基于SSM框架的智能煤質化驗室綜合管理系統

楊玉蓮

（貴州豫能投資有限公司煤質管理中心，貴州 貴陽 550081）

0 引言

現如今，煤炭仍舊是人們離不開的礦產資源，并且煤炭的價格與經濟大環境存在有關，為適應煤炭市場，煤炭化驗質量務必提升，而這就要求管理人員加強對煤質化驗室進行綜合管理。煤質管理是煤炭生產經營的必要前提，涉及煤質管控、預測、結算等方面。煤質化驗數據作為煤質管理的主要因素，務必做到精準、實時，同時還要進行監管[1]。傳統的管理方法不能滿足如今的大環境，因此，本文設計基于SSM框架的智能煤質化驗室綜合管理系統。該系統具有監督管控模塊，使煤質取樣、化驗、數據報告等步驟的執行更加智能化，減少人為干擾的因素，提升化驗數據的準確性，可滿足企業的煤炭質量檢測、生產質量檢測、供貨質量檢測等檢測流程。并且在硬件上設計了自動工分析儀與量熱儀等，煤質采樣提供自動化裝置，進一步提高管理的智能化水平。軟件上，建立煤質化驗信息采集模塊，將不合格數據挑選出來，重新復檢，提高化驗準確率；并在此基礎上制定煤質智能數據傳輸檢驗流程，提高此管理系統的智能性；引入SSM框架，設計煤質數據智能存儲數據庫，提高系統的安全保障；消除化驗室遠程管理的誤差指標，利用CF算法，提高管理的相似度，從而消除人工誤差，使管理水平更趨近于智能化、遠程化[2]。由于煤炭質量問題備受關注，本文設計的智能煤質化驗室綜合管理系統，主要目的在于提高煤質化驗水平，降低化驗成本，提高煤質化驗數據安全性、公正性和嚴密性。

1 硬件設計

1.1 自動化驗儀

本文在設計自動化驗儀時，采用PLC的自動裝置直接控制程序的運行。為煤質化驗過程提供自動化保障，提高化驗精準度，從根源上消除人為化驗上出現的誤差[3]。傳統的煤質化驗室自動化設備較少，所采用人工操作，為了提高化驗精度，在此自動化驗儀的設計過程中，使用的是液壓裝置，可實時查看其是否完好，有無漏油、漏氣等情況，如果內部出現漏油、漏氣等情況，自動化驗儀會發出警示信號，避免故障發生。為避免此儀器出現故障而影響煤質化驗，在此次設計中還加入了手動擋，當儀器出現故障時，利用手動擋進行人工采樣。同時，在煤料較多時，需要工作人員參與到給料中，提高化驗效率。本文設計的自動化驗儀，減輕人工化驗的強度，同時也規避了人工化驗的不規范。在此儀器的使用過程中，分為同時化驗與間隔化驗2種方式，并且同時化驗與間隔化驗的精準度均符合煤質化驗的要求。本系統不但提高了化驗的精準度與效率，還提高了化驗操作的安全性。

1.2 量熱儀

煤炭的發熱量是檢驗煤炭質量的主要因素也是煤炭計價的重要環節，煤的發熱量又稱熱量大卡，是煤在充有過量氧氣的氫彈內燃燒所釋放產生的熱量被一定量的水吸收，根據水溫所升高的溫度來計算的彈筒發熱量。

量熱儀的設計也是煤質化驗管理系統的重中之重。傳統的量熱儀一般采用燃燒氧彈、內外筒、溫度測量等構成，因此煤質化驗過程的溫度把控是化驗環境的重要一環，是對檢驗煤炭發熱量重要影響因素。基于此，本系統在量熱儀中設計了溫度傳感裝置[4]。采用恒溫式外筒，氫彈置于內筒水中，將一定的試樣置于密封的氫彈中，在充有過量氧氣的氧彈內，試樣完全燃燒，燃燒時所放出的熱量使水箱中的水溫升所得出的煤的氧彈發熱量。

