礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳華穎， 杜志剛， 宋興家

（1. 中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100032；2. 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司,江蘇 常州 213015；3. 天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

2021年5月，應(yīng)急管理部發(fā)布《應(yīng)急管理部關(guān)于推進(jìn)應(yīng)急管理信息化建設(shè)的意見》[1]（以下簡(jiǎn)稱《意見》），明確要求提高應(yīng)急支撐能力：升級(jí)完善應(yīng)急指揮“一張圖”，推進(jìn)應(yīng)急管理部門系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享、外部門數(shù)據(jù)互通，共享應(yīng)急預(yù)案、現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像、災(zāi)害周邊人員分布等信息并匯聚展示，形成井上及井下貫通的應(yīng)急指揮體系，有力支撐統(tǒng)一指揮、協(xié)同研判的應(yīng)用需求；加強(qiáng)應(yīng)急通信保障，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)手機(jī)、固定電話、單兵裝備、移動(dòng)視頻、視頻會(huì)議系統(tǒng)等通信終端融合聯(lián)通。

近年來煤礦已完成了有線/無線通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)等的建設(shè)和改造，極大提升了煤礦應(yīng)急救援能力，但仍存在以下不足：① 各系統(tǒng)都有獨(dú)立的管控終端平臺(tái)，彼此間獨(dú)立運(yùn)行，在出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，需要調(diào)度員在不同平臺(tái)之間來回切換，關(guān)注不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，造成調(diào)度指揮效率低、信息交互慢、協(xié)同聯(lián)動(dòng)性差、應(yīng)急處理能力不足[2-3]等現(xiàn)象。② 調(diào)度員過度依賴現(xiàn)場(chǎng)人員的匯報(bào)，對(duì)應(yīng)急處置過程中的狀況和趨勢(shì)感知滯后，信息獲取不全面，與現(xiàn)場(chǎng)人員溝通脫節(jié)，缺乏指令直達(dá)的指揮手段[4]。③ 緊急情況下，調(diào)度員需要關(guān)注的大量數(shù)據(jù)往往無法在一個(gè)屏幕里完整展現(xiàn)，且各系統(tǒng)提供的圖形界面標(biāo)準(zhǔn)不一致[3]，顯示效果差別大，很難將數(shù)據(jù)疊加在“一張圖”上展示。④ 系統(tǒng)數(shù)據(jù)多存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，且數(shù)據(jù)種類多、結(jié)構(gòu)亂[5]，缺乏統(tǒng)一的可視化管理平臺(tái)，無法快速瀏覽數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)了一種礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)。該平臺(tái)通過語音網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通和一體化語音調(diào)度；通過協(xié)議對(duì)接集成各種視頻資源，重要崗位與區(qū)域和視頻終端關(guān)聯(lián)綁定，實(shí)現(xiàn)可視化檢查，同時(shí)融合視頻會(huì)議系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可視化會(huì)商；多個(gè)系統(tǒng)固定點(diǎn)位設(shè)備位置信息在GIS地圖統(tǒng)一展示，支持地圖圈選調(diào)度、一鍵呼叫等；最大限度地將影響調(diào)度生產(chǎn)和應(yīng)急指揮的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入平臺(tái)并進(jìn)行可視化圖形展示，從多個(gè)業(yè)務(wù)角度提高礦井多系統(tǒng)協(xié)作能力和應(yīng)急救援能力。

圖 1 礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)架構(gòu)Fig. 1 Architecture of mine integrated dispatching management and control platform

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)如圖1所示。該平臺(tái)將煤礦有線/無線通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，突破了單一系統(tǒng)各自工作模式，集多系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、綜合監(jiān)管、應(yīng)急指揮、定位管理、安全信息管理于一體，在“一張圖”上呈現(xiàn)各系統(tǒng)的不同資源，用戶可直接在圖上對(duì)不同資源進(jìn)行調(diào)度、查詢、預(yù)覽。

（1） 語音調(diào)度子系統(tǒng)。基于信令交換技術(shù)，以調(diào)度主機(jī)為核心，通過語音網(wǎng)關(guān)將有線通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)及公網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行有效整合[6]，同時(shí)可擴(kuò)展接入應(yīng)急廣播系統(tǒng)及SIP智能通信終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通、資源共享、統(tǒng)一指揮和協(xié)同調(diào)度。系統(tǒng)提供統(tǒng)一調(diào)度指揮界面，對(duì)接入的通信終端實(shí)現(xiàn)單呼、組呼、全呼、強(qiáng)插、強(qiáng)掛、會(huì)議、代答等調(diào)度功能。

