太原理工大學(xué) 暴 晶

空軍勤務(wù)學(xué)院 張 欣

徐州市水利局市區(qū)泵站 朱 謹(jǐn)

中國礦業(yè)大學(xué) 張 凱

基于地理信息背景的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)

太原理工大學(xué) 暴 晶

空軍勤務(wù)學(xué)院 張 欣

徐州市水利局市區(qū)泵站 朱 謹(jǐn)

中國礦業(yè)大學(xué) 張 凱

當(dāng)前礦山監(jiān)控系統(tǒng)缺乏數(shù)據(jù)綜合展示平臺和手段，沒有形成綜合化的信息共享、呈現(xiàn)平臺，單一的信息子集或者信息子集的簡單羅列難以全面反映、分析、預(yù)判礦井的整體綜合安全態(tài)勢。為了解決該問題，提出綜合利用多種新型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地圖服務(wù)技術(shù)和應(yīng)用層即時(shí)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種基于地理環(huán)境背景的礦山多系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合展示方法，綜合完整的顯示實(shí)時(shí)井下工作情況，推進(jìn)煤礦生產(chǎn)的綜合安全管理。

監(jiān)控系統(tǒng)；煤礦；綜合監(jiān)控；地理信息系統(tǒng)

1 概述

煤礦生產(chǎn)安全是一個(gè)復(fù)雜綜合性問題，井下生產(chǎn)涉及供電、通風(fēng)、排水、人員管理、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備管理等多方面因素，而且各種因素相互之間能夠相互影響[1][3]。盡管當(dāng)前大多數(shù)煤礦企業(yè)都有了多元的井下監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)基本只涵蓋某一領(lǐng)域，沒有形成綜合化的信息共享、呈現(xiàn)平臺，單一的信息子集或者信息子集的簡單羅列難以全面反映、分析、預(yù)判礦井的整體綜合安全態(tài)勢[2][3]。為了解決該問題，本論文提出了一種礦山多系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合展示方法，以地理信息系統(tǒng)的方式綜合，將不同的環(huán)境、人員位置、設(shè)備狀態(tài)等信息及時(shí)顯示出來，綜合完整的顯示實(shí)時(shí)井下工作情況，希望進(jìn)一步推進(jìn)煤礦生產(chǎn)的安全管理。

2 當(dāng)前礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題

當(dāng)前煤礦各個(gè)子系統(tǒng)和綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)提高了煤礦安全生產(chǎn)的自動化與信息化水平，但也存在不少的問題：

1)無法在一個(gè)統(tǒng)一的平臺上管理?，F(xiàn)有的軟件系統(tǒng)由于前期開發(fā)沒有經(jīng)過統(tǒng)一的考慮，形成的系統(tǒng)都比較獨(dú)立。軟件架構(gòu)不同，有采用不同的開發(fā)環(huán)境。無法在一個(gè)統(tǒng)一的平臺上進(jìn)行管理，給用戶的使用帶來不便[5][7]。

2)數(shù)據(jù)無法共享。各個(gè)軟件系統(tǒng)采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對于共同使用的信息會存儲不同的版本，例如地圖的更新無法及時(shí)反映到所有的GIS平臺上，造成了信息的不同步[4]。

3)軟件重復(fù)開發(fā)，效率低下。各個(gè)子系統(tǒng)中存在功能類似的模塊都進(jìn)行了重復(fù)開發(fā)，沒有形成可有效重用的模塊，造成系統(tǒng)研發(fā)效率低下[8]。

如果可以將各種信息全面搜集，使煤礦地理信息、監(jiān)控傳感器信息、人員分布信息、設(shè)備狀態(tài)信息綜合展現(xiàn)，將能夠?qū)γ旱V安全生產(chǎn)更好的實(shí)施管控。

3 基于地理環(huán)境的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)