為保證量熱儀在化驗煤質過程中始終保持著恒定的溫度，溫度傳感裝置的設計就顯得格外重要。在煤炭化驗過程中會產生一系列的化學反應，導致系統內溫度不恒定，易造成系統故障，因此，本文設計了溫度傳感裝置，實時把控系統內的溫度，并在內外桶進行冷熱交換，溫度傳感裝置為設備出廠廠家設計，使系統內的溫度保持在恒溫狀態。此外，在量熱儀的設計中，本文將其恒溫狀態分為2種，動態恒溫與靜態恒溫。動態恒溫就是一種自動控溫裝置，使煤質化驗過程中的溫度在量熱儀外部始終保持不變，當溫度增加時，量熱儀會停止一些程序，使溫度逐漸降低；反之，當溫度降低時，其內部會增加一些程序的運行，進而提高溫度，使溫度保持在±0.1 K。靜態恒溫狀態則沒有自動控溫裝置，屬于物理降溫，在量熱儀的外筒中加入熱水或涼水，在溫度增加時加入涼水，在溫度降低時加入熱水。2種恒溫狀態均能達到降溫或升溫的效果。同時設計留有量熱儀數據通訊端口，進入儀器操作面，很直觀的顯示量熱儀的內外筒、環境溫度、溫度值的刷新過程以及攪拌葉片的轉動情況。因此，將此硬件應用到化驗室管理系統中，一定會得到意想不到的效果。

2 軟件設計

該系統利用成熟的網絡技術對所列化驗項目的數據信息進行統一采集、運算、分析及傳遞，提高煤質化驗室自動化程度，實現煤質分析數據的計算機自動控制管理。改變傳統的煤質化驗數據手工抄寫模式、傳遞方法落后、工作效率低的局面，避免重復列表、重復填寫檢驗數據，降低工作失誤發生概率、提高化驗人員工作效率；自動形成各種煤質報表，進行上下限審核、相關性審核等，及時準確的向用戶及企業領導提供煤質檢驗數據，快速與企業信息化平臺對接，使各相關部門和領導能及時了解和掌握公司各種商品煤的質量，為企業領導各部門提供決策依據。

2.1 建立煤質化驗信息采集模塊

煤質化驗室網絡環境以化驗室管理機為服務器，將所有煤化驗儀器計算機聯接到一個局域網中，所有網絡點都以星型拓撲連接到化驗室管理機的交換機或集線器上，同時管理機負責將煤質分析數據上傳至企業信息管理系統。具休工作業務部分主要操作對像是化驗班班長或技術員，其對整個化驗室化驗數據時行管理和控制，主要工作包含對化驗儀器所產生的化驗結果時行數據審核，時行數據采集、匯總，數據報表打印等工作。本模塊通過引入規范的化驗流程，并監督該流程的執行過程。在保證檢測效率的前提下，提高和保持了數據的可信度。極大限度避免人為因素影響化驗數據的準確性、公正性、原始性、真實性；提供手工填報界面，并可以設計。提高系統的靈活性、適應性；實現電子天平數據采集，自動完成計算，提高稱量數據的可靠性。

通過化驗數據進行統計和計算，生成各類化驗數據的趨勢圖曲線圖、分析報告圖。快速準確的生產運行提供數據支持，有效減輕了各級人員的工作量，提高了工作效率。降低辦公成本，減輕勞動強度，避免工作失誤和數據差錯，提高工作效率。通過對各類化驗數據的整理和計算，由系統自動生成所需的各類水質報表，提高人員工效率。靈活的報表模板配置功能，可快速設計符合企業要求的報表格式。智能計算，自動生成，提高報表中統計分析數據的準確性。從根本上解決了以往化驗室煤質檢測數據分散在化驗室的各個單獨測試儀上，無法匯總，每個儀器成為“信息孤島”。

