf->head 已經下移，指針會指向位置的指針域，造成指針越界的情況，需要對這類問題在多線程數據采集合數據處理中發生。

3 傳感層設備數據異常檢測技術

各類煤礦監控系統的傳感層模擬量設備具備相鄰的“采集-傳輸”周期數據不突變的特點，分站采集傳感器數據在時間軸上是單調遞增，具備連續性，所以可采用從正常的時間序列中觀測某一時刻的實時數據與該時間序列的期望值不同的方法識別這一時刻數據是否異常。利用邊緣分站采集到的傳感層設備數據的時間序列連續性特點，以時間數據序列中離群點的識別為檢測基礎，通過計算某一時刻實時數據的相對離群距離，實現傳感層設備數據中可能出現的異常進行檢測，并對檢測到的數據進行有效的平滑操作，達到保留采集到的傳感層設備數據中層的數據波動，過濾非正常波動范圍的異常數據的目的。異常檢測算法流程圖如圖5。

圖5 異常檢測算法流程圖Fig.5 Flow chart of anomaly detection algorithm

嚴格按照傳感層設備數據的時間序列表示形式為：TSi=｛s1，s2，s3，…，si，…，sn｝，其中，si用（vi，ti）表示ti時刻的具體采集到傳感層設備的數據值vi，引入滑動窗口SW 用來保存Si待計算的數據，并且約定滑動窗口的時間序列數據ti不被作為計算因子，Len＿sw 表示滑動窗口的長度，滑動窗口的離群距離dis’o 可根據式（1）計算，當前vi的相對離群距離dis’r 可根據式（2）計算。

算法具體的實現步驟描述如下：

1）定義主要變量。異常序列存儲隊列qTS，滑動窗口長度Len＿sw，當前移動長度Len＿move，相對離群距離閾值定義（輸入）εdis，每次最小滑動距離εsize。

2）所有待計算的數據，根據滑動長度Len_sw 大小，裝載到SW 隊列，并利用式（1）計算當前離群距離dis’o。

3）在當前SW 隊列中依次取傳感器的數據vi，并根據式（2）計算dis’r。

4）判斷vi的相對離群距離dis’r 大于εdis，并且判斷當前序列剩余長度每次最小滑動距離εsize。

5） 如果步驟4） 為真，以vi為中心，從vi－Len＿move－1 到vi＋Len＿move 為子序列長度，生產子序列Tsub，放入qTS，并計算生產新的dis’r，返回判斷SW 當前是否有數據。

6）如果步驟4）為假，返回判斷SW 當前是否有數據。

7）判斷qTS 是否有子序列，如果真執行步驟8），否則（假）返回判斷步驟2）。

8）在qTS 子序列隊列中取出Tsub，并計算dis’r。

當Tsub 子序列中出現vi的dis’r 大于εdis，并且Tsub 的長度小于εsize時，將這個時刻出現的傳感器數據vi標記為異常數據，并放入異常集合。

4 結 語

針對國家能源局、國家礦山安全監察局在2021年下發的《煤礦智能化建設指南（2021 版）》文件中智能安全監控系統對多系統井下融合及“人－機－環”應急聯動的需求，分析了不同系統傳感層設備共性特點以及實時采集的數據不定期誤報、冒大數等問題。同時，從邊緣計算設備的角度結合智能礦山發展趨勢對井下多系統融合數據采集處理的實時性與不丟幀的要求，深入研究了傳感層設備的統一采集、采集數據不丟幀、傳感層設備數據異常檢測等3個關于多系統傳感層設備融合的關鍵技術，提出了采用數據采集中間件方法建立統一采集體系結構、采用雙緩存隊列實現多線程間數據采集不丟幀、采用以時間序列為計算因子的傳感層數據異常實時檢測算法，實現了多系統傳感層設備的統一采集。