摘 要：目前，礦山的信息化、數(shù)字化系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)展雖然取得了長足進步，但各種單一功能的分站或者具備若干項功能的井下分站設(shè)備仍廣泛使用，集成度不高，維護及管理問題突出；另外，因其功能分散，統(tǒng)一指揮功能不容易得到發(fā)揮及使用，在搶險救災(zāi)等關(guān)鍵時刻容易導(dǎo)致拖延、貽誤等現(xiàn)象發(fā)。因此，研發(fā)煤礦井下模塊化分站及設(shè)備管理系統(tǒng)并將其應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐、用于救災(zāi)等就顯得十分必要。

關(guān)鍵詞：礦山信息化；集成度；分站設(shè)備；應(yīng)用

前言

目前，礦山的信息化系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)展方興未艾，但仍有許多煤礦使用各種單一功能的分站或者具備若干項功能的井下分站設(shè)備，設(shè)備功能應(yīng)用不完善，缺少統(tǒng)一的通信及信息交換標準和平臺，獨立系統(tǒng)多，整體規(guī)劃和集成的較少，設(shè)備之間的信息交互少，利用率低，綜合功能欠缺，使得維護及管理問題突出。因此，研究將各個功能集成于一體的煤礦井下多功能綜合模塊化分站及分站統(tǒng)一管理系統(tǒng)并將其應(yīng)用于實踐尤為迫切。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

礦山的信息化建設(shè)需要建立在三個平臺基礎(chǔ)上，即統(tǒng)一的傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺及統(tǒng)一的應(yīng)用平臺。通過與致力于研究和推動數(shù)字化礦山綜合通信系統(tǒng)建設(shè)的高新技術(shù)企業(yè)合作，我們首次提出“基于工業(yè)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的一網(wǎng)一站”的新概念，即開發(fā)一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只構(gòu)建一個或幾個多功能綜合模塊化分站，使用光纖傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳處理。利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)等構(gòu)建井下寬帶綜合通信基礎(chǔ)設(shè)施，研制了多功能模塊化分站，提升礦山安全信息化水平。

本課題以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建的信息化傳輸平臺，以模塊化軟件和實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)和管理過程的信息化應(yīng)用。多功能模塊化分站為系統(tǒng)承載平臺，該分站具有人員定位、通信聯(lián)絡(luò)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)廣播、視頻監(jiān)控、傳感器接口、設(shè)備控制等功能。支持各大系統(tǒng)的各種標準化終端和設(shè)備接入。網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

2 煤礦井下綜合模塊化分站系統(tǒng)硬件設(shè)計及開發(fā)

2.1 硬件系統(tǒng)

本課題開發(fā)的的系統(tǒng)硬件——井下模塊化分站硬件系統(tǒng)，是一個基于IP/以太網(wǎng)的多業(yè)務(wù)承載平臺，其實現(xiàn)的主要功能有：提供礦山網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)（wifi、zigbee、adsl、eoc、傳感器模擬信號等業(yè)務(wù)）的接入；融合接入設(shè)備與終端的綜合功能，提供多IP供終端業(yè)務(wù)的使用；提供統(tǒng)一網(wǎng)管對網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)管理。

2.2 硬件電路設(shè)計

模塊化分站一般作為井下作為網(wǎng)絡(luò)的傳輸節(jié)點和井下物聯(lián)網(wǎng)信息的匯聚點使用。與分站連接的設(shè)備包括分站、傳感器接口設(shè)備和專用網(wǎng)絡(luò)交換機等。分站的功能包括四個部分：模塊組合承載業(yè)務(wù)、給模塊和傳感器供電、具有交換機功能、配合網(wǎng)管管理模塊。

其硬件電路組成如下：背板：實現(xiàn)業(yè)務(wù)無關(guān)的以太網(wǎng)分組交換功能，完成各個模塊/單板之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；光交換模塊：提供千兆以太網(wǎng)接入功能；Wifi模塊：提供wifi及百兆以太網(wǎng)接入功能，同時實現(xiàn)wifi與以太網(wǎng)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換功能；標準擴展模塊：實現(xiàn)傳感器信號接入并轉(zhuǎn)化成IP/以太網(wǎng)報文，提供終端IP供傳感器模塊使用來與服務(wù)器進行通訊；精確定位模塊：實現(xiàn)zigbee信號接入并轉(zhuǎn)化成IP/以太網(wǎng)報文，提供終端IP供精確定位模塊使用來與服務(wù)器進行通信。

井下多功能模塊化分站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 軟件管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

基于多功能模塊化分站的軟件管理系統(tǒng)是礦山信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分，是針對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)進行管理的部分?？蛻舳送ㄟ^訪問運行在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的服務(wù)器，實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備節(jié)點的工作狀態(tài)，可根據(jù)客戶要求遠程控制及現(xiàn)場維護井下信息節(jié)點，為礦山信息化傳輸層提供管理保障。主要包括 API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）、APP（Application，應(yīng)用程序）設(shè)計兩部分。

