林浩偉

(安徽理工大學(xué)　后勤集團(tuán)，安徽　淮南　232001)

基于SOA的煤礦異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成研究

林浩偉*

(安徽理工大學(xué)后勤集團(tuán)，安徽淮南232001)

摘要：在對(duì)煤礦異構(gòu)數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行梳理、歸納、分類的基礎(chǔ)上，建立從煤礦底層數(shù)據(jù)到應(yīng)用層共包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)源層、中間接口層、應(yīng)用層4層的煤礦系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合集成模型，并提出基于SOA煤礦系統(tǒng)集成框架，實(shí)現(xiàn)煤礦各子系統(tǒng)間的信息交互，為綜合數(shù)據(jù)查詢、三維可視化集成、智能決策提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問平臺(tái)和綜合集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：煤礦異構(gòu)系統(tǒng)；綜合集成模型；中間接口層；企業(yè)服務(wù)總線；面向服務(wù)體系架構(gòu)

近年來，煤礦信息化建設(shè)得到迅速發(fā)展，國內(nèi)一些煤礦企業(yè)已經(jīng)建設(shè)企業(yè)自己內(nèi)部的局域網(wǎng)，同時(shí)他們還與相關(guān)科研院所、高?；诰W(wǎng)絡(luò)合作開發(fā)了管理信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于這些信息系統(tǒng)所采用的硬件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不同, 彼此之間相對(duì)封閉、無法兼容、無法實(shí)現(xiàn)信息共享，因此形成了復(fù)雜的異構(gòu)環(huán)境[1-2]。如何構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)集成平臺(tái)，將這些不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成起來，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問、信息綜合查詢[3]、三維可視化顯示，從而進(jìn)一步對(duì)這些信息進(jìn)行綜合分析為礦井設(shè)備故障、安全狀況、安全環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為管理者提供決策數(shù)據(jù)是當(dāng)前煤礦企業(yè)亟待解決的問題。

1煤礦系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成

1.1煤礦數(shù)據(jù)環(huán)境分析

目前，很多煤礦企業(yè)已先后開發(fā)了辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等管理系統(tǒng)，人員定位系統(tǒng)、地測(cè)制圖系統(tǒng)、工業(yè)視頻系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等安全生產(chǎn)監(jiān)管系統(tǒng)，輔助提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面監(jiān)系統(tǒng)、頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、回采工作面監(jiān)控系統(tǒng)等綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)[4]。隨著科技飛速發(fā)展，又相繼推出了基于WSN (無線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)和Web-GIS(互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng))技術(shù)的煤礦信息化系統(tǒng)。但這些煤礦信息系統(tǒng)之間存在一些問題：1)信息系統(tǒng)設(shè)備眾多，數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)方式相對(duì)獨(dú)立，互不兼容。2)現(xiàn)有多數(shù)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自成體系、交互困難、互不共享，形成了大量分散異構(gòu)的“信息孤島”。3)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沒有充分得到利用，沒有對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，進(jìn)而提取有用的信息用于決策支持。4)信息系統(tǒng)的可視化功能差，展現(xiàn)的圖形是平面示意圖和組態(tài)圖，沒有三維立體圖展現(xiàn)功能，缺乏先進(jìn)性。

為此，對(duì)煤礦信息系統(tǒng)集成提出要求：1)需要實(shí)現(xiàn)各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(信息管理系統(tǒng))的有機(jī)集成，方便用戶進(jìn)行綜合查詢。2)煤礦安全事故較多，煤礦中有很多歷史數(shù)據(jù)(尤其是監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)),其中蘊(yùn)藏著很多有價(jià)值的信息，可以將這些數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)倉庫中為煤礦安全事故預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘提供依據(jù)。3)三維可視化顯示，通過煤礦空間數(shù)據(jù)構(gòu)造三維圖形，在三維圖形中展示各種設(shè)備、人員、環(huán)境參數(shù)等各種信息。

1.2煤礦系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成總體框架

針對(duì)當(dāng)前煤礦企業(yè)對(duì)信息系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的需求及特點(diǎn)，建立了從煤礦企業(yè)底層數(shù)據(jù)到應(yīng)用層，共包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)源層、中間接口層、應(yīng)用層等4層的煤礦信息系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合集成框架，如圖1所示。

