煤炭企業遠程實時監管云服務系統

任 敏，杜文廣，楊 勇

(1.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024;2.太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024)

責任編輯:許 盈

隨著煤炭企業信息系統的廣泛應用和信息化程度的提高，煤炭企業對信息的依賴程度越來越大。傳統的以個人計算機和互聯網為基礎的信息系統已經逐步顯現出滯后性。而隨著智能移動終端的發展和移動網絡的升級，移動信息化逐步拓展傳統信息系統的應用范圍，已經成為信息化建設的發展趨勢。然而移動終端由于受限于其便利性，其很多功能(如復雜計算能力、海量存儲等)與個人計算機相比都相應受到較多的限制。借助高速互聯網實現分布式協同計算的云計算技術，使得這種缺陷可以得到彌補。通過建設煤炭企業遠程實時監管云服務系統，可以更進一步地提高煤炭企業的信息化程度，實現更加高效靈活的企業安全生產的監控和管理，為煤炭企業安全生產提供有力保障，同時降低資源浪費。

1 移動云計算

云計算(Cloud Computing)是分布式計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機技術發展融合的產物。其架構自下而上分為3層:IAAS(Infrastructure－as－a－Service)層是基礎設施即服務層，服務器集群共享存儲、處理能力及寬帶等資源;PAAS(Plartform－as－a－Service)層是平臺即服務層，不同的企業或單位通過該平臺享用IAAS層集成的資源，并從集中的服務器中交付個人及商務應用;SAAS(Software－as－a－Service)層是軟件即服務層，SAAS層實際上強調的是一種計算模式，客戶無需再購買軟件而是租用軟件服務，提供商按需供給、按量收費。

移動云計算技術就是“云+端”的模式，借助于移動互聯網的價值，利用后臺的云服務，對終端設備進行快速適配，將多數應用放在終端中執行，即便是終端設備性能比較弱也沒有問題，因為可以在后臺計算好推送到移動終端。移動云將“計算”從終端設備(端)轉移到整個軟硬件系統(云)來實現，從而弱化了對移動終端設備的處理能力的需求［1－8］。

2 煤炭企業遠程實時監管云服務系統

2.1 系統架構設計

整個系統的設計采用分層設計的方案，分為應用系統層、應用整合層、移動平臺層、移動網絡層和終端層。平臺業務邏輯結構如圖1所示。

1)應用系統層。應用系統層是系統最底層，該層主要包括各子系統及構成子系統的傳感器、執行器、開關柜、智能變配電裝置、行程開關等現場設備。系統利用RS－232、RS－422、RS－485、OPC 接口、ODBC 接口對各子系統(壓風、瓦斯檢測、鍋爐監控、視屏監控等)PLC分站、電機智能控制器、其他智能監控分站運行參數進行采集，并負責傳達集中控制信號至現場設備。

圖1 平臺業務邏輯結構圖

2)應用整合層。在應用系統層之上是應用整合層，通過礦井工業以太環網的建設可以統一整合現有單功能型檢測監控子系統、工業電視和有線/無線調度通信系統，建立井上、井下統一工業控制專網。應用ESB總線技術、XML技術及數據源等技術，對各個業務系統進行對接，采集各個系統的數據后，在應用整合層進行匯總、處理，對應用系統進行整合，使井上、井下各種功能的監控系統成為一個完整的綜合自動化子系統，消除“信息孤島”現象。

3)移動平臺層。移動平臺是該系統的核心層。在移動平臺層，利用云計算等關鍵技術，如虛擬機技術、數據存儲技術、數據管理技術、分布式編程與計算技術對系統實時數據進行抽取、壓縮、分析，利用Hadoop架構了一個強擴展性、高容錯性、高傳輸率、低廉的分布式文件系統(Hadoop Distributed File System)，借助MapReduce模式實現任務的分解和結果的匯總，采用云計算集中式的調度機制對海量數據進行處理，實現基于業務作業的靈活調度和管理，建立不同層面面向現場的生產調度指揮平臺，實時監測生產現場的狀況，實現煤流、運輸、通風、人員、工作面等多種安全生產分析模型，并對多重移動智能終端進行統一管理。

4)移動網絡層。把運營商的通信資源(短信、彩信、LBS、GSM/GPRS/3G/LTE)統一接入進來，對資源進行統一管理和按需分配。系統采用統一的網絡隔離、安全傳輸以及應用數據等方面的安全措施，保證了業務數據的安全性，為移動終端接入后的數據傳輸與實時展現奠定了基礎。

5)終端層。最頂層是直接面向用戶的統一的、界面友好的信息門戶(EIP)，系統將移動平臺層抽取的數據及業務管理的數據通過統一的門戶形式進行展現，所有的系統通過單點登錄即可實現全面的訪問及控制，并同時提供全礦統一的安全權限管理。客戶安裝開發的客戶端軟件，在移動平臺中進行注冊及安全綁定后，通過快速調用API(Application Programming Interface)封裝函數經過移動網絡(運營商)訪問系統。

