劉彩利,張 燕
(西安外事學(xué)院,陜西 西安 710077)
隨著社會(huì)對(duì)煤礦資源需求量的不斷提升,對(duì)煤礦開采效率要求越來越高,為了滿足社會(huì)工業(yè)的快速發(fā)展,我國每年都會(huì)開展大量的煤礦資源,這對(duì)煤礦開采設(shè)備要求越來越高[1]。設(shè)備作為煤礦開采的重要基礎(chǔ),其可靠穩(wěn)定運(yùn)行是保證煤礦安全生產(chǎn)和提升煤礦開采效率的基石。但煤礦開采環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜,導(dǎo)致開采設(shè)備容易出現(xiàn)各種缺陷問題,比如機(jī)械變形、腐蝕、氧化等,對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]。為了保證設(shè)備的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性,通常需要定期對(duì)設(shè)備開展點(diǎn)檢工作,目的在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷問題,并采取措施進(jìn)行處理[3]。但傳統(tǒng)的點(diǎn)檢方案難以對(duì)工作人員進(jìn)行監(jiān)督,點(diǎn)檢效率相對(duì)較低,難以保障點(diǎn)檢工作的效果質(zhì)量[4]。基于此,本研究充分結(jié)合煤礦實(shí)際情況,設(shè)計(jì)研究了智能化點(diǎn)檢系統(tǒng),可有效規(guī)避傳統(tǒng)點(diǎn)檢方案在實(shí)踐中存在的缺陷問題,提升設(shè)備點(diǎn)檢的質(zhì)量和效果。在促進(jìn)煤礦開采設(shè)備長時(shí)間可靠穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮著非常重要的理論和實(shí)踐意義。
在充分考慮煤礦基本情況的基礎(chǔ)上,對(duì)智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析與研究,設(shè)計(jì)的煤礦開采設(shè)備智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。從圖1中可以看出,整個(gè)系統(tǒng)可以分為地面部分和井下部分2大塊。其中,地面部分主要由地面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)、防火墻以及數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器等部分構(gòu)成,客戶端通過交換機(jī)可以對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問,掌握煤礦井下開采設(shè)備的點(diǎn)檢結(jié)果;井下部分包含工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和交換機(jī),客戶端同樣通過交換機(jī)與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接,還包括電子標(biāo)簽和點(diǎn)檢設(shè)備,點(diǎn)檢設(shè)備檢測得到的結(jié)果會(huì)輸入到客戶端中,并通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣?wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)。
圖1 智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)整體方案Fig.1 Overall scheme of intelligent spot check system
(1)電子標(biāo)簽功能?,F(xiàn)場點(diǎn)檢工作時(shí)需要使用識(shí)別卡,當(dāng)前主要有2種類型的標(biāo)識(shí)卡,分別為條形碼和RFID電子標(biāo)簽。前者價(jià)格低廉,但使用環(huán)境和條件比較苛刻,后者主要是將芯片封裝在不銹鋼外殼內(nèi)部,利用芯片記載相關(guān)數(shù)據(jù)信息,可以對(duì)其進(jìn)行多次修改使用,具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、環(huán)境適應(yīng)性好、可遠(yuǎn)距離識(shí)別等眾多優(yōu)勢(shì)[5]?;诖?,本系統(tǒng)中使用RFID電子標(biāo)簽,一旦電子標(biāo)簽接受到點(diǎn)檢設(shè)備發(fā)送的電磁波時(shí),在電磁波驅(qū)動(dòng)作用下,內(nèi)部集成電路開始工作,并將點(diǎn)檢項(xiàng)目編號(hào)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過無線方式傳輸?shù)近c(diǎn)檢設(shè)備中,確保其與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)保持一致,形成一組點(diǎn)檢數(shù)據(jù)。
(2)點(diǎn)檢功能。本系統(tǒng)中使用的點(diǎn)檢設(shè)備即為工業(yè)測控儀器,作用是對(duì)煤礦開采設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行采集。具體操作時(shí)配合使用變速器和各類傳感器等可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的電流、電壓、速度、加速度、位移、壓力、溫度等各類狀態(tài)信息參數(shù)進(jìn)行采集。本系統(tǒng)中使用的點(diǎn)檢設(shè)備體積相對(duì)較小,屬于手持型設(shè)備,攜帶比較便捷,內(nèi)置有嵌入式操作系統(tǒng),配備液晶顯示屏,可通過觸摸屏與系統(tǒng)進(jìn)行交互。點(diǎn)檢設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。由圖2可知,該設(shè)備使用的處理器型號(hào)為ARM Cortex M4,具有RFID讀取模塊,主要是對(duì)電子標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行采集,還有各種信息采集模塊,數(shù)據(jù)加密以及傳輸模塊,電源供電模塊,其中電源模塊的作用是對(duì)設(shè)備其他硬件設(shè)施進(jìn)行供電,確保能夠正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的作用是對(duì)設(shè)備的操作時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行記錄,時(shí)間記錄結(jié)果和檢測結(jié)果會(huì)一同通過藍(lán)牙模塊傳輸至客戶端。
