朱曉潔

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

監(jiān)測數據是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進行分析、決策的基礎，因此保證監(jiān)測數據的一致性和完整性，對于監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行是至關重要的。

由于安全監(jiān)控系統(tǒng)架構復雜，數據傳輸涉及多層節(jié)點，包括傳感器、分站、網關、交換機和地面主機。在監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，可能存在供電不穩(wěn)、網絡中斷、網絡阻塞或系統(tǒng)設備失效等故障，導致監(jiān)測數據無法上傳，影響系統(tǒng)有效決策。為了保證監(jiān)測數據的連續(xù)性，在故障修復后，需要將故障期間的監(jiān)測數據重新上傳。

近年來，斷線續(xù)傳技術在各領域得到廣泛研究。李夏苗等[1]將斷線續(xù)傳應用于中繼衛(wèi)星調度，提高了數傳任務完成率；陳令等[2]在四載波基站遠程升級中采用斷線續(xù)傳技術提高了升級效率和穩(wěn)定性；朱宏志等[3]設計了異構系統(tǒng)的跨節(jié)點斷線續(xù)傳；張震等[4]利用多任務斷線續(xù)傳實現了智能車載域控制器數據的高效傳輸和準確提取。

由于上一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用時分制總線架構，巡檢周期長，若采用斷線續(xù)傳會影響正常巡檢周期內的數據上傳與控制[5]，因此基本不支持斷線續(xù)傳功能。隨著工業(yè)環(huán)網在井下的普及應用，為斷線續(xù)傳提供了高速網絡傳輸通道[6]。目前，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)經過升級改造，在數據智能采集、數據智能分析和智能控制等方面水平得到了很大提升[7]，但是對斷線續(xù)傳的研究仍不多。有的監(jiān)控系統(tǒng)雖然支持斷線續(xù)傳功能，但使用效果并不理想，存在操作復雜、數據漏傳、數值錯誤和數據續(xù)傳耗時長等諸多問題。基于此，針對現有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的架構，分析了數據傳輸故障類型及數據特點，提出了一種基于礦用監(jiān)控分站的斷線續(xù)傳設計方案。

1 監(jiān)控系統(tǒng)斷線續(xù)傳設計方案

1.1 數據傳輸故障分析

目前，主流安全監(jiān)控系統(tǒng)主要采用基于工業(yè)環(huán)網的分布式主從架構[8-9]，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)架構如圖1。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of coal mine safety monitoring system

地面主機作為系統(tǒng)大腦安裝在地面，網關和各種交換機構成傳輸網絡，監(jiān)控分站和傳感器根據實際需求在井下分布安裝。傳感器數據通過RS485 等現場總線上傳至分站，分站通過網關或直接采用網絡通信將數據傳輸至地面主機。分站與上位機之間的數據傳輸稱為主通信，根據主通信方式將分站分為總線型分站和網絡型分站。

從傳感器數據流向來看，監(jiān)測數據經過傳感器、分站和網關上傳至主機，在此過程中，主要可能出現以下幾種數據傳輸故障[10-11]：①傳感器與分站通信中斷；②分站與上位機通信中斷；③分站與網關通信中斷；④網關與主機通信中斷。由于第1 種情況中分站功能失效，只能通過傳感器實現數據存儲及續(xù)傳；第2 種和第3 種情況，可通過分站進行斷線續(xù)傳；由于網關在系統(tǒng)中作為巡檢主站及數據透傳設備，不具備數據存儲功能，因此第4 種情況同樣需由分站完成數據存儲及續(xù)傳。為此，針對后3 種故障類型，采用基于分站的斷線續(xù)傳設計方案。

1.2 分站斷線續(xù)傳工作原理

分站斷線續(xù)傳主要實現數據存儲和數據傳輸2 個功能。斷線續(xù)傳流程如圖2。

圖2 斷線續(xù)傳工作流程Fig.2 Workflow for continuous transmission after disconnection

首先分站監(jiān)測與網關或主機的通信狀態(tài)，當主通信中斷無法傳輸數據時，觸發(fā)分站斷線存儲機制，對傳感器數據進行預處理并保存。待主通信恢復正常后，分站讀取存儲器數據，進行續(xù)傳準備，在與主機達成一致后，將續(xù)傳數據按照通信規(guī)約組織成數據包，發(fā)送至地面主機。