（2） 視頻調(diào)度子系統(tǒng)。以有線/無線IP傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以視頻接入服務(wù)器為核心，通過協(xié)議對(duì)接，集成各種視頻資源，屏蔽不同廠家視頻平臺(tái)的差異，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的統(tǒng)一信令控制、信令交換、信令路由及視頻標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)碼、視頻流推送、視頻分發(fā)等功能，重要崗位或區(qū)域用戶與監(jiān)控?cái)z像機(jī)關(guān)聯(lián)綁定[7]，實(shí)現(xiàn)可視化檢查。以視頻交換服務(wù)器為核心，可融合現(xiàn)有的視頻會(huì)議系統(tǒng)，也可接入各種視頻終端，提供高品質(zhì)的視頻、語音、數(shù)據(jù)混合的視頻會(huì)議功能，同時(shí)可將接入平臺(tái)的視頻終端數(shù)據(jù)傳送至第三方視頻會(huì)議系統(tǒng)，增強(qiáng)現(xiàn)有視頻會(huì)議系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)可視化會(huì)商。

（3） 地圖調(diào)度子系統(tǒng)。利用GIS技術(shù)引入礦井采掘工程平面圖，通過打造“一張圖”模式實(shí)現(xiàn)地圖調(diào)度。GIS地圖場(chǎng)景可直觀顯示主要基站、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、廣播終端、有線電話等固定點(diǎn)位設(shè)備位置信息和人員實(shí)時(shí)位置信息（包含所屬部門、無線電話），調(diào)度員可根據(jù)需求，分圖層控制GIS地圖顯示資源并進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電話一鍵呼叫、圈選呼叫、視頻預(yù)覽、人員歷史軌跡查詢等操作，以滿足煤礦多媒體、智能化調(diào)度需求，使調(diào)度指揮更加直觀、高效。

（4） 數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)。整合多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將影響生產(chǎn)調(diào)度的重要信息接入數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息、告警信息等進(jìn)行加工分析，并且以曲線圖、柱狀圖、餅圖、列表等方式可視化展示，提高數(shù)據(jù)使用效率，助力調(diào)度員進(jìn)行精準(zhǔn)快速?zèng)Q策。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)超限、人員超時(shí)等異常情況時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)模塊高亮突出顯示以提醒調(diào)度員盡快處理，同時(shí)平臺(tái)與預(yù)案系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)調(diào)用事件地點(diǎn)周邊視頻監(jiān)控圖像、呼叫相關(guān)人員、開啟附近廣播通知等。此外，系統(tǒng)提供通話記錄查詢和通話錄音查詢下載等功能，進(jìn)一步輔助生產(chǎn)調(diào)度。

（5） 系統(tǒng)配套業(yè)務(wù)軟件。采用B/S架構(gòu)開發(fā)，不受客戶端限制，隨時(shí)隨地查看調(diào)度信息，通過“一機(jī)三屏”將調(diào)度通信、視頻調(diào)度、地圖調(diào)度、數(shù)據(jù)可視化頁(yè)面統(tǒng)一呈現(xiàn)，發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，最大限度減少調(diào)度員對(duì)系統(tǒng)的切換，提高應(yīng)急指揮能力；支持Web網(wǎng)管方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置、維護(hù)、告警查詢、數(shù)據(jù)備份等操作；各功能服務(wù)采用模塊化開發(fā)管理，服務(wù)模塊之間通過RabbitMQ[8-9]進(jìn)行消息傳遞；系統(tǒng)可按照用戶需求靈活搭建，支持Shell腳本一鍵安裝部署；提供開放式WebAPI接口，支持第三方系統(tǒng)通過接口集成管控平臺(tái)功能，拓展系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