圖1　煤礦系統(tǒng)集成總體框架

1)數(shù)據(jù)采集層主要是通過各種傳感器等設(shè)備采集煤礦井下各種參數(shù)數(shù)據(jù)。2)數(shù)據(jù)源層由不同來源的數(shù)據(jù)構(gòu)成，包括從煤礦井下采集的監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及煤礦信息管理系統(tǒng)和煤礦地質(zhì)、環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、文件、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源。3)中間接口層位于應(yīng)用層和數(shù)據(jù)源之間，采用一定的數(shù)據(jù)融合方法，把煤礦各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源集成起來，對(duì)于數(shù)據(jù)源來說，對(duì)數(shù)據(jù)源采用一定的存儲(chǔ)、管理方法，對(duì)于應(yīng)用層來說提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。4)應(yīng)用層是用戶界面層，根據(jù)具體的應(yīng)用和用戶需求開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件。

1.3中間接口層的數(shù)據(jù)集成模型

本文提出的數(shù)據(jù)集成方法共有3種：聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫、中間件和數(shù)據(jù)倉庫。它們有各自的特點(diǎn)要靈活使用。

聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫是各異構(gòu)數(shù)據(jù)源之間需要構(gòu)造不同的接口進(jìn)行兩兩映射連接，隨著數(shù)據(jù)源的增多，接口的數(shù)量急劇增加，這對(duì)于系統(tǒng)的擴(kuò)展極為不利。中間件[6-7]通過中間件系統(tǒng)把各個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源采用包裝器轉(zhuǎn)換為全局?jǐn)?shù)據(jù)模式，滿足上層集成應(yīng)用的不同要求，從而屏蔽了各個(gè)數(shù)據(jù)源的異構(gòu)性。數(shù)據(jù)不集中存放，仍然存放在各自的數(shù)據(jù)源中，用戶的查詢通過中間件進(jìn)行集成和分解。數(shù)據(jù)倉庫法將所需數(shù)據(jù)從原來的數(shù)據(jù)中抽取出來，進(jìn)行加工與集成，統(tǒng)一與綜合之后，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)倉庫中，然后進(jìn)行聯(lián)機(jī)分析處理(On-Line Analytical Processing, OALP)和數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)，幫助決策者快速有效地從大量資料中分析出有價(jià)值的信息。

煤礦信息管理系統(tǒng)中大部分是易變數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)采用虛擬數(shù)據(jù)庫方式集成，而系統(tǒng)中不經(jīng)常改變的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)倉庫中。煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一方面需要實(shí)時(shí)顯示，另一方面需要從大量歷史數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息用于預(yù)測(cè)、決策，在保留原來的系統(tǒng)模式不變的基礎(chǔ)上存放在數(shù)據(jù)倉庫中。煤礦中各種地測(cè)數(shù)據(jù)基本相對(duì)穩(wěn)定，所以一般采用數(shù)據(jù)倉庫集成模型。針對(duì)數(shù)據(jù)源的不同，本文采用了虛擬數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫混合集成模型，這2種模型不是簡(jiǎn)單的混合，而是對(duì)功能相似的部分進(jìn)行抽取、合并、改造。數(shù)據(jù)源不再是到單一數(shù)據(jù)集成模式的映射，而是有選擇性地到某一種集成模式的映射，這一映射關(guān)系也需要統(tǒng)一管理；虛擬數(shù)據(jù)庫模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)的映射和數(shù)據(jù)倉庫集成模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)的映射關(guān)系的定義和管理統(tǒng)一放在元數(shù)據(jù)庫管理模塊。應(yīng)用層在訪問數(shù)據(jù)源時(shí)通過集成服務(wù)管理器進(jìn)行處理。

元數(shù)據(jù)庫子層、集成服務(wù)管理器子層、虛擬數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集成子層和數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)集成子層是煤礦系統(tǒng)中間接口層的數(shù)據(jù)集成模型的4個(gè)子層，如圖2所示。