2 關鍵模塊

2.1 故障檢測

根據分站主通信方式分類，分別分析網絡型分站和總線型分站的數據傳輸故障檢測方法。

1）網絡型分站主通信故障檢測。網絡分站與主機間采用UDP 協(xié)議通信。由于UDP 為OSI 參考模型中1 種無連接的傳輸層協(xié)議，僅提供面向事務的簡單不可靠信息傳送[12]。為解決不可靠問題，主機與分站通信時，建立握手機制，從而保證可靠的通信傳輸。分站與主機通信模型如圖3。分站通過監(jiān)聽主機心跳進行故障判斷；監(jiān)控系統(tǒng)運行時，主機定時發(fā)送心跳，分站監(jiān)測到心跳表示通信成功，若超時未接收到心跳，則判定與主機通信中斷。

圖3 分站與主機通信模型Fig.3 Communication model between substation and host

2）總線型分站主通信故障檢測。網關與主機的通信機制與網絡分站一致，與分站之間通過下發(fā)巡檢或時隙命令建立通信。當網關與主機通信中斷時，停止發(fā)送巡檢命令。分站監(jiān)聽網關的巡檢命令，當超時未收到巡檢時，判定與網關通信中斷或網關與主機通信中斷。

2.2 數據預處理

為了實時監(jiān)測井下真實生產環(huán)境，要求感知層傳感器實時上傳過程數據，因此分站對傳感器采樣頻率高，時間序列維度高，產生的數據量大[13]。在被測環(huán)境或參數穩(wěn)定條件下，采集數據一般不會出現大的波動，有時因探頭采集靈敏度問題可能出現數據上下浮動變化。頻繁采樣得到重復數據或小幅變化數據，不僅浪費存儲空間，還占用傳輸網絡帶寬，降低了監(jiān)控系統(tǒng)數據分析效率。

結合監(jiān)控系統(tǒng)功能及傳感器特點，對監(jiān)測數據進行篩選。井下傳感器主要分為模擬量和離散量。模擬量為連續(xù)變化量，離散量為非連續(xù)變化量。對于模擬量傳感器，主要包括變化、報警、斷電和故障4 種狀態(tài)，其中報警、斷電和故障屬于重要數據，需實時處理。對于離散量傳感器，包括0 值、1 值、故障3 種狀態(tài)。分站采樣得到傳感器數據后，以偏移時間作為數據時間標識，采用“不變不存”的原則篩選數據，避免數據重復存儲和處理。

1）模擬量數據預處理方法。在模擬量傳感器量程范圍內按照數據重要程度進行分段，并設定存儲閾值。以掘進工作面T1瓦斯傳感器量為例，分別設置報警的瓦斯體積分數為1.0%、斷電的瓦斯體積分數為1.5%。由于斷電門限高于報警門限，故采用報警的瓦斯體積分數的70%作為分段依據，將瓦斯體積分數值分成2 個區(qū)間：[0%，0.7%]、（0.7%，4.0%]。當瓦斯體積分數值不大于0.7%時，根據存儲閾值進行篩選，當瓦斯體積分數值大于0.7%時，數據一旦變化立即保存。瓦斯傳感器數據預處理結果見表1，其中瓦斯體積分數存儲閾值為0.2%。

表1 瓦斯傳感器數據預處理Table 1 Gas data preprocessing

2）離散量數據預處理方法。由于離散量傳感器存在短時反復跳動，根據離散量數值持續(xù)時間，分成穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)2 種狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)數值用8bit表示，00000000b 表示0 值，11111111b 表示1 值，11110000b 表示故障態(tài)。暫態(tài)數值用1bit 表示。以開停傳感器為例，數值持續(xù)3 s 不變?yōu)榉€(wěn)態(tài)，開停傳感器數據預處理結果見表2。

表2 開停傳感器數據預處理Table 2 Switch data preprocessing

2.3 數據存儲

監(jiān)控分站的數據存儲設計包括存儲格式、存儲容量和存儲策略3 個方面[14]。

1）存儲格式。存儲格式示例圖如圖4。為了便于存儲、檢索和傳輸，采用二級目錄方式進行數據存儲。一級目錄為日期，二級目錄為時間。在二級目錄下為每個傳感器單獨開辟存儲空間，文件命名格式為：測點類型_測點編號。傳感器數據采用二進制格式進行存儲，以秒為最小存儲時間單位，數據內容為：時間偏移+傳感器數值。

