胡孝保

【摘 要】煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，本文就煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成中數(shù)據(jù)集成協(xié)議、數(shù)據(jù)集成方式、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)彌補(bǔ)等問題進(jìn)行探討并提出相應(yīng)的解決思路。

【關(guān)鍵詞】煤礦；監(jiān)測(cè)監(jiān)控；數(shù)據(jù)集成

0.前言

在煤礦安全生產(chǎn)中，裝備礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、可視等多功能的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，是提高礦井現(xiàn)代化管理水平，達(dá)到安全高效目標(biāo)而不可或缺的舉措。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)作為礦井信息管理系統(tǒng)的一部分，主要用來監(jiān)測(cè)井下的各類環(huán)境參數(shù)和工況參數(shù)，及時(shí)提供安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的信息，通過對(duì)信息的分析做出安全生產(chǎn)決策，極大的提高了礦井的防災(zāi)抗災(zāi)能力。但監(jiān)測(cè)監(jiān)控中采集的大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都沉睡在各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的主機(jī)中，未能發(fā)揮數(shù)據(jù)的應(yīng)有作用，而即使有系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)作了一定的分析和利用，但也只局限于其系統(tǒng)內(nèi)部，無法針對(duì)全礦的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和利用。因此，建立開放且一致的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)顯得尤為重要，而監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的集成則是該平臺(tái)的基礎(chǔ)和必要條件。煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成是將煤礦現(xiàn)有在用的各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過一定的技術(shù)途徑集成到一個(gè)共享平臺(tái)（即煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心）中，將原本分散于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集成協(xié)議經(jīng)轉(zhuǎn)換、采集、處理、存儲(chǔ)等多個(gè)環(huán)節(jié)，最后統(tǒng)一集中存儲(chǔ)于公共的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，從而將一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)孤島整合成一個(gè)煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心。本文將就煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成中數(shù)據(jù)集成協(xié)議、數(shù)據(jù)集成方式、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)彌補(bǔ)等問題進(jìn)行探討并提出相應(yīng)的解決思路。

1.數(shù)據(jù)集成協(xié)議

由于各監(jiān)控子系統(tǒng)由不同的廠家設(shè)計(jì)、研發(fā)，采用的技術(shù)和數(shù)據(jù)格式不盡相同。顯然，針對(duì)不同的系統(tǒng)、不同的廠家開發(fā)和設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序的方案較為復(fù)雜，工作量太大，因此，必須提出數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過讓各監(jiān)控子系統(tǒng)按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集程序才能按照統(tǒng)一的格式采集各系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

協(xié)議的制定需要考慮以下幾個(gè)方面的問題：

1.1 協(xié)議的適用性

協(xié)議內(nèi)容應(yīng)覆蓋不同系統(tǒng)各種類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，確保各系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都能集成進(jìn)來，比如按模擬量、狀態(tài)量等分類定義數(shù)據(jù)描述信息等。目前，市場(chǎng)上采用的協(xié)議主要來源于原來安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，由于當(dāng)初協(xié)議的制定只限于安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，存在一定的缺陷和遺漏。比如上面提到的適用性問題，原來安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中開關(guān)量只有開停2種狀態(tài)，而現(xiàn)在多需要支持故障狀態(tài)，變成了3種狀態(tài)，這樣，原有的協(xié)議就無法滿足要求。事實(shí)上，通過對(duì)煤礦大多數(shù)系統(tǒng)的研究和分析，3種狀態(tài)也不能滿足要求，為了使協(xié)議適應(yīng)更廣泛的系統(tǒng)，協(xié)議中將開關(guān)量修改為狀態(tài)量，可以支持多種狀態(tài)的描述。

1.2 斷點(diǎn)續(xù)傳特性

由于集成的數(shù)據(jù)來自不同的應(yīng)用主機(jī)，受應(yīng)用主機(jī)穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)連接可靠性等因素的影響，數(shù)據(jù)采集可能存在中斷現(xiàn)象。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)、可靠和準(zhǔn)確，協(xié)議應(yīng)支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳特性，確保在應(yīng)用主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)后，中斷期間的數(shù)據(jù)仍然能夠傳輸至煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心。

目前，多數(shù)協(xié)議未考慮到斷點(diǎn)續(xù)傳問題，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障、采集程序故障等問題，就會(huì)丟失數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 協(xié)議的一致性

雖然監(jiān)控子系統(tǒng)多樣，但采用的數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議應(yīng)一致，這既簡(jiǎn)化了子系統(tǒng)廠家按協(xié)議提供數(shù)據(jù)，又便于煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接入。

2.數(shù)據(jù)的集成方式

對(duì)不同的監(jiān)控子系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)集成方式也有所不同，目前常用的數(shù)據(jù)接入方式主要為OPC方式和文本文件方式。