2 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 語音融合

礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)通過協(xié)議整合，以調(diào)度主機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)有線通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)等異構(gòu)通信系統(tǒng)的語音融合。調(diào)度主機(jī)支持ISUP/TUP/PRI/Q.SIG/SIP/H.323/MGCP/H.248等協(xié)議，同時(shí)還支持HLR，VLR，STAT，Roaming，MSC，RANAP，SCTP，SCCP，M3UA等功能，可適用于任何IMS/NGN/VoIP等形式組網(wǎng)。調(diào)度主機(jī)可通過E1（中國(guó)1號(hào)信令、7號(hào)信令、PRI信令、SIP信令等）/FXO中繼方式與運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)通信系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)煤礦專網(wǎng)用戶與公網(wǎng)用戶直接通話和短信互通；通過模擬中繼FXO接口實(shí)現(xiàn)有線調(diào)度電話的接入；通過SIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP電話/WiFi無線通信系統(tǒng)用戶語音融合；通過4G/5G核心網(wǎng)功能統(tǒng)一放號(hào)，實(shí)現(xiàn)4G/5G無線用戶接入；可擴(kuò)展接入語音終端，如礦用IP網(wǎng)絡(luò)廣播終端通過廣播網(wǎng)關(guān)[10]接入調(diào)度主機(jī)，多媒體礦燈內(nèi)置SIP通話模塊，與SIP廣播、SIP軟電話均通過SIP協(xié)議接入調(diào)度主機(jī)。

2.2 視頻融合

視頻融合架構(gòu)如圖2所示。礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)通過SDK、ONVIF協(xié)議、GB/T 28181-2016《公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》，完成地面、井下各類監(jiān)控?cái)z像機(jī)的接入；通過GB/T 28181-2016或SDK對(duì)接第三方視頻平臺(tái)，移動(dòng)單兵視頻通過IP承載網(wǎng)/無線專網(wǎng)將視頻圖像回傳至視頻接入服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)多樣化視頻資源集成。

圖 2 視頻融合架構(gòu)Fig. 2 Architecture of video fusion

礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)通過視頻接入服務(wù)器提供的接口，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)視頻終端的管理查看和音視頻聯(lián)動(dòng)功能；通過視頻交換服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議功能。平臺(tái)通過H.323音視頻協(xié)議和SIP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與各類視頻會(huì)議終端、視頻會(huì)議服務(wù)器、語音交換設(shè)備的對(duì)接，現(xiàn)有視頻會(huì)議MCU只需和視頻交換服務(wù)器對(duì)接，無需額外增加視頻會(huì)議客戶端，即可調(diào)用本地及異地接入的所有視頻資源，降低了組網(wǎng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。

2.3 地圖調(diào)度

礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)引入WebGIS相關(guān)技術(shù)，將礦圖數(shù)據(jù)進(jìn)一步整合發(fā)布，基于MapBox開源的地圖開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地圖融合，提供基于地理位置信息的組合式調(diào)度功能，在地圖上呈現(xiàn)接入的各類通信資源，并進(jìn)行地圖調(diào)度。MapBox采用矢量切片技術(shù)，數(shù) 據(jù) 源 包 括Vector，Raster，GeoJSON，Image等，默認(rèn)的大地坐標(biāo)系為WGS-84，投影方式為球面墨卡托，可有效減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染響應(yīng)速度，增強(qiáng)與前端的交互性。

平臺(tái)使用超圖軟件對(duì)礦井采掘工程平面圖進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換：首先對(duì)軟件分解成的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)集進(jìn)行投影變換，重設(shè)坐標(biāo)系；然后對(duì)變換后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，為糾正地圖變形、減少誤差，選取10個(gè)控制點(diǎn)做線性配準(zhǔn)；最后將地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出并存儲(chǔ)為GeoJSON類型的地理空間信息數(shù)據(jù)文件。MapBox控件通過解析文件，生成帶有幾何圖形、文字符號(hào)的場(chǎng)景地圖，前端頁(yè)面通過API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的圖層控制、矢量框選、矢量搜索等操作。

為滿足調(diào)度員對(duì)人員歷史軌跡的追蹤需求，需要將井下人員的歷史位置數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)基于分布式文件存儲(chǔ)的開源數(shù)據(jù)庫(kù)，具有強(qiáng)大、靈活、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，利用其對(duì)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索的優(yōu)勢(shì)，將接入地圖系統(tǒng)的圖層、設(shè)備坐標(biāo)、人員位置等信息存儲(chǔ)于MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)，提高人員歷史軌跡的查詢速度。

2.4 數(shù)據(jù)融合

礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)通過IP承載網(wǎng)將影響調(diào)度生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等進(jìn)行有機(jī)整合，解決不同廠家系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式差異的問題，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合流程如圖3所示。