在煤炭質量化驗前，本文建立出煤質化驗信息采集模塊。采集過程中，得到煤質中的化學元素由C、H、O、N、S、A、M組成，其中C、H、S是煤炭可燃燒部分，燃燒后可生成為二氧化硫以及少量的三氧化硫，也就是煤質化驗中的有毒有害成分[5]。本文建立的采集模塊，采集到煤質中的C含量在40%～85%左右，是煤炭的重要組成部分，每一千克碳的燃燒，可生成CO2，放出31 258.42 kJ的熱量，而不完全燃燒的碳會生成CO，釋放出9 526.32 kJ熱量，由此提高煤炭化驗質量。H的含量并不多，僅占1%-3%，因此H燃燒比較容易，熱量較大。其他S、O等成分所占比例更加小，且產生的熱量較少，因此對煤的燃燒幫助不大。此外，本文認為，煤炭質量的好壞，與可燃物的多少有關，在化驗煤質過程中，本文在采集煤質信息時，著重采集無水基團（ad）、無灰基團/干基（d）、有機基團（dmmf）等高位發熱基團。此外，了解到煤中所含的水分會影響煤炭的運輸成本、化驗成本、存儲成本等，因此在本文設計的煤質管理系統中根據煤質分析數據，著重降低管理生產過程中煤質的水分含量，提高煤炭的燃燒率，進而提高煤炭的質量。

2.2 制定煤質智能接樣化驗流程

根據上文中采集到的煤質信息，得出影響煤炭質量的相關成分，為了提高煤炭的化驗質量，本文制定了煤質智能化驗流程，如下圖所示：

如圖1所示，智能化驗流程為接收煤樣-下達化驗指令-利用信息采集程序，完成化驗數據的收集-進行化驗數據審核-統計化驗數據-化驗主任審核。

圖1 智能化驗流程

智能化驗主要是對送樣單位送來的樣品進行化驗。首先，將煤樣送到煤質管理中心化驗室時，煤質管理中心化驗室的管理人員對煤樣進行編碼管理，系統提供相應的管理界面，主要完成制樣前的環境錄入（來煤單位、采樣天氣、煤種、采樣地點、采制樣人員、采制日期、檢驗類別、送樣狀態、樣品重量等）采制樣過程的內容錄入，完成常規的接樣過程計算，并錄入接樣管理系統，系統自動生成制樣一次編碼。并在煤質化驗管理系統中發送化驗指令，化驗室接收到制樣編碼指令及煤樣后，化驗室管理人員再次對其采制樣編碼進行第二次編碼，即生成化驗編碼，該編碼不進行加密處理，是一種每天的流水號，便于化驗室辨認。化驗人員記錄化驗分析報表,隨后根據公司要求的煤質化驗任務清單按照緩急程度逐一分類[5,6],再將化驗項目分配給化驗團隊進行統一化驗。其次，各化驗小組分配到化驗煤樣后，根據送樣公司的要求抽樣，之后在組內同時化驗。同樣，每個化驗員都會通過接收到的指令對收到煤樣進一步化驗，提高煤樣化驗流程精準度。在化驗完煤樣后，化驗員對化驗出的元素及工業分析組成信息進行一次審核，并記錄審核結果。隨后，化驗團隊對一次審核的結果進行二次審核，最后由化驗主任對每個化驗團隊的測試結果進行最終解碼審核，如果審核通過，則錄入化驗室管理系統并打印上傳化驗結果。此過程有效避免了化驗人員清楚化驗過程中的煤樣來源，最大程度地限制人為干預。

稱量過程數據上傳智能傳輸：

煤質化驗室傳統化驗稱量方式，一步一次人工手寫計量，緩慢費時易出錯，本次在原有計量方式基礎上嵌入智能數據傳輸系統。該系統由數據服務器、管理計算機為中心、由儀器計算機為采集終端。電子稱樣天平原始稱樣數據為起點，由化驗員對此天平稱量系統進行操作，實現對煤樣稱量時從天平獲取稱量樣重，達到企業對煤樣稱量數據進行實行跟蹤管理，特別是量熱儀化驗過程中的稱重進行機器管理控制的要求。以量熱儀為例介紹系統處理過程：

處理方式是將天平與電腦連接，從而使天平所稱量的重量數據可以直接發送至設備電腦中，具體操作流程如下：①操作員在電腦中輸入樣品名、平行樣標識2個信息；②天平稱量重量，操作員確認；③數據發送至系統中，操作員再次確認；④量熱儀化驗前，操作員直接選擇煤樣編號和平行樣標識，從而引入重量；⑤量熱儀正常工作，完成化驗保存結果。

