基于多源組態技術的恒姑煤礦智能化管控平臺設計與實現

張 亮

（1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.礦山深井建設技術國家工程研究中心，北京 100013）

近幾年，我國煤礦智能化建設已由局部探索向全面推進轉變，但仍有大量煤礦面臨轉型較慢或難以推進的局面。主要原因表現在煤礦智能化建設工期較長且投入資金巨大，已建成的煤礦雖然在增產增效、提質減人方面有一些成效，但實際上效果并不明顯，有些煤礦企業甚至出現了人員不減反增和產量下滑的現象[1]。

針對貴州省能源局相關要求以及恒姑煤礦生產、輔助系統現狀，并分析已完成智能化建設礦井的成功經驗和失敗教訓，恒姑煤礦智能化管控平臺必須立足于技術先進、成果務實、高性價比和可持續改進而建設，由此確定了需求分析、技術選型、開發部署和實際應用的技術路線。結合企業實際情況及《貴州省煤礦智能機械化建設與驗收暫行辦法》要求，確定了恒姑煤礦智能化管控平臺“安全、實用、減員、增效”的建設目標，在實際應用中必須能夠顯著提升恒姑煤礦的生產和管理水平，為企業安全生產保駕護航。

1 智能化管控平臺建設內容和技術選型

1.1 智能化管控平臺建設內容

恒姑煤礦智能化管控平臺建設內容主要包括:工業以太網、生產輔助自動化平臺、信息管理平臺、瓦斯抽放監控系統、高低壓供配電系統、光纖測溫系統、帶式輸送機運輸系統、主要通風機系統、局部通風機系統、排水系統、壓風系統、安全監控系統、人員定位系統、調度室大屏幕顯示系統、工業視頻監控系統和信息引導發布系統[2]。

1.2 平臺建設技術選型

同類智能化平臺通常采用表現層、業務邏輯層和數據訪問層的3 層架構設計模式，其中表現層多為B/S 架構，在此基礎上核心技術選擇也比較多，如DotNet、J2EE、QT、Entfrm 等[3]。

考慮到恒姑煤礦現有各子系統接入方式的多樣性，以及工業網絡拓撲結構復雜、子系統功能分散、信息化程度不高、現有設備智能化程度較低等特點，平臺建設在技術選型方面應更加注重平臺建成后的可延續性、可擴充性、封裝性以及通用性[4]，因此選擇多重組態技術作為核心技術進行平臺設計與實現。

2 基于多源組態技術的方案設計

2.1 多源組態技術應用技術路線

多源組態技術應用技術路線如圖1。

圖1 多源組態技術應用技術路線Fig.1 Application technology route of multiple configuration technology

組態即配置，多源即多種類多數量的數據來源，多源組態即為通過開發各類數據引擎動態庫，實現系統平臺對眾多子系統的接入和數據融合。組態平臺提供了標準的數據引擎動態庫開發協議標準，開發者按照此標準即可開發出適合具體項目的數據引擎動態庫，而后通過組態平臺提供的配置功能完成管控平臺的建設[5]。

2.2 恒姑煤礦智能化管控平臺方案

平臺架構與功能設計圖如圖2。

圖2 平臺架構與功能設計圖Fig.2 Platform architecture and functional design diagram

恒姑煤礦智能化管控平臺融合瓦斯抽放監控系統、高低壓供配電系統、光纖測溫系統、帶式輸送機運輸系統、主要通風機系統、局部通風機系統、排水系統、壓風系統、安全監控系統、人員定位系統、工業視頻監控系統和信息引導發布系統，結合煤礦生產、安全、經營等信息，以數據集成、融合、共享為原則，實現智能感知、遠程集控、數據挖掘和決策支持[6]。