3.2 API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）設(shè)計

3.2.1 API結(jié)構(gòu)設(shè)計

開發(fā)設(shè)計了API結(jié)構(gòu)。API也叫做“中間件”，通過使用API，可快速創(chuàng)建自己的應(yīng)用程序，而不需要了解底層的具體細節(jié)。API分為業(yè)務(wù)系統(tǒng)API（簡稱S-API）與網(wǎng)管系統(tǒng)API（M-API）。S-API主要實現(xiàn)對礦山信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行底層數(shù)據(jù)的綜合管理，將個子系統(tǒng)等傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)進行底層數(shù)據(jù)的采集，采用SOA架構(gòu)（面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）統(tǒng)一封裝為標準的API接口。通過標準的API協(xié)議，可以方便的在其基礎(chǔ)上開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，不用關(guān)心業(yè)務(wù)底層數(shù)據(jù)及物理層硬件工作數(shù)據(jù)，提升整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊化程度。M-API是針對系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的管理API，是對實際網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)虛擬化，并提供標準的接口，可以根據(jù)接口協(xié)議開發(fā)定制的管理軟件，使應(yīng)用層APP的開發(fā)更加靈活、易于維護。

3.2.2 API層模塊介紹

上層API：提供給應(yīng)用層標準的API調(diào)用接口；底層API：與底層數(shù)據(jù)交互接口，允許多種接口接入；數(shù)據(jù)區(qū)：存儲由底層API提供的數(shù)據(jù)，與處理模塊交互，最終根據(jù)上層API調(diào)用規(guī)則提供數(shù)據(jù)；處理區(qū)：對來自數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理；直傳通道：用于緊急應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)緊急、實時要求較高的數(shù)據(jù)交互通道；管理區(qū)：對API層各個模塊數(shù)據(jù)交互規(guī)則進行管理，對其交互處理行為進行日志保存。

3.3 APP（Application，應(yīng)用程序）設(shè)計

APP為系統(tǒng)上層應(yīng)用軟件，是與用戶直接交互的人機接口。通過調(diào)用API接口，APP可以根據(jù)實際應(yīng)用構(gòu)建為多種應(yīng)用形態(tài)。

本課題研究主要針對移動終端的APP設(shè)計。系統(tǒng)APP根據(jù)實際的應(yīng)用需求分為管理頻道、咨詢頻道、設(shè)置頻道及搜索頻道，通過三個主要的應(yīng)用頻道，可以對系統(tǒng)內(nèi)基本的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)進行實時查看，并可以根據(jù)實際情況進行遠程或現(xiàn)場維護。

3.4 軟件測試及現(xiàn)場應(yīng)用情況

移動終端用戶通過系統(tǒng)APP可修改用戶個人信息、修改密碼、調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置、反饋APP應(yīng)用意見、軟件升級等，并可現(xiàn)場查找設(shè)備名稱或ID等信息最終進入實際設(shè)備信息查看與設(shè)置界面的頻道，用戶可查看當前工業(yè)現(xiàn)場正在運行的設(shè)備信息、工作情況及工作狀態(tài)歷史記錄，并且可對設(shè)備和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進行維護、設(shè)置。軟件測試功能正常。

解決了傳統(tǒng)的數(shù)字化礦山系統(tǒng)設(shè)備冗余、維護復(fù)雜、設(shè)備無管理的問題，提高了信息處理的實時性、安全性，并降低成本。單個設(shè)備注入了可管理的代理軟件，通過軟件可對任意一臺設(shè)備進行所見即所得的管理，解決了傳統(tǒng)數(shù)字化礦山系統(tǒng)因管理缺陷導(dǎo)致的設(shè)備狀況無法監(jiān)控的問題。應(yīng)用于現(xiàn)場以來效果良好。

4 創(chuàng)新與突破

（1）該本安型井下模塊化分站，接口豐富，可以用有線或者無線方式連接除瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)（按照要求必須獨立傳輸）傳感器之外各其他系統(tǒng)傳感器和終端設(shè)備，包括攝像頭、智能終端和PLC可編程邏輯控制模塊等，實現(xiàn)集中監(jiān)測及所有系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護。

（2）對系統(tǒng)的應(yīng)用軟件建立了統(tǒng)一的調(diào)用接口，即在應(yīng)用軟件與硬件層之間建立標準的API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序可編程接口）。軟件開發(fā)、硬件開發(fā)相互獨立，增加系統(tǒng)的技術(shù)彈性，只要遵循API的標準接口，任何一個應(yīng)用軟件都可以快速進行設(shè)計，且因為接口的標準統(tǒng)一，軟件與軟件之間接口都通用。

（3）建立了智能化的礦山信息化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)?？梢栽谌我鈺r刻、任意地點監(jiān)測到井下各大系統(tǒng)的工作情況。

（4）解決了傳統(tǒng)數(shù)字化礦山系統(tǒng)各自獨立所導(dǎo)致的問題。比如系統(tǒng)設(shè)備冗余、維護復(fù)雜、設(shè)備管理缺陷等，提高了信息處理的實時性、安全性，并降低了成本。

參考文獻

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作者簡介：王朋煒（1969-），河北省曲陽縣人，1992年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，中國礦業(yè)大學(xué)安全專業(yè)工程碩士，教授級高級工程師，現(xiàn)任中煤平朔集團公司機電專家、中煤平朔北嶺煤業(yè)公司副經(jīng)理。