為解決以上問題，論文提出通過設(shè)計(jì)一種時(shí)空統(tǒng)一的實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，將海量異構(gòu)實(shí)時(shí)信息存儲，形成一個(gè)全礦井的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息交換平臺，然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合地理信息系統(tǒng)將不同子系統(tǒng)的監(jiān)控信息通過實(shí)時(shí)GIS的方式展現(xiàn)，形成增強(qiáng)型的礦山綜合信息系統(tǒng)。這樣來提高煤礦井下全面監(jiān)控的力度和信息的利用效率。

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體采用B/S方式，如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)橫向上可以分為前端部分和后端部分，前端部分包括了實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸、地圖操控和頁面控制等三個(gè)主要組件。

圖1 系統(tǒng)軟件模塊圖

后端則集中了系統(tǒng)的主要邏輯業(yè)務(wù)功能，縱向上它分為數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)交換層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)接入層主要完成了各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入的功能，該層通過實(shí)現(xiàn)向上統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入接口，無論底層數(shù)據(jù)共享是通過OPC、FTP、MODBUSTCP或是數(shù)據(jù)庫讀寫等手段，但最終向上層都實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口，這樣屏蔽了底層的差異性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；數(shù)據(jù)交換層包括靜態(tài)信息存儲區(qū)、動態(tài)信息存儲區(qū)以及數(shù)據(jù)讀寫使用的開放API，靜態(tài)區(qū)域主要存儲測點(diǎn)的配置信息（包括測點(diǎn)的名稱、點(diǎn)號、數(shù)據(jù)類型、空間坐標(biāo)、所屬系統(tǒng)、功能描述等），動態(tài)區(qū)域?qū)嶋H上可以看做是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)存庫，這里面存儲了各個(gè)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，而接口協(xié)議API主要實(shí)現(xiàn)了大批量數(shù)據(jù)快速讀寫的功能；應(yīng)用層包含了基礎(chǔ)地圖服務(wù)和一些功能組件，用來將大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與GIS相結(jié)合，并完成了系統(tǒng)必須的配置與管理功能，需要指出的是基礎(chǔ)地圖服務(wù)本身并不像一個(gè)應(yīng)用模塊那么簡單，它是一個(gè)完備的實(shí)現(xiàn)了OGC標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)提供者[7]，它可以是ArcGIS這樣龐大昂貴的商用軟件也可以是GEOServer這樣精巧開源的開放軟件，而我們只需要它提供的標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)交換層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)交換層是系統(tǒng)的關(guān)鍵，其關(guān)鍵思想是在一致的時(shí)間和空間條件下綜合不同子系統(tǒng)的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，向上形成時(shí)空統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)結(jié)合使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、NoSQL內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和大文件存儲技術(shù)。系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)、描述文件等靜態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化存儲與訪問，各自異構(gòu)的多元子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被過濾，通過一致地?cái)?shù)據(jù)描述方法和形式、一致的數(shù)據(jù)存儲接口方式，這樣便于信息的融合，同樣有利于將來更新科技水平條件下的信息更高層次利用。3.2.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)、報(bào)警和測點(diǎn)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析需求，論文使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)相關(guān)的所有配置、報(bào)警數(shù)據(jù)，使用文件存儲方式存儲測點(diǎn)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)。

1)配置、報(bào)警數(shù)據(jù)存儲。配置數(shù)據(jù)主要包括人員信息、部門信息、測點(diǎn)類型、系統(tǒng)類型、測點(diǎn)與系統(tǒng)關(guān)系、軟件安全管理信息等，這些信息關(guān)聯(lián)信息強(qiáng)，通過SQL語言可以方便查詢和操作；報(bào)警歷史數(shù)據(jù)雖然只是各個(gè)測點(diǎn)歷史超限數(shù)值的記錄，但相對于所有測點(diǎn)的不間斷歷史記錄數(shù)量很小，而且通過SQL語言可以根據(jù)時(shí)間、區(qū)域、名稱、測點(diǎn)號、系統(tǒng)編號等多種條件查詢。因此，這些數(shù)據(jù)論文中都設(shè)計(jì)采用采用E-R關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲。