圖2　煤礦數(shù)據(jù)集成中間接口層模型

集成到虛擬數(shù)據(jù)庫的每個(gè)數(shù)據(jù)源都對(duì)應(yīng)一個(gè)包裝器，這個(gè)包裝器對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行封裝，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型，提供系統(tǒng)采用的一致的訪問機(jī)制。集成到數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)源通過特定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，以需要的全局模式定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、清理、轉(zhuǎn)換，再封裝到數(shù)據(jù)倉庫中。數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)更新通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具中的刷新來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)按照主題分別存放在不同的數(shù)據(jù)集市中。元數(shù)據(jù)庫模塊定義了兩級(jí)粒度：第一級(jí)粒度定義了集成服務(wù)管理器到虛擬數(shù)據(jù)庫模塊和數(shù)據(jù)倉庫模塊之間的映射關(guān)系，確定了集成服務(wù)管理器到底訪問哪一部分的數(shù)據(jù)；第二級(jí)粒度是數(shù)據(jù)源到虛擬數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系和數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)倉庫集成模塊的映射關(guān)系。元數(shù)據(jù)管理模塊一方面為集成系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了可能，另一方面明確了數(shù)據(jù)的訪問對(duì)象。集成服務(wù)管理器負(fù)責(zé)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)訪問、查詢和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)源之間的信息，集中為異構(gòu)數(shù)據(jù)源提供一個(gè)高層次服務(wù)。

2煤礦異構(gòu)系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)

為解決現(xiàn)有煤礦系統(tǒng)之間信息交互沒有相同的標(biāo)準(zhǔn)可遵循[5]、業(yè)務(wù)功能不能隨需所變的問題[6]，更好地實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)集成，在上述煤礦系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成框架基礎(chǔ)上，提出了基于ESB(Enterprise Service Bus, 企業(yè)服務(wù)總線)-SOA(Service-Oriented Architecture, 面向服務(wù)體系架構(gòu))的煤礦系統(tǒng)集成框架。

2.1SOA的組成

SOA是一種業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)方式，是一個(gè)組件模型。SOA的核心主體是服務(wù)，它是一種動(dòng)態(tài)綁定、模塊化、互操作、粗粒度、開放式、松耦合、位置透明的服務(wù)結(jié)構(gòu)。SOA 為各異構(gòu)系統(tǒng)的集成提供統(tǒng)一的交互協(xié)議[7]。本文將應(yīng)用系統(tǒng)所擁有的各種功能封裝成服務(wù)之后，引入ESB-SOA便可以將各種功能連接起來，解決煤礦企業(yè)各系統(tǒng)間進(jìn)行互操作遇到的困難和異構(gòu)性。

SOA體系架構(gòu)包括3個(gè)主要角色：服務(wù)注冊(cè)中心、服務(wù)提供者和服務(wù)請(qǐng)求者,如圖3所示。

圖3　SOA體系架構(gòu)

2.2SOA架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言)、Web Services(網(wǎng)絡(luò)服務(wù))、 SOAP(Simple Object Access Protocol，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議)、UDDI(Universal Description, Discovery and Integration，通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成服務(wù))、WSDL(Web Services Description Language，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)描述語言)都是實(shí)現(xiàn)SOA架構(gòu)的重要技術(shù)。 XML是網(wǎng)絡(luò)中對(duì)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)交互進(jìn)行描述的標(biāo)準(zhǔn)，也是構(gòu)建松散耦合程序的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。SOAP協(xié)議作為一種標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議，能夠?yàn)榉?wù)消費(fèi)者與服務(wù)提供者的相互通信制定統(tǒng)一而標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)則。UDDI是一種以XML和SOAP為基礎(chǔ)的、可看作Web服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。WSDL是一種Web服務(wù)描述語言。Web Services 是實(shí)現(xiàn)SOA架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有語言無關(guān)性、硬件無關(guān)性等優(yōu)點(diǎn)，它運(yùn)用XML使網(wǎng)絡(luò)中各異構(gòu)系統(tǒng)之間的通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化，以解決各異構(gòu)系統(tǒng)間的集成問題。

SOA架構(gòu)是一種集成方法，而ESB是實(shí)現(xiàn)SOA治理的重要支撐平臺(tái)，是SOA解決方案的核心，是連接SOA系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)相互通訊的最佳工具。當(dāng)前，被普遍使用的SOA架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模型，是國際開放群組(The Open Group) 在1993年提出的，歷經(jīng)15年9個(gè)版本后形成的，如圖4所示。

