李 超

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦生產(chǎn)的特殊性及復(fù)雜性，煤礦生產(chǎn)中的信息化始終難以突破傳統(tǒng)模式，信息管理系統(tǒng)運行和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)分析分離，缺少預(yù)判系統(tǒng)[1-2]。尤其是在綜采工作面生產(chǎn)過程中，雖然產(chǎn)生了大量的實時數(shù)據(jù)，并存儲在一定的介質(zhì)中，但數(shù)據(jù)的存儲與分析對于煤礦綜采生產(chǎn)的特殊性分析利用率較低，缺少生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的全方位采集、分析和預(yù)警系統(tǒng)[3-4]。

因此，需要一種基于云平臺多系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持的煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合預(yù)警系統(tǒng)，構(gòu)建可指導(dǎo)安全生產(chǎn)、隱患故障排除的數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)跨系統(tǒng)共享、橫縱向綜合分析、邏輯和非邏輯關(guān)系，探索數(shù)據(jù)價值的再發(fā)現(xiàn)等功能。

1 大數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計，需要從煤炭行業(yè)信息化建設(shè)全方位、全過程整體考慮，統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一開發(fā)，并在統(tǒng)一規(guī)劃的基礎(chǔ)上分步實施、分子系統(tǒng)開發(fā)。以提高決策過程的科學(xué)性和效率為目的，規(guī)范或重組各項業(yè)務(wù)的審批流程，改進傳統(tǒng)工作方式，形成電子化的流程閉環(huán)管理，并在信息系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，完善、優(yōu)化、動態(tài)調(diào)整相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程。

1.1 總體功能框架

主要功能模塊：系統(tǒng)需能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的流程定制、模塊組合、接口對接、權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出和報表自定義，并提供數(shù)據(jù)庫直連、Web服務(wù)、Restful API等多種接口方式，提供用戶、組織機構(gòu)及權(quán)限對接的多種方案，對緊耦合模塊采用一體化設(shè)計，對松耦合模塊采用集成化設(shè)計，采用中間件技術(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中與共享[5-6]。系統(tǒng)主要實現(xiàn)元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)儲存管理、服務(wù)接口管理、時序數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)倉庫管理、數(shù)據(jù)瀏覽查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)可視化管理等主要的功能模塊。

系統(tǒng)分層：系統(tǒng)分4個層次，如圖1所示。①前端展示層是系統(tǒng)的唯一入口，以統(tǒng)一的用戶界面提供給煤礦管理人員和相關(guān)業(yè)務(wù)人員，具有信息發(fā)布、待辦、提醒等功能；②核心應(yīng)用層是實現(xiàn)核心功能的模塊，包括元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)儲存管理、服務(wù)接口管理、時序數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)倉庫管理、數(shù)據(jù)瀏覽查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)可視化管理等管理功能。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還可實現(xiàn)綜合分析預(yù)警、多系統(tǒng)報警聯(lián)動、工作流管理、消息推送、設(shè)備智能識別、歷史故障記錄查詢、設(shè)備運行報表等功能模塊。系統(tǒng)支持單服務(wù)器部署，也支持多服務(wù)器集群部署，可以參數(shù)化、快速柔性部署。并采用反射代理、負載均衡、靜態(tài)化、多層緩存等技術(shù)確保系統(tǒng)在高并發(fā)訪問時的性能。

圖1 基于大數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

子系統(tǒng)：系統(tǒng)具有3個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，分別為數(shù)據(jù)采集與抽取子系統(tǒng)、安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合分析與應(yīng)用Web子系統(tǒng)和移動端子系統(tǒng)。3個子系統(tǒng)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)的關(guān)系圖

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。在公司信息中心架設(shè)數(shù)據(jù)采集、上傳工作站，統(tǒng)一對煤礦各系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行讀取并統(tǒng)一格式后推送至云端服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理及存儲。煤炭總公司和各下屬煤礦根據(jù)權(quán)限進行數(shù)據(jù)的查看、瀏覽。下屬煤礦移動端可通過4G或WiFi聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)由移動端APP進行數(shù)據(jù)查看、工單填寫情況反饋。