圖 3 數(shù)據(jù)融合流程Fig. 3 Data fusion process

（1） 數(shù)據(jù)采集。服務(wù)端從多種類型數(shù)據(jù)源（WebAPI接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、txt文本文檔和Excel表格等）中獲取各系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（2） 數(shù)據(jù)處理。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和規(guī)范，將各系統(tǒng)不同類型數(shù)據(jù)整合，形成具有一定組織形式和規(guī)范的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，將處理后的JSON格式數(shù)據(jù)以WebAPI接口返回，為可視化展示提供數(shù)據(jù)支持。

（3） 可視化展示。ECharts作為一款數(shù)據(jù)可視化圖表庫(kù)，兼容當(dāng)前主流瀏覽器，能夠提供直觀、生動(dòng)、可交互、可個(gè)性化定制的圖表，增強(qiáng)用戶與數(shù)據(jù)交互的體驗(yàn)性。因此利用ECharts將服務(wù)端WebAPI接口提供的數(shù)據(jù)以折線圖、柱狀圖、餅圖和列表等方式進(jìn)行可視化展示。同時(shí)，平臺(tái)與預(yù)案系統(tǒng)協(xié)同合作，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到告警值時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)預(yù)案，實(shí)現(xiàn)與通信系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)的多系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)。

3 平臺(tái)測(cè)試

為驗(yàn)證礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)的有效性及可行性，搭建了測(cè)試環(huán)境，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

礦用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和無線基站組成了礦井有線/無線IP分組傳輸交換網(wǎng)絡(luò)，支撐各系統(tǒng)服務(wù)器和通信終端數(shù)據(jù)的高速傳輸與管理。其中IP廣播通過廣播網(wǎng)關(guān)接入調(diào)度主機(jī)，礦用本安電話經(jīng)耦合器后，與行政辦公電話均通過通信線纜接入調(diào)度主機(jī)，其余各系統(tǒng)服務(wù)器和通信終端通過網(wǎng)線接入環(huán)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的報(bào)文通信。測(cè)試結(jié)果如下：

（1） 接入平臺(tái)的通信終端（包括多媒體礦燈、SIP廣播、4G手機(jī)終端等）實(shí)現(xiàn)了語音互聯(lián)互通；調(diào)度員通過調(diào)度指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的語音調(diào)度功能，在系統(tǒng)調(diào)度頁(yè)面實(shí)時(shí)監(jiān)控終端狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了礦井通信終端一體化調(diào)度功能。

（2） 調(diào)度員可在視頻調(diào)度頁(yè)面預(yù)覽重要崗位攝像機(jī)實(shí)時(shí)圖像，輔助生產(chǎn)調(diào)度；被叫話機(jī)響鈴1 s內(nèi)，彈出與之綁定的攝像機(jī)圖像信息，實(shí)現(xiàn)音視頻聯(lián)動(dòng)功能；提供了集視頻、語音、數(shù)據(jù)混合的視頻會(huì)議功能。

（3） 實(shí)現(xiàn)了用戶地圖調(diào)度功能，可在圖中查看固定電話、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、廣播、定位基站等固定點(diǎn)位設(shè)備位置信息及人員實(shí)時(shí)位置信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下人員分圖層查看、一鍵呼叫語音終端、一鍵查看視頻等功能。

（4） 提供了人員定位系統(tǒng)信息的可視化展示功能，如井下區(qū)域人員統(tǒng)計(jì)、井下總?cè)藬?shù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警信息分類統(tǒng)計(jì)等，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超過報(bào)警值時(shí)，對(duì)應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)高亮和彈窗提醒調(diào)度員及時(shí)處理；可查看通話記錄并提供通話錄音下載功能。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種集語音調(diào)度、視頻調(diào)度、地圖調(diào)度、數(shù)據(jù)可視化于一體的礦用綜合調(diào)度管控平臺(tái)。該平臺(tái)突破了單一調(diào)度指揮功能，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急指揮“一張圖”，將通信系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)在圖上集中展現(xiàn)，提供了數(shù)據(jù)可視化展示功能，進(jìn)一步加強(qiáng)了生產(chǎn)調(diào)度指揮信息溝通和管控能力，提高了應(yīng)急支撐能力。今后將在豐富接入平臺(tái)系統(tǒng)種類、規(guī)范平臺(tái)數(shù)據(jù)接口、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面做進(jìn)一步研究，更好地服務(wù)于煤礦應(yīng)急管理信息化建設(shè)，保障煤礦安全生產(chǎn)。

圖 4 測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 4 Network topology of test environment