2.2.1 子系統接入引擎選型

在子系統數據接入引擎選型設計上，重點考察子系統數據的分散度、數據屬性、數據頻率和預警方式等因素[7]。子系統數據引擎接入方式見表1。

表1 子系統數據引擎接入方式Table 1 Design of subsystem data engine access method

以安全監控系統數據為例，其所監控的數據來自大量不同的傳感器和分站設備，每個數據又包含大量的數據屬性，如數據狀態、閾值上限、閾值下限、傳感器類型、斷電值、復電值、關聯測點等，因此安全監控系統的數據屬于分散度較高，數據屬性較復雜的情況；再者根據行業標準要求，其數據頻率要求不低于30 s[8]，預警方式為超低延時預警；綜合以上情況，在安全監控系統數據接入上采用OPC 數據接入方式。

2.2.2 子系統接入引擎開發

數據引擎開發采用微軟標準的COM 組件技術和.NET 平臺，在建立接口時，可以創建多個互相獨立的對象，每個對象都可以根據設備情況擁有自己的變量，接入引擎開發最終的成果是一個可以被平臺導入的動態鏈接庫文件。

1）建立驅動信息結構。首先建立驅動信息結構，驅動信息所有結構都定義在頭文件中。驅動信息主要數據包結構見表2。

表2 驅動信息主要數據包結構Table 2 Main packet structure of driver information

2）重寫組態平臺接口函數。在驅動信息結構確定后，便可以重寫組態平臺接口函數[9]。在本項目中組態平臺與驅動交互主要通過IprotocolImp（原始接口）和IProtocolImp2（自定義接口）2 個接口中的函數實現。在程序設計中，定義了12 個接口實例函數，接口實例函數表見表3。

表3 接口實例函數表Table 3 Interface instance function table

3）程序類的設計。主要為：①驅動程序項目類：該類實現了IprotocolImp 和IprotocolImp2 這2 個接口，接口中的函數見表3，其中序號1～9為IprotocolImp 接口函數，序號10～12 為IprotocolImp2 接口函數；②子系統設備類：實現組件對象模型接口包含設備基類（CDevBase）和設備子類（CDev）這 2 個類，類CDevBase 是所有設備子類的父類，其中，GetRegisters 用于得到由szDevice-Name 確定的寄存器的名字和個數，GetDevices 用于得到設備的名字和個數，ConvertUserConfigTo-Var 用于將用戶的配置字符串轉換為組態變量結構，AddVarToPacket 用于確認變量是否能夠與1 個包里的其他變量一起進行采集，以進行變量的打包，ProcessPacket2 用于根據協議及包狀態信息進行相應的處理等；③設備通信類：此類用于實現串口和網口的通訊，平臺可自動地產生串口通信類（CSerialCom）或者網絡通信類（CNetCom），其中，OpenCom 用于打開設備串口，CloseCom 用于關閉設備串口，PhysicalSend 用于相關設備發送通信數據，并接收設備返回的數據等；④數據調用類：該類實現各種調試信息在組態平臺信息窗口中的輸出，比如錯誤信息，接口信息，數據信息等，其中，ShowImpMessage 用于輸出接口信息標志，ShowErroMessage 用語顯示系統錯誤消息，Show-FunMessage 用于顯示函數功能消息，ShowUser-Message 用于顯示用戶類消息。

4）各子系統數據接入引擎的實現。在重寫組態平臺接口函數和完成新程序類的設計的基礎上，通過現有技術已經能夠完成各子系統數據的接入和采集。各子系統數據信息表見表4。

表4 各子系統數據信息表Table 4 Data information of each subsystem

2.2.3 煤礦監控及自動化平臺功能界面

煤礦監控及自動化平臺功能界面是上層智能化平臺的基礎，是本次智能化平臺升級的核心部分，除了自動化數據的采集、處理、分析和挖掘外，還要將數據以盡可能清晰、完整并實時的方式進行歸集，為智能化決策提供可靠的數據來源和決策依據。

軟件平臺利用數據可視化技術將枯燥數字變為直觀、美化的圖形進行展示，融合多媒體技術，對生產過程各環節進行三維仿真模擬，加入語音、視頻等元素進行有機整合，使用戶面對的不再是簡單的人機接口，更如同身臨其境的物理操作。