上述過程中，由于坩堝未編號，對于平行樣的標識需要通過化驗員輸入一個標識號來進行，因此需要明確標識號的編碼方式，以方便后續系統處理和量熱儀上選擇時的易于識別性，建議平行樣標識采用定長兩位數字編碼方式。不足兩位系統自動前補“0”，編碼從上述流程中，在輸入煤樣編號、區分平行樣的標志及坩堝號后，先稱量空坩堝重，然后再稱量煤樣重量。煤樣重量不能手工輸入，只能通過程序讀取天平串口上的數據。煤樣重量可獲得取2次，2次數據都保存下來，以最后一次的數據為最終結果，即如果第二次重量為空或為0，那么以第一次結果為準；如果第二次重量不為空或不為0，那么以第二次結果為準。程序自動將最后一次的重量數據減去空坩堝重，從而獲得煤樣重量。徹底有效解決了過去煤質化驗室傳統模式上對煤炭質量分析數據只能按時手式登記在臺賬上，需靠手工進行統計，中間計算過程比較復雜，全靠手工做報表和上交報表，很難避免出現一些差錯，費時費力，也造成辦公浪費。系統提供無縫對接的數據對接，實現了化驗儀器的非人工輸入重量的高效快捷過程，實現了網絡運作，用系統代替人工，提高工作效率，降低差錯率。

2.3 基于SSM框架設計煤質數據智能存儲數據庫

化驗儀器測試完成后自動將測試結果保存在儀器中，本系統能自動地將儀器中的數據提取，轉化成用戶所要求的數據格式，并上傳保存在服務器中，保證了上傳到企業的數據是原始數據。電腦中各種煤質的化驗數據及化驗結果都是客觀、正確的，數據已不能人為改動，有效地杜絕了人為因素導致的煤質誤差。加強對煤質化驗過程實行密碼管理，保證了化驗數據的公證性。

為保證化驗數據的安全性，本文基于SSM框架設計更加智能化的存儲數據庫。SSM框架代表著Spring、Spring MVC和My Batis，在系統開發的過程中受到廣泛應用[7]。本文設計的化驗室管理系統利用SSM框架中的Spring MVC框架實現各個數據的相互關聯。系統通過Spring MVC框架將數據庫分為3個層次，具體為表現層、邏輯層，以及數據層，在表現層中加入化驗員的身份、管理員的身份并設計訪問攔截程序，攔截沒有賬號人員進入系統。通過表現層中SQL的映射文件，將化驗數據或信息與數據庫建立聯系，使管理更加便捷。當通過管理身份進入數據庫的表現層后，進入數據庫的邏輯層，邏輯層主要采用My Batis框架，其存儲空間較大，內部文件相對較單一，只有與化驗有關的文件，便于管理。隨后，進入到數據層，在數據層中進行最終的文件存儲，由于Spring框架的壓縮特點，可將文件壓縮，達到占用空間小、運行速度快的目的[8]。并化驗員無法自行修改數據，改變了以為工干預為主的傳統管理模式。因此數據庫的設計最大化地提高了化驗數據的安全性。保持數據致性和數據原始性，增強數據共享，避免人為修改數據和數據來源多樣性，提高化驗數據安全性、公正性和嚴密性。以國家標準來規范實驗室的管理，建立綜合完善的事務管理程序，及時準確地處理數據信息，顯著提高自動化水平、工作效率和整體管理水平。

煤質化驗數據收集、處理、傳遞自動完成

系統提供數據采集工具，支持對大多數數據類型文件和儀器數據的采集。可以在采集的過程中，根據用戶需要自動進行相應數據類型轉換，直接從分析儀器得到結果數據，并自動上傳到化驗室的管理機，化驗室管理者能在自己崗位上對實驗室內所有數據進行監測，同時，化驗室的管理者可以將化驗數據傳遞到企業內部管理系統，使得數據的收集、處理和傳遞更加方便快捷，能夠有效地避免人為錯誤的發生。同時實現數據實時查詢、統計分析，為企業領導高層管理層查詢提供“一站式”信息查詢服務，足不出戶，化驗情況，及時掌握，一目了然，將數據組織在一起，匯總分析，并以直方圖、折線圖等各類圖開表示分析結果，對比和趨勢結果表現直觀，能按時間段生成各類煤炭質量的統計報表，做為領導指導生產決策依據。