圖2 點(diǎn)檢設(shè)備結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Structure frame of spot check equipment
(3)綜合管理平臺(tái)功能。綜合管理平臺(tái)的作用是對(duì)煤礦開采設(shè)備點(diǎn)檢的任務(wù)進(jìn)行制定,對(duì)系統(tǒng)相關(guān)信息進(jìn)行配置,對(duì)點(diǎn)檢結(jié)果進(jìn)行綜合管理,統(tǒng)計(jì)分析得到想要的結(jié)果。具體而言,平臺(tái)可以分為5個(gè)一級(jí)模塊,依次為系統(tǒng)管理、任務(wù)管理、設(shè)備管理、缺陷管理和統(tǒng)計(jì)分析管理。
射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)屬于短距離無線通信技術(shù),可以在短距離內(nèi)通過無線電磁波對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸,且可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸[6]。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由3大部分構(gòu)成,分別為天線、閱讀器和應(yīng)答器,工作時(shí)閱讀器通過天線與電子標(biāo)簽之間進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,對(duì)電子標(biāo)簽內(nèi)包含的內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別讀取。閱讀器的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示,可以看出閱讀器主要由射頻模塊、讀寫模塊、電源電路以及處理模塊等部分構(gòu)成。
圖3 閱讀器的結(jié)構(gòu)框架Fig.3 Structure framework of reader
電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)中的重要構(gòu)成部分,很多信息都會(huì)以電子標(biāo)簽作為載體,電子標(biāo)簽設(shè)置在被識(shí)別物體部位。根據(jù)有無供電電源,電子標(biāo)簽可以劃分成為3大類型,分別為有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽[7]。其中無源標(biāo)簽的發(fā)展歷史最久遠(yuǎn),應(yīng)用相對(duì)較為成熟,在很多工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用,因此本系統(tǒng)中已使用無源標(biāo)簽。無源電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)框架如圖4所示,由圖4可知,無源電子標(biāo)簽主要由射頻模塊、調(diào)制/解調(diào)模塊、整流器、控制模塊、存儲(chǔ)模塊等部分構(gòu)成。
圖4 無源電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)框架Fig.4 Structure framework of passive electronic labels
基于以上分析可以看出,無源電子標(biāo)簽和閱讀器之間需要通過天線作為橋梁實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。電子標(biāo)簽和閱讀器中均設(shè)置有天線,其中閱讀器天線必須具有良好的阻抗匹配特征。
電磁波的頻率特征是非常重要的物理量,其頻率大小會(huì)對(duì)無線傳輸過程的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要的影響。根據(jù)頻率高低可以將RFID系統(tǒng)的工作頻段劃分成為4類,分別為低頻、高頻、超高頻和微波,不同頻段均具有對(duì)應(yīng)的特征。在綜合考慮設(shè)備成本、使用環(huán)境和系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上,本案例中確定的系統(tǒng)頻率為13.56 MHz。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,該頻段具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度,并且保密性能相對(duì)較好,最大識(shí)別距離可以達(dá)到1.5 m,完全能夠滿足本系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。
目前射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作模式主要分為兩大類,分別為電磁波反向散射RFID系統(tǒng)和電感耦合RFID系統(tǒng),本案例中選用后者作為工作模式。閱讀器對(duì)無源電子標(biāo)簽的讀、寫操作流程主要如下:①閱讀器基于天線在一定半徑范圍內(nèi)向外發(fā)射能量,并在周圍形成電磁場,電磁場強(qiáng)度大小與設(shè)備類型工作頻率等眾多因素有關(guān)系;②當(dāng)閱讀器不斷向電子標(biāo)簽靠近時(shí),電子標(biāo)簽中的天線會(huì)接受到電磁場,進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流,在電子標(biāo)簽芯片內(nèi)形成回路;③當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流大到一定程度后,電子標(biāo)簽芯片激活,數(shù)據(jù)解調(diào)模塊對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行解調(diào),將相關(guān)結(jié)果傳輸至控制模塊;④控制模塊接收到指令后,將相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制后向外發(fā)送;⑤閱讀器對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行合法性驗(yàn)證后即可接受數(shù)據(jù)信息。