圖3 系統(tǒng)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.3 硬件部署方案

煤炭行業(yè)的數(shù)據(jù)特點是產(chǎn)生的頻率快，每一個監(jiān)測點一秒鐘內(nèi)可產(chǎn)生多條數(shù)據(jù)；嚴重依賴于采集時間，每一條數(shù)據(jù)均要求對應(yīng)唯一的時間；測點多信息量大，常規(guī)的實時監(jiān)測系統(tǒng)均有成千上萬的監(jiān)測點。針對以上特點，本系統(tǒng)將綜合運用各種數(shù)據(jù)儲存技術(shù)，實現(xiàn)高性能、高可靠、高可用的數(shù)據(jù)儲存。系統(tǒng)采用時序數(shù)據(jù)庫中的開源InfluxDB來儲存各種數(shù)據(jù)。InfluxDB是開源的分布式時序、時間和指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，使用Go語言編寫，無需外部依賴，主要依據(jù)其與時間相關(guān)的函數(shù)的靈活使用、對實時大量數(shù)據(jù)進行計算和支持任意的事件數(shù)據(jù)[7-9]。InfluxDB具有優(yōu)秀的讀寫性能，可以為該系統(tǒng)大數(shù)據(jù)解決時序數(shù)據(jù)的高效儲存和訪問提供重要的技術(shù)平臺支撐。當(dāng)數(shù)據(jù)積累到相當(dāng)規(guī)模后，可以進一步部署Hadoop數(shù)據(jù)集群，實現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)儲存和并發(fā)處理分析[10]。

1.4 數(shù)據(jù)來源

安全類數(shù)據(jù)包括安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、火災(zāi)檢測數(shù)據(jù)、礦壓數(shù)據(jù)和水害數(shù)據(jù)。其中安全檢測數(shù)據(jù)分為氣體數(shù)據(jù)(瓦斯、一氧化碳和二氧化碳)、風(fēng)速、水位和溫度。水害數(shù)據(jù)具體分為水位和涌出量。生產(chǎn)類數(shù)據(jù)包括礦井主要設(shè)備運行參數(shù)、選煤廠主要設(shè)備運行參數(shù)、瓦斯抽采泵參數(shù)、裝車系統(tǒng)參數(shù)、通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)、主運輸系統(tǒng)參數(shù)、主排水系統(tǒng)參數(shù)、壓風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)和礦井供電系統(tǒng)參數(shù)。其中礦井主要設(shè)備包括：采煤機、刮板機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、順槽膠帶機、大巷膠帶機、主斜井膠帶機、通風(fēng)機、壓風(fēng)機、井下主排水泵。管理類數(shù)據(jù)包括工作流數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)和庫存數(shù)據(jù)。

1.5 Web端系統(tǒng)界面設(shè)計

基于大數(shù)據(jù)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持的煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)Web界面如圖4所示，界面左側(cè)分布的是各個功能子系統(tǒng)的目錄導(dǎo)航，包括綜合預(yù)警、故障診斷、設(shè)備運行及相關(guān)的數(shù)據(jù)查看、管理等。

圖4 預(yù)警系統(tǒng)Web界面示例

2 預(yù)警系統(tǒng)功能

從服務(wù)于安全生產(chǎn)出發(fā)，大數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)要做到事前提醒、事中監(jiān)督、事后分析、經(jīng)驗匯總、輔助判斷，貫穿安全生產(chǎn)全過程，及時、有效、準(zhǔn)確地提醒管理者，為安全生產(chǎn)真正起到保駕護航的目的。

2.1 綜合預(yù)警分析

預(yù)警的要求：判定設(shè)備處于工作異常狀態(tài)時，系統(tǒng)立刻自動發(fā)出預(yù)警，預(yù)警信息推送給相應(yīng)等級的責(zé)任人，要求立即排查、保養(yǎng)、維修；必要時啟動廣播、固定電話、移動電話通知現(xiàn)場人員注意設(shè)備故障，采取必要措施規(guī)避危險；在規(guī)定時間內(nèi)故障未能清除，預(yù)警等級自動升級并將消息推送至上一級責(zé)任人，督促維修故障，直至故障清除后，預(yù)警信息自動消除，預(yù)警流程自動結(jié)束。

預(yù)警產(chǎn)生的依據(jù)：計算采集到的實時數(shù)據(jù)，處于數(shù)據(jù)正常閾值區(qū)間之外。

預(yù)警等級的劃分：主要由安全風(fēng)險、環(huán)境危害、設(shè)備故障的大小、影響范圍、變化速度、持續(xù)時長等決定。

預(yù)警處理過程：系統(tǒng)開發(fā)中，須實現(xiàn)設(shè)備異常自動評判、預(yù)警信息自動推送，并綜合使用多種通知手段。預(yù)警處理過程，如圖5所示。

圖5 預(yù)警流程圖

2.2 多系統(tǒng)報警聯(lián)動

主要功能：多系統(tǒng)報警聯(lián)動功能主要是針對各個煤礦的通信聯(lián)動。當(dāng)有等級較高且有可能對現(xiàn)場人員產(chǎn)生危害的預(yù)警產(chǎn)生時，系統(tǒng)需及時通知相關(guān)工藝各環(huán)節(jié)人員時，會同時啟動固定電話、移動通信、廣播進行語音播報，方便人員及時了解情況，采取相應(yīng)措施。