該系統由數據匯總、數據管理、系統管理、數據采集客戶端功能模塊組成。化驗室由數據服務器、管理計算機為中心由儀器機為終端組成一個內部局域網，并將各臺分析儀器上的化驗原始數據進行采集、分析處理、打印，然后通過局域網上傳至數據服務器進行匯總處理。該系統對煤質化驗室儀器時行實時采集（包括量熱儀系列、測硫儀系列、工業分析系列、炭氫儀系列等），為企業煤質系統提供無縫的數據接口，同時，為保障實驗順利進行，如人員、儀器、設備等也被納入有效的管理之中，從而提高實驗管理的水平，讓企業檢測信息化水平達到一個新的臺階。

2.4 消除化驗室遠程管理誤差指標

上文中對智能數據庫的設計，提高了化驗數據與信息的安全性，但在系統遠程管理中仍存在微小的誤差，因此本文利用CF算法，將相鄰化驗煤樣的數據計算相應的近似度，一般CF算法分為2個步驟，第一步計算不同煤樣的管理指標，具體指標WYJ如下：

式中：N（i）為第 一次煤樣化驗數據；N（j）為第j次煤樣化驗的數據。因此|N（i）∩N（j）|表示同時管理第i個與第j個煤樣數據。

第二步，消除管理指標誤差，由于式（1）中得到的管理指標存在誤差，利用CF算法的第二步進行消除，消除后的管理指標PuJ如下：

式中，Rui為消除參數；S（i，j）為在第i一次化驗數據與第j次煤樣化驗之間的任意數據，因此N（i）∩S（i，j）表示為共同管理的煤樣化驗數據。消除誤差后的管理指標監護進一步提升管理效果。

3 系統測試

采用黑盒測試的方式進行系統測試，驗證設計的智能煤質化驗室綜合管理系統，監督管理情況。

3.1 測試環境

系統的服務器選用clims服務器，內部處理器主頻率≥1GHz，內存＞4GB，數據庫≥MySQL5.6.24，網絡選用有線網。按照此測試環境，對設計的管理系統進行測試。在上述環境下，設計的管理系統登錄界面如圖2所示：

圖2 登錄界面

如圖2所示，為化驗室管理系統的登錄界面，后臺自動獲取用戶登錄信息，確認管理身份，確認后連接入數據庫并打開，輸入管理指令，成功登錄，此時界面顯示為：

如圖3所示，系統首頁為煤質化驗的日報表，隨后可切換到煤質化驗折線圖：

圖3 系統首頁界面

如圖4所示，此界面可以顯示為當日煤質化驗結果。并且在菜單欄分別有著煤質報表、煤質數據對比表、統計查詢、數據管理、煤質化驗文檔、個人信息等界面，實現智能化的煤質化驗報告分析與處理，更有利于監督煤樣的使用情況。

圖4 煤質化驗折線圖界面

3.2 測試結果

貴州豫能應用本系統的1年內，節約各項成本。本文煤樣按照市場價格每個413元計算，1年內減少的各項成本見表1所示。

表1 使用本系統一年內節約的成本

如表1所示，煤樣的化驗度更加精準，因此減少了標準煤樣的購買量，2020年節省成本近20萬元；智能化管理的化驗室，減少了人員的流動，每2人可以完成煤質化驗的工作，當前化驗員每月工資按照4500元/人，因此1年內節省約12萬元；在此系統可以更加清晰地得到各類報告，因此每月可以節省A4紙2包，每月節省50元，1年內節省約0.06萬元，因此貴州豫能在使用本文設計的基于SSM框架的智能煤質化驗室綜合管理系統后，1年之內共計節省成本約32萬元。降低了公司化驗煤質的相關費用，符合本文研究目的。

4 結束語

本系統硬件上的自動化驗儀與量熱儀的設計將煤質化驗儀器變得更加智能化；軟件上的建立信息采集模塊、制定智能化驗流程、設計存儲數據庫及消除管理誤差等四方面，使整個管理系統的運行更加流暢。本文通過貴州豫能公司對本系統進行為期一年的測試，運行效果良好，提高了該公司的煤質管理水平與煤質化驗水平，側面提升了豫能公司的品牌形象與社會影響力，增強了該公司在行業內的可信度。因此，本文設計的智能管理系統在煤質化驗方面的應用前景將會更加廣闊。