2.2 系統實現

根據系統分層設計的思想，系統實現的核心問題是數據的集成、抽取、處理、分析這個完整的過程，下面以數據處理核心過程為例，闡述系統的實現過程。其實現過程如圖2所示。

圖2 系統數據流處理實現流程圖

在系統數據的傳輸過程中，主機數據接收和客戶端數據推送是相輔相成的。主機相當于服務器，子系統相當于客戶機(圖2中的客戶端)。每個客戶機將自己得到的子系統信息推送到服務器(主機)處，然后主機處理這些數據，并決定哪些數據存入關系數據庫，哪些數據存入實時數據庫。

1)客戶端數據采集實現:系統采用目前市場上常見的上位機數據接口形式(如OPC、文本、數據庫等)與各種自動化管理系統對接，采集涉及安全生產的各種數據。

2)客戶端數據處理實現:系統采用pSpace實時數據庫系統、SDA數據采集系統，對客戶端采集到的業務數據進行分類、去冗處理。

3)客戶端數據傳輸實現:客戶端在廣域網范圍內將業務數據文件推送到主機上，待主機對業務數據進行進一步的處理。

4)主機業務數據處理實現:主機接收廣域網范圍內客戶端推送過來的業務數據文件，采用基于Hadoop架構的MapReduce分布式計算模式，對子系統中抽取的數據進行統一的分布式處理，快速生成數據報表，并存儲到關系型數據庫或者實時數據庫，實現智能終端上的軟件去調用這些被處理過的數據，并在頁面上進行展示。

2.3 系統應用

煤炭企業遠程實時監管云服務系統目前已經成功應用于山西省某煤礦企業的安全生產管理中，由于系統應用的高安全性，系統自上線至今為止，并發用戶量已突破2 000，訪問速度不低于15 s。系統訪問流程圖如圖3所示。

圖3 系統訪問流程圖

客戶申請登錄時，系統首先對其數字證書進行驗證，若驗證通過則客戶登錄系統成功，可實時查閱安全生產報表和生產工作面圖;若未通過驗證，則提示申請注冊。用戶注冊時，系統提供從無線接入到終端用戶認證，統一制定并頒發一一對應的數字安全證書，杜絕系統應用過程中人為因素帶來的安全隱患。系統部分終端應用效果如圖4所示。

圖4 系統部分終端應用效果圖(截圖)

2.4 系統優勢

煤炭企業遠程實時監管云服務系統對安全生產涉及的各個子系統進行對接，采集各個系統的數據進行集成，具有集中管理、分布式處理、數據無線傳輸等特點，降低了煤炭企業的管理成本并提高了系統安全性能。與傳統煤炭企業管理系統相比，具有明顯的優勢:

1)建設了服務于煤礦各個子系統的統一監管信息平臺，支持數據的實時監測和遠程傳輸，并采用Hadoop架構對海量數據進行快速處理，實現了實時數據查詢、歷史數據查詢及安全情況分析等功能。

2)較好的擴展性和重用性。系統采用J2EE基礎框架技術將OPC，ODBC，OLEDB等工業自動化監控系統的接口進行標準化實現，為實現各種異構系統的接入提供了技術保障。

3)靈活管理。系統支持包括CDMA1X/EV－DO、GSM/GPRS/WCDMA/TD－SCDMA、WLAN 等多種無線接入技術，能夠實現短/彩信、LBS位置定位等無線資源的統一管理調用。

4)降低成本。在移動平臺層建設采用云計算技術建設虛擬資源池，減少服務器的占地面積，降低購買實體服務器及維護費用，節省能源及成本。

5)采用數字證書技術，具有高可靠性。系統支持CA認證體系的標準，并提供數據加密和傳輸通道加密等能力，包括PKI證書技術、AES 256內容加密方式和SSL 1024信道加密方式等方面針對無線網絡和無線終端進行整體安全保障。安全體系架構如圖5所示。

圖5 系統安全體系架構圖

6)嵌入式組態客戶端。系統提供手機、平板電腦等無線終端嵌入式組態客戶端統一開發技術，通過各個組態界面來快速實現嵌入式終端的遠程監管功能。

3 結語

煤炭企業遠程實時監管云服務系統利用數據采集終端與生產企業內的生產監控系統對接，采用云計算及分布式數據處理技術對數據進行統一處理后傳送給智能控制終端，實現了遠程實時監管和隨時隨地辦公，對煤炭企業的移動信息化建設起到指導意義和促進作用，具有較強的普遍性和實用性。鑒于該系統取得的成果，目前已經開始山西無線企業云平臺的研究，從而為無線山西奠定更為堅實的基礎。

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