信息推送：對預(yù)警、報警信息進行分級并以彈出窗口、短信息的方式推送至相關(guān)責(zé)任人的PC端及手機移動端。Web系統(tǒng)負責(zé)根據(jù)預(yù)警規(guī)則產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)警事件，并向多個端口進行推送，在Web端中以彈出窗口、短信息的形式進行顯示，或在項目開發(fā)的APP中，采用相應(yīng)的形式進行顯示。

預(yù)警聯(lián)動：當(dāng)預(yù)警事件被識別出來后，Web端系統(tǒng)將把預(yù)警事件的主要參數(shù)(報警部位、報警內(nèi)容文本)傳給APP，根據(jù)APP的架構(gòu)，采用輪訓(xùn)的方式訪問Web端產(chǎn)生的報警事件表。多系統(tǒng)報警聯(lián)動系統(tǒng)在接收到預(yù)警的參數(shù)信息后，根據(jù)自己系統(tǒng)的邏輯，實施閉環(huán)的預(yù)警聯(lián)動。多系統(tǒng)報警聯(lián)動可實現(xiàn)多網(wǎng)融合通信功能、調(diào)度臺集中調(diào)度指揮、緊急呼叫、互聯(lián)互通、現(xiàn)有擴音電話集成、音箱廣播系統(tǒng)集成、聯(lián)動報警、人員定位系統(tǒng)尋呼聯(lián)動、綜合自動化系統(tǒng)聯(lián)動。

2.3 設(shè)備運行報表及歷史故障查詢

設(shè)備運行報表：設(shè)備運行報表可以根據(jù)主要設(shè)備(采煤機、刮板機、轉(zhuǎn)載機、破碎機、順槽膠帶機、大巷膠帶機、主斜井膠帶機、通風(fēng)機、壓風(fēng)機、井下主排水泵)運行歷史數(shù)據(jù)，指定時間段選取相關(guān)參數(shù)形成設(shè)備運行報表。并繪制主要設(shè)備開停、電流、電壓變化曲線圖。同時對系統(tǒng)核心設(shè)備的歷史曲線進行繪制，實現(xiàn)系統(tǒng)歷史同期數(shù)據(jù)比對，方便運行工藝調(diào)整，達到高效節(jié)能。

歷史故障查詢：歷史故障查詢是對主要設(shè)備的每一次故障解決分析過程進行記錄歸檔，形成歷史案例，建立一套歷史故障記錄查詢功能，通過計算機系統(tǒng)對關(guān)鍵詞在歷史數(shù)據(jù)庫查詢類似案例，可以對主要設(shè)備所出現(xiàn)的故障，輔助進行快速診斷，為缺乏經(jīng)驗的維修技術(shù)人員排除故障提供專業(yè)指導(dǎo)。

2.4 設(shè)備智能識別

設(shè)備智能識別可以通過手持移動防爆智能手機，在手機APP上讀取設(shè)備固定信息(例如銘牌信息等)，同時可通過鏈接查詢該設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)庫動態(tài)視圖報表頁面，查看設(shè)備的各參數(shù)曲線趨勢、維修記錄庫和其它動態(tài)數(shù)據(jù)。通過移動端APP，設(shè)備檢查及檢修人員通過手持設(shè)備掃描設(shè)備二維碼即可了解設(shè)備情況，查看設(shè)備運行狀況和獲取維修經(jīng)驗記錄。在APP端完成設(shè)備智能識別功能的開發(fā)。對于輔助維修方面的功能，包括設(shè)備管理、維修記錄、設(shè)備參數(shù)等功能，Web端應(yīng)完成相關(guān)信息的閉環(huán)管理，并給APP提供數(shù)據(jù)操作的Api，APP根據(jù)Web端提供的Api進行數(shù)據(jù)的渲染。

3 結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)多系統(tǒng)支持的煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合預(yù)警系統(tǒng)有效的消除信息孤島，增強了數(shù)據(jù)聯(lián)動，提升了人機互動，強化了生產(chǎn)管控。系統(tǒng)建設(shè)了煤礦大數(shù)據(jù)預(yù)警平臺，通過收集海量安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并智能分析數(shù)據(jù)變化趨勢，可精確輸出輔助決策建議，有效節(jié)約了建設(shè)投資；構(gòu)建了精準(zhǔn)送達、數(shù)字化管理、智能化跟蹤、閉環(huán)式督辦的新型煤礦信息化管理模式，實時反饋由小時級優(yōu)化至分鐘級；可實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的實時采集、規(guī)范管理、深度挖掘、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、移動辦公的新型煤礦關(guān)鍵設(shè)備管理模式，達到提質(zhì)增效的目的。