2)測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)存儲。測點(diǎn)歷史記錄數(shù)據(jù)龐大，每個(gè)礦井下有數(shù)十個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)可能包含幾十、上百個(gè)測點(diǎn)，這樣統(tǒng)計(jì)下來，整個(gè)礦井測點(diǎn)數(shù)目將會達(dá)到上萬個(gè)測點(diǎn)，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫很可能出現(xiàn)瞬時(shí)巨量插入、數(shù)據(jù)表泛濫等問題。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種文件存儲的測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)存儲方法。系統(tǒng)將每個(gè)測點(diǎn)的歷史信息按日期和子系統(tǒng)類型分類，單獨(dú)存儲在一個(gè)文件夾中。如圖2所示，文件夾“A110905-001”代表安全監(jiān)控系統(tǒng)模擬量測點(diǎn)在9月5日的1號分塊歷史記錄。

圖2 文件目錄結(jié)構(gòu)

對于每個(gè)文件夾內(nèi)文件存儲，系統(tǒng)采用了多級緩存的模式。首先歷史文件存儲分為兩個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)和一個(gè)持久存儲區(qū)，即一級緩沖區(qū)、二次擬合區(qū)和持久區(qū)。新插入的歷史值首先被放入一級緩沖區(qū)，在該緩沖區(qū)內(nèi)，每次新的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)不是直接的將時(shí)間戳和測點(diǎn)值簡單追加記錄，而是根據(jù)時(shí)間戳間隔和數(shù)值變化進(jìn)行壓縮僅保存時(shí)域內(nèi)的變化率；當(dāng)該區(qū)數(shù)據(jù)存滿時(shí)，會被轉(zhuǎn)儲到二次擬合區(qū)，在這個(gè)過程中，數(shù)據(jù)會被再次壓縮，進(jìn)一步減小存儲空間需求；當(dāng)二次擬合區(qū)存滿時(shí)，數(shù)據(jù)將被寫入磁盤，保存在文件中。

3.2.2 動態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)采用了Memcached 作為動態(tài)數(shù)據(jù)存儲核心，Memcached內(nèi)存鍵值對數(shù)據(jù)庫是一個(gè)開源的分布式高性能內(nèi)存數(shù)據(jù)鍵值對緩存系統(tǒng)。它經(jīng)常被用來處理成對的哈希點(diǎn)數(shù)據(jù)，能夠達(dá)到極高的吞吐性能指標(biāo)，以減少應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫負(fù)載，被廣泛用于加速網(wǎng)頁訪問和分布式數(shù)據(jù)存取的動態(tài)負(fù)載均衡。

圖3 Memcached數(shù)據(jù)庫工作方式

如圖3所示，論文以Memcached作為實(shí)時(shí)動態(tài)測點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲方式，用戶瀏覽器通過WEB應(yīng)用程序可以直接訪問實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)存數(shù)據(jù)更新后，老的數(shù)據(jù)通過應(yīng)用程序轉(zhuǎn)儲到歷史數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。

圖4 “鍵值對”數(shù)據(jù)存儲格式

圖5 前端工作序列圖

如圖4所示，實(shí)時(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)以“鍵值對”形式存儲，測點(diǎn)點(diǎn)號作為哈希查詢鍵，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)域作為值。實(shí)時(shí)值域包含測點(diǎn)的數(shù)值和數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)庫的時(shí)間戳，都采用字面存儲，其格式為“數(shù)值：時(shí)間戳”；用戶端使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)通常是以地理區(qū)域來顯示區(qū)域內(nèi)需要的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，為此，系統(tǒng)會將靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)的測點(diǎn)信息加載到動態(tài)內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)，數(shù)據(jù)依然是采用“鍵值對”方式緩存，其中地理位置作為查詢鍵，測點(diǎn)號作為值。用戶在查詢數(shù)據(jù)時(shí)，動態(tài)數(shù)據(jù)庫首先根據(jù)地理位置區(qū)域查詢符合的測點(diǎn)，然后根據(jù)測點(diǎn)號返回對應(yīng)的實(shí)時(shí)值。