2.1 OPC方式

OPC協(xié)議是開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，WinCC、Intouch、IFix等主流工控廠商的組態(tài)軟件都提供了標(biāo)準(zhǔn)的OPC數(shù)據(jù)訪問接口。OPC是基于微軟DCOM技術(shù)構(gòu)建，數(shù)據(jù)傳輸效率較高，響應(yīng)速度快，但由于DCOM的缺陷，針對(duì)OPCServer端的安全配置較為繁瑣，跨防火墻訪問也存在問題。為解決這些問題，也可以采用一些第三方產(chǎn)品，比如MatrikonOPC Tunneller、OPCDataHub等，可以實(shí)現(xiàn)跨防火墻訪問、DCOM零配置等，如圖1所示。

圖1 Matr ikonOPC T unneller 產(chǎn)品示意圖

2.2 文本文件方式

各監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)約定的數(shù)據(jù)集成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，生成相應(yīng)的文本文件，集成方讀取和解析文本文件，將數(shù)據(jù)采集到煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心。

文本文件方式的優(yōu)點(diǎn)在于協(xié)議容易理解，各監(jiān)控子系統(tǒng)廠家容易編寫出相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，生成的文本文件可以直接閱讀，便于問題的排除和區(qū)分。而其缺點(diǎn)主要是由于通過磁盤文件來交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸效率較差。

3.數(shù)據(jù)的壓縮

隨著煤礦生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷完善和增多，產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也越來越龐大，如果沒有高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，建立煤礦監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心將比較困難。由于生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都是秒級(jí)甚至毫秒級(jí)數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)的直接采集存儲(chǔ)方案，將會(huì)占用大量的存儲(chǔ)空間，大大增加存儲(chǔ)成本并極大地影響系統(tǒng)處理效率。生產(chǎn)過程的原始測(cè)量數(shù)據(jù)中包含大量的冗余和不相關(guān)信息，在保留過程特征信號(hào)的基礎(chǔ)上剔除冗余和不相關(guān)信息，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)壓縮的本質(zhì)是數(shù)據(jù)變換，它是在壓縮比和信號(hào)保真度或逼近誤差之間尋求一種折衷的方法。過程數(shù)據(jù)壓縮方法基本分為3種，即分段線性方法、矢量量化方法及信號(hào)變換法。而分段線性方法又包括矩形波串法、向后斜率法、SDT（Swing Door Trending，旋轉(zhuǎn)門）法及PLOT法。

由于過程數(shù)據(jù)大多是緩慢變化的數(shù)據(jù)，采用分段線性化的方法可以很好地表示歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，在工業(yè)過程中應(yīng)用最多的是SDT方法，它的突出優(yōu)點(diǎn)就是算法簡(jiǎn)單、執(zhí)行速度快。國(guó)外知名的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫PI以及部分組態(tài)軟件廠家iFix等都基于該算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮處理。

4.數(shù)據(jù)的彌補(bǔ)

在數(shù)據(jù)集成的過程中，可能存在各種原因引起數(shù)據(jù)丟失情況，比如現(xiàn)場(chǎng)傳感器故障、監(jiān)控子系統(tǒng)主機(jī)故障等，為了給數(shù)據(jù)分析提供完整的數(shù)據(jù)，需要考慮數(shù)據(jù)的彌補(bǔ)機(jī)制。

彌補(bǔ)的途徑和方法如下：

（1）通過前后關(guān)聯(lián)傳感器的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)模型，推算出相應(yīng)的缺失值。比如工作面瓦斯，可以根據(jù)上隅角或回風(fēng)流瓦斯之間的關(guān)聯(lián)模型來進(jìn)行推算，而該數(shù)學(xué)模型可以通過正常情況下一段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，分析和建立兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為數(shù)據(jù)的彌補(bǔ)提供依據(jù)。

（2）通過傳感器過去的值以及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，推算出相應(yīng)的缺失值。根據(jù)缺失數(shù)據(jù)時(shí)間段的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及其它相關(guān)參數(shù)，在該數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)中尋找類似的現(xiàn)場(chǎng)狀況下的數(shù)據(jù)。比如工作面瓦斯?jié)舛?，其影響因素主要有采煤機(jī)的開停、風(fēng)速等，那么類似環(huán)境下的歷史數(shù)據(jù)則可以彌補(bǔ)缺失的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。

5.結(jié)語

煤礦井下是一個(gè)特殊的工作環(huán)境，有易燃、易爆可燃性氣體和煤塵。監(jiān)控系統(tǒng)作為預(yù)防和防止煤礦爆炸等災(zāi)難性事故起到了不可替代的作用，井下作業(yè)人員生命有了更高的安全保障，減少了國(guó)家財(cái)產(chǎn)和設(shè)備的損失。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)[J].工礦自動(dòng)化，2009（10）：4-7.