2.2.4 煤礦信息管理平臺

煤礦信息管理平臺重點關注企業在管理、經營和安全等方面的業務需求[10]。煤礦信息管理平臺架構設計圖如圖3。

圖3 煤礦信息管理平臺架構設計圖Fig.3 Architecture design of coal mine information management platform

在架構上系統分為4 個主要層次：用戶終端、數據業務邏輯分析、數據訪問和數據存儲。用戶終端包含信息發布、信息瀏覽、信息查詢和系統運維等用戶應用模塊；數據業務邏輯分析包含生產、安全等各子系統模塊的數據分析和數據挖掘；數據訪問層是連接數據存儲的接口，通過類的設計隔離用戶操作和底層數據從而最大限度保證數據的完整和安全；數據存儲是DBMS 的物理實體，各類數據的結構化存儲和可編程數據操作均有該模塊完成。

在應用層面煤礦信息管理是由技術平臺和業務平臺2 部分有機結合而成。

技術平臺采用面向對象方法，通過分析業務流程的耦合度設計數據流向和操作節點，應用或功能被分割為多個靜態實例對象，對象間依靠數據進行關聯和耦合，在硬件環境基礎上搭建模塊化業務群，從而實現對煤礦智能化業務的重新定義和流程管理。

業務平臺是技術平臺的延續并于技術平臺無縫集成，業務平臺通過一體化設計和超高靈活度的配置管理，從根本上減少了在應用維護期間的編碼設計的工作量，以配置代編碼的工作模式在降低系統業務復雜度的同時卻極大提高了其靈活度。

3 系統平臺關鍵技術

3.1 超融合與全生命周期管理的多重認證技術

3.1.1 基于超融合技術的服務器虛擬化應用

系統采用UniServer R4900 超融合服務器5 臺，配置UIS 超融合管理軟件和虛擬化軟件，采用云原生、赤霄加速、多角色、混合云、智能邊緣云6 大創新引擎，最終實現了“即刻共享，一步上云”的虛擬化場景。

通過超融合及虛擬化配置是及應用，完成虛擬服務器12 臺，Raid5 虛擬共享存儲80 T，承載應用部署86 個，全負荷工作時CPU 占用率不超過30%，保證了系統容災、減災的能力，在一定程度上達到了算力和網絡速率的負載平衡，實現了管控平臺的高可靠穩定性。

3.1.2 全生命周期管理的多重認證角色管理

在系統設計開發中，將系統功能進行分類，包括系統監測類、系統參數類和系統維護類3 個層次，3 種角色對應3 個層次，通過Session 技術進行過多重認證。全生命周期管理的多重認證角色管理如圖4。

圖4 全生命周期管理的多重認證角色管理Fig.4 Multiple authentication role management for full lifecycle management

以角色區分權限，實現細分功能的定制化，用戶以指定角色登錄，在系統中的每一個動作均實現多重認證，從而保證系統數據不被非法篡改、系統設備不被非授權控制、系統業務不被非認證操作等。系統平臺通過“用戶-角色-權限-多重認證”配置實現全生命周期管理的系統安全性。

3.2 智能聯動預警技術

智能聯動預警的關鍵技術在于平臺將各子系統的監測點和控制點按照類別、區域、危險等級進行分類，用戶可通過系統提供的配置工具可將任意點位的異常與其他控制點進行關聯，并實現控制點動作的順序延時響應。

在監測點異常判定上，平臺可提供人工智能驅動的預測性分析，替代企業管理者對生產過程的風險變化做出及時響應，提高風控決策效率。平臺智能聯動范疇包括生產及輔助系統、安全監控與指揮系統、應急救援系統、調度通信系統等。

4 結 語

基于多源組態技術的恒姑煤礦智能化管控平臺，在生產過程中實現了自動化、智能化，在企業管理中實現了信息化，在具體實踐中實現了對煤礦生產控制系統工作狀態的遠程監控、遠程診斷以及優化調度。與管控平臺應用前相比，恒姑煤礦原煤年產量提升8.33%，每年減少支出208 萬元，切實提高了恒姑煤礦的企業管理水平和管理效率。