圖4 存儲格式示例圖Fig.4 Sample storage format diagram

2）存儲器件。假設分站有4 個RS485 通信端口，與傳感器的通信速率為2 400 bps。結合巡檢時間、幀間隔和傳感器響應時間計算，分站巡檢傳感器時間為20 ms，由此分站1 s 內可接收20 個測點數據。按照上文中1 個測點信息最多占用4 Byte，存儲1 h 的數據需要280 kB。由于監(jiān)控系統(tǒng)出現故障后，礦上人員會及時采取措施處理，通常故障持續(xù)時間較短，因此按照7 d 的存儲需求設計，需要50 MB 存儲空間，故選用128 MB 的FLASH存儲器?？紤]到FLASH 采用塊擦方式且讀寫次數有限制，為了延長器件使用壽命，采用二級存儲方式，鐵電存儲器作為第1 級存儲器，FLASH 作為第2 級存儲器。

3）存儲策略。按照二級存儲方式，先將數據緩存在鐵電存儲器中，當超過規(guī)定文件大小時，再將鐵電存儲器的數據重新寫入FLASH 中。在進行FLASH 數據存儲時，首先生成存儲路徑和文件名，判斷是否存在對應文件，若文件存在則采用追加寫入的方式在文件尾進行數據填充，否則創(chuàng)建新文件寫入數據。當存儲數據超過規(guī)定容量時，需刪除最早建立的文件，再創(chuàng)建新的文件。

2.4 數據傳輸

1）網絡型分站數據續(xù)傳。當分站存在待續(xù)傳數據時，判斷文件名是否與主機配置一致，若配置一致，則讀取文件內容，進行數據校驗，并按照規(guī)定的格式組織報文上傳，報文格式為：剩余幀數+測點編號+數據內容。分站收到主機的通信握手表示數據上傳成功，接著準備下1 幀續(xù)傳數據，否則持續(xù)上傳上1 幀數據。為了不影響實時數據傳輸，分站首先確認是否存在實時數據，在無實時數據需傳輸的情況下方可進行數據續(xù)傳。

2）總線型分站數據續(xù)傳。總線型分站數據續(xù)傳框架如圖5?？偩€型分站數據續(xù)傳分為2 個步驟：①由主機根據分站的故障情況，指定分站數據續(xù)傳時間，分站收到命令后，遍歷該時間目錄下所有的測點，找出與當前分站配置相一致的傳感器文件，加總計算得出總幀數告知主機；②主機發(fā)送續(xù)傳數據幀序號，分站根據幀序號讀取相應傳感器數據進行打包上傳。

圖5 總線型分站數據續(xù)傳框架Fig.5 Bus type substation data continuation framework

3 試驗驗證

分站采用NXP 公司的i.mx6ull 芯片作為處理器，擴展128 M 的NandFLASH 和4 M 鐵電存儲器用于數據存儲。為了測試滿載條件下分站斷線續(xù)傳性能，按照分站最大容量，接入31 臺模擬傳感器。在[0,100]區(qū)間內，傳感器每隔2 s 以0.01的變化頻率進行自增或自減，模擬測點值變化上傳。

1）分站斷線續(xù)傳功能驗證。開啟分站斷線續(xù)傳功能，并中斷分站主傳輸通信，7 d 后恢復主通信。測點密采曲線如圖6（每日的采樣日刻均為17：25）。查看主機上測點密采曲線，在分站故障期間，起初密采曲線是空白的，讀取斷線續(xù)傳數據后，空白區(qū)域被斷線續(xù)傳數據填充，斷線續(xù)傳數據用虛線表示。通過比對傳感器上傳數據和主機獲取的續(xù)傳數據，數據完整率達到100%。在續(xù)傳過程中，分站實時數據上傳功能運行正常。

圖6 測點密采曲線Fig.6 Dense sampling curves of measuring points

2）分站斷線續(xù)傳時間測試。根據分站主通信中斷1、5、12 h 3 種情況，分別測試總線型分站與網絡型分站的數據續(xù)傳時間，其中總線型分站傳輸速率為4 800 bps。網絡型分站數據續(xù)傳每幀平均耗時0.4 s，總線型分站數據續(xù)傳每幀平均耗時1 s。

4 結 語

基于分站的斷線續(xù)傳方案，在分站主通信或上級設備故障時可將數據緩存在分站中，并在故障修復時將數據傳輸至主機，填補監(jiān)控系統(tǒng)歷史數據庫，有效解決了分站上級設備故障或通信故障導致的數據缺失問題，保證了數據的完整性，避免因數據缺失導致監(jiān)控系統(tǒng)控制決策受影響，或出現井下環(huán)境趨勢預測精度差的問題。對于分站下行通信的故障，需進一步研究基于傳感器的斷線續(xù)傳方案。