(1)傳輸方式確定。本系統(tǒng)中點(diǎn)檢設(shè)備與客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸需要使用短距離無線傳輸技術(shù),目前此項(xiàng)技術(shù)的類型也有很多種,常見的包括WiFi、藍(lán)牙、RFID、ZigBee等,不同形式的無線傳輸技術(shù)均有其對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)充分結(jié)合實(shí)際情況,選用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。工作時(shí)的頻率為2.4 GHz,傳輸距離10 m,傳輸速率為1 Mb/s。優(yōu)勢(shì)在于成本較低,容易操作。
(1)生物性危害。生物性危害包括了致病性微生物及所帶的毒素和寄生蟲,其中有些不引起食品感官變化的致病性微生物(如副溶血性弧菌、沙門氏菌、甲肝病毒、痢疾桿菌)的風(fēng)險(xiǎn)更大[1],其往往是導(dǎo)致食物中毒和食源性疾病的主要致病源。比如,玉米、花生中的黃曲霉毒素、霉變甘蔗中的節(jié)菱孢霉毒素,均可引起嚴(yán)重的食源性疾病。寄生蟲有旋毛蟲、肝吸蟲、廣州管圓線蟲等。很多食物原料尤其是畜禽肉、禽蛋、水產(chǎn)和蔬菜,都可能污染致病性微生物和寄生蟲, 操作人員如攜帶病原菌也可污染到食品[2]。
(2)基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸工作流程。點(diǎn)檢設(shè)備和客戶端之間通過藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行通信時(shí),需要將點(diǎn)檢數(shù)據(jù)信息通過藍(lán)牙從設(shè)備用傳輸至客戶端中。本系統(tǒng)中的客戶端為基于安卓系統(tǒng)的平板電腦,通常自動(dòng)配備有藍(lán)牙適配器,所以只需在點(diǎn)檢設(shè)備中配備藍(lán)牙裝置即可實(shí)現(xiàn)與客戶端之間的連接。基于藍(lán)牙技術(shù)的連接過程及數(shù)據(jù)傳輸過程工作流程如圖5所示。由圖5中可以看出,客戶端啟動(dòng)以后首先需要進(jìn)行藍(lán)牙連接,完成藍(lán)牙配對(duì)連接后系統(tǒng)會(huì)將尚未提交的點(diǎn)檢數(shù)據(jù)信息自動(dòng)上傳至客戶端中。
圖5 藍(lán)牙連接及數(shù)據(jù)傳輸工作流程Fig.5 Workflow of bluetooth connection and data transmission
(1)通信技術(shù)的選擇??紤]到WiFi無線傳輸技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、組網(wǎng)價(jià)格便宜并且操作方便等眾多優(yōu)勢(shì)[8]。本系統(tǒng)中選用WiFi無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸??蛻舳伺c服務(wù)器連接后,一方面客戶端可以從服務(wù)器中下載點(diǎn)檢任務(wù),另一方面可以將客戶端中的點(diǎn)檢結(jié)果數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)。
(2)網(wǎng)絡(luò)連接流程圖。安卓系統(tǒng)對(duì)于超文本傳輸協(xié)議(HTTP)具有很好的兼容性,目前安卓系統(tǒng)中已經(jīng)集成有HttpClient控件,利用該控件可以提供HTTP網(wǎng)絡(luò)接口。客戶端與服務(wù)器連接的工作流程如圖6所示。由圖6中可以看出,客戶端首先需要?jiǎng)?chuàng)建HttpClient對(duì)象,在此基礎(chǔ)上基于HTTP協(xié)議通過WiFi實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的連接,服務(wù)器對(duì)客戶端的請(qǐng)求作出響應(yīng),客戶端接受響應(yīng)后可以獲取數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理。
圖6 客戶端與服務(wù)器連接的工作流程Fig.6 Workflow of client server connection
前文已述,煤礦開采設(shè)備智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)涉及到很多方面的內(nèi)容,受篇幅限制,主要對(duì)軟件的整體結(jié)構(gòu)、后端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及繪制圖表的實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行詳細(xì)介紹。
本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)檢系統(tǒng)需要同時(shí)對(duì)客戶端和服務(wù)端進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā),且全部基于經(jīng)典的MVC設(shè)計(jì)模式進(jìn)行開發(fā)。這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)界面顯示和業(yè)務(wù)邏輯處理之間的分離,可以大大簡化應(yīng)用軟件開發(fā)的流程[9]。MVC設(shè)計(jì)模式下各功能之間的請(qǐng)求流程如圖7所示。由圖7可以看出共有3大模塊,其中模型的作用是基于點(diǎn)檢數(shù)據(jù)采集結(jié)果開展邏輯處理工作,視圖的作用是對(duì)點(diǎn)檢結(jié)果進(jìn)行顯示并與工作人員進(jìn)行交互,控制器為模型和視圖之間的橋梁,從視圖功能中獲得用戶的輸入信息,然后將其輸入到模型功能模塊中。3大模塊之間的功能相對(duì)獨(dú)立,但彼此之間又存在緊密聯(lián)系。
圖7 MVC設(shè)計(jì)模式下各功能之間的請(qǐng)求流程Fig.7 Request flow between functions in MVC design mode