圖4　SOA標(biāo)準(zhǔn)模型

2.3基于SOA煤礦系統(tǒng)集成框架

基于SOA煤礦系統(tǒng)集成分為7個(gè)層次[9-10]：第1層：應(yīng)用系統(tǒng)層。煤礦企業(yè)當(dāng)前使用的應(yīng)用系統(tǒng)和其他資源，主要包括財(cái)務(wù)管理、人員管理等組件或業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。第2層：組件層。該層是使用相關(guān)技術(shù)對(duì)煤礦企業(yè)使用IT應(yīng)用系統(tǒng)的部分功能或組件進(jìn)行過濾包裝成服務(wù)后，向外部提供。第3層：服務(wù)層。該層是煤礦集成系統(tǒng)中關(guān)鍵的一層，它用底層功能組件來構(gòu)建所需的不同功能服務(wù)，并進(jìn)行注冊(cè)起來，使服務(wù)可以被發(fā)現(xiàn)、發(fā)布或直接靜態(tài)綁定。第4層：企業(yè)服務(wù)總線層。該層提供可靠消息傳輸、服務(wù)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、基于內(nèi)容的路由等功能，屏蔽了服務(wù)的物理位置，協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。第5層：業(yè)務(wù)流程層。該層對(duì)注冊(cè)的服務(wù)進(jìn)行合成和編排，使用服務(wù)被綁定成一個(gè)新流程，作為獨(dú)立的應(yīng)用程序。第6層：表現(xiàn)層。該層是用來向用戶提供用戶接口服務(wù)和用戶訪問服務(wù)的。第7層：基礎(chǔ)架構(gòu)層。該層通過對(duì)諸如安全、性能和可用性等提供監(jiān)視、管理和維持等服務(wù)質(zhì)量的能力。

根據(jù)上述煤礦系統(tǒng)集成分層，參照SOA標(biāo)準(zhǔn)模型，提出了基于ESB-SOA煤礦系統(tǒng)集成框架，實(shí)現(xiàn)煤礦各子系統(tǒng)間的信息交互，如圖5所示。

圖5　基于ESB-SOA煤礦系統(tǒng)集成框架

該集成框架主要利用各種適配技術(shù)在適配器層封裝煤礦系統(tǒng)中各異構(gòu)系統(tǒng)，并將其連接到ESB總線上消除差異性。適配器采用XML字符串完成對(duì)煤礦系統(tǒng)中異構(gòu)數(shù)據(jù)的封裝，然后利用AJAX引擎將數(shù)據(jù)傳遞接口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)接口[10]，從而實(shí)現(xiàn)將統(tǒng)一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給ESB，再通過業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)服務(wù)層等實(shí)現(xiàn)煤礦各子異構(gòu)系統(tǒng)間的信息交互。

3結(jié)語

本文針對(duì)煤礦信息資源的異構(gòu)性特征，在認(rèn)真分析煤礦企業(yè)現(xiàn)有數(shù)據(jù)環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦信息化建設(shè)急需解決的問題，把煤礦信息系統(tǒng)分為煤礦地質(zhì)環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)三大類，提出了包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)源層、中間接口層、應(yīng)用層的煤礦系統(tǒng)總體集成模型，設(shè)計(jì)了基于SOA煤礦系統(tǒng)集成框架。該集成框架既能實(shí)現(xiàn)煤礦綜合業(yè)務(wù)查詢，又可實(shí)現(xiàn)煤礦歷史數(shù)據(jù)分析、災(zāi)害預(yù)測(cè)、決策支持等服務(wù)，增加了煤礦企業(yè)信息化系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、跨平臺(tái)性、可伸縮性和可移植性，將來在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的功能，使煤礦信息系統(tǒng)真正達(dá)到深度集成。

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Research on the Integration of Heterogeneous System in Coal Mine Based on SOA

LINHaowei*

(Logistics Group, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract:Based on the induction, generalization and classification of heterogeneous data in coal mines, an integration model of heterogeneous data in coal mine system was established from the underlying data to the application layer, including the 4 layers of data acquisition layer, data source layer, interface layer, and application layer. What’s more, the paper put forward the integration framework of coal system based on SOA and realized the information interaction between each subsystem of mine, so as to provide a unified data access platform and integrated structure for comprehensive data query, 3D visualization integration and intelligent decision-making.

Key words:heterogeneous system in coal mine; integrated model; intermediate interface layer; Enterprise Service Bus(ESB)；Service-Oriented Architecture(SOA)

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.010

收稿日期：2016-04-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金“基于信息融合的煤礦致災(zāi)機(jī)理建模及預(yù)測(cè)”(51174257)

作者簡(jiǎn)介：林浩偉(1978— )，男(漢族)，江蘇淮安人，工程師，碩士，研究方向：電子信息管理、數(shù)據(jù)挖掘等，通信作者郵箱：46933839@qq.com。

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383(2016)02-0035-03