3.2.3 基于WebSocket的前端數(shù)據(jù)推送與展示

在前端，系統(tǒng)以地理信息為綜合數(shù)據(jù)展示基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、井下地理信息的綜合同一平臺展示。系統(tǒng)使用了GeoServer作為地圖服務(wù)，使用OpenLayers作為地圖操作的Javascript API，前端與后端的通信使用了websocket技術(shù)，前端的工作模式如圖5所示。

前端數(shù)據(jù)瀏覽可分為兩類，一類是數(shù)據(jù)的請求訂閱，一類是后端數(shù)據(jù)主動推送。前者主要應(yīng)用在操作人員對地圖進(jìn)行操作時(shí)，當(dāng)用戶選中某塊區(qū)域時(shí)，WEB端通過openlayers向后端請求該區(qū)域的詳細(xì)地圖文件，同時(shí)通過websocket與應(yīng)用服務(wù)器后臺建立數(shù)據(jù)連接通道，將區(qū)域參數(shù)發(fā)送給后端，然后后端業(yè)務(wù)模塊向動態(tài)數(shù)據(jù)庫請求測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過websocket通道不斷將數(shù)據(jù)發(fā)送到瀏覽器，然后由openlayers地圖數(shù)據(jù)和測點(diǎn)實(shí)時(shí)信息繪制出來展現(xiàn)給操作人員；后者主要用于告警信息和短消息信息實(shí)時(shí)顯示，在操作人員打開瀏覽器地址后程序即自動通過websocket與后端建立連接通道，由業(yè)務(wù)層組件需要時(shí)推送數(shù)據(jù)到前端及時(shí)顯示。

前端與后端通信的數(shù)據(jù)幀格式采用JSON格式。數(shù)據(jù)請求幀格式為{“coordA”:“value”, “coordB”:“value”},其中“coordA”代表選中區(qū)域左下角坐標(biāo)，“coordB”代表右上角坐標(biāo)；數(shù)據(jù)返回真格式為{“serial”：[{“ID”：“value”，“coord”:“value”, “V”：“value”}，…….{““ID”：“value”，“coord”:“value””}]}，其中ID代表測點(diǎn)號，coord代表測點(diǎn)坐標(biāo)，V代表測點(diǎn)實(shí)時(shí)值，這構(gòu)成了單個(gè)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息集。每個(gè)數(shù)據(jù)幀可以包括多個(gè)該信息集。

4 總結(jié)

論文分析了當(dāng)前煤礦礦山現(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)使用情況和局限，提出了利用地理信息系統(tǒng)融合異構(gòu)數(shù)據(jù)接入方法實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)在統(tǒng)一平臺綜合呈現(xiàn)的方法，并針對煤礦安全子系統(tǒng)繁多，接口不一致情況，提出了層次化、插件式的系統(tǒng)整體架構(gòu)，能夠促進(jìn)礦山當(dāng)前數(shù)據(jù)的有效利用，提升監(jiān)控效率。

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[2]劉厚泉.基于動態(tài)任務(wù)模型的LBS架構(gòu)的研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2009,5.

[3]吳立新等.試論發(fā)展我國礦業(yè)地理信息系統(tǒng)的若干問題[J].礦山測量,1998,4.

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[5]徐嘉興.礦區(qū)土地生態(tài)質(zhì)量評價(jià)及動態(tài)變化[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,4.

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Comprehensive monitoring system of coal mine safety based on GIS background

Bao Jing1, Zhang Xin2, Zhu Jin3,Zhang Kai4
(1.Tai Yuan University of Technology Tai Yuan;2.Air Force Logistics College;3.Xuzhou Water Conservancy Bureau Urban Pumping Station;4.China University of Mining and Technology)

The current coal mine monitoring system lacks the comprehensive software platform,big data from different monitoring system could not be effectively organized together.However,a single subset of information is difficult to fully reflect,analyze and predict the overall integrated security situation of the mine.In order to solve this problem,a new comprehensive database technology,GIS service technology and application layer instant communication technology are put forward to realize the comprehensive display method of mine multi-system monitoring data based on GIS.Hoping to promote the safety management of coal mine production.

Monitoring system；coal mine；comprehensive monitoring；GIS

暴晶，男，太原理工大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，碩士研究生。