后端軟件的架構(gòu)如圖8所示,從圖8中可以看出,整個(gè)后端軟件主要包括4個(gè)層級(jí),分別為DAO層、事務(wù)層、控制層和表示層。其中,DAO層主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作,可以對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪減、增加、修改以及查詢;事務(wù)層主要是對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行編寫,通過業(yè)務(wù)邏輯對(duì)保存在數(shù)據(jù)庫中的點(diǎn)檢數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理,業(yè)務(wù)邏輯本身也會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中,可以反復(fù)的調(diào)取利用;控制層主要是對(duì)客戶端的頁面請(qǐng)求進(jìn)行接收,并將結(jié)果進(jìn)行返回處理;表示層的作用是在客戶端頁面中將結(jié)果進(jìn)行展示,也可通過界面來設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)和方法。
圖8 后端軟件的架構(gòu)示意Fig.8 Schematic architecture of back-end software
圖9 繪制圖表的基本流程Fig.9 Basic process of drawing chart
可以充分結(jié)合實(shí)際情況,選擇不同類型的圖表,能夠繪制的圖表類型主要包括折線圖、柱狀圖、區(qū)域圖、餅狀圖、散點(diǎn)圖等,對(duì)于較為復(fù)雜的雙刻度、時(shí)鐘、速度計(jì)等儀表圖也能夠繪制。由圖9可以看出,利用該控件繪制圖表時(shí),首先需要選擇圖表類型以及容器,然后對(duì)圖表基本屬性進(jìn)行設(shè)置,最后選擇數(shù)據(jù)來源。
將煤礦開采設(shè)備智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中,并對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行調(diào)試,對(duì)出現(xiàn)問題進(jìn)行升級(jí)、優(yōu)化、完善。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后各項(xiàng)功能均能夠?qū)崿F(xiàn),且能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)的投入使用,使得開采設(shè)備點(diǎn)檢工作水平提升了一個(gè)臺(tái)階,點(diǎn)檢質(zhì)量和效率均顯著提升。應(yīng)用效果具體表現(xiàn)如下:
(1)點(diǎn)檢系統(tǒng)中設(shè)置有狀態(tài)聲光指示功能,一旦點(diǎn)檢過程中發(fā)現(xiàn)煤礦開采設(shè)備存在缺陷或故障問題,會(huì)向外發(fā)出聲光報(bào)警,以提示工作人員及時(shí)采取措施進(jìn)行處理,從而防止開采設(shè)備產(chǎn)生較大的故障問題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全隱患的高速處理。
(2)通過對(duì)煤礦開采設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全方位的收集,并將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中。結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù),可以對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判,對(duì)設(shè)備潛在的安全隱患和故障問題進(jìn)行提前預(yù)告。一方面可以采取對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行預(yù)防,另一方面可以提前制定應(yīng)對(duì)方案,從而縮短開采設(shè)備故障的排除時(shí)間。
(3)利用專業(yè)的手持式點(diǎn)檢設(shè)備開展工作,工作人員可以通過交互界面直接錄入相關(guān)內(nèi)容,從而減小工作量。另外,設(shè)備會(huì)自動(dòng)記錄相關(guān)操作的時(shí)間,防止個(gè)別責(zé)任心不強(qiáng)的人員隨意錄入點(diǎn)檢結(jié)果,規(guī)避虛假點(diǎn)檢、漏點(diǎn)等違規(guī)現(xiàn)象。
(1)智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)共分為2大部分,分別為井下部分和地面部分,2大部分均包括工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。利用系統(tǒng)可以對(duì)煤礦開采設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化點(diǎn)檢,并將結(jié)果存儲(chǔ)在服務(wù)器中?;跀?shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行深入分析。
(2)手持點(diǎn)檢設(shè)備基于RFID無線射頻技術(shù)對(duì)無源電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取,點(diǎn)檢設(shè)備與客戶端之間基于藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸,客戶端與服務(wù)器之間基于WiFi無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息傳輸。
(3)智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)的軟件整體結(jié)構(gòu)共可以分為3大部分,分別為模型、控制器和視圖。后端軟件主要包括4個(gè)層級(jí),分別為DAO層、事務(wù)層、控制層和表示層。前端使用Highcharts控件繪制圖表,可以獲得多種類型的圖表。
(4)將智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中,對(duì)其進(jìn)行長時(shí)間測試后,各項(xiàng)性能均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用使設(shè)備的點(diǎn)檢工作質(zhì)量和效率均顯著提升,為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。