基于GIS的礦用分布式光纖測溫監測系統軟件設計

天地（常州）自動化股份有限公司 賈文琪

基于GIS的礦用分布式光纖測溫監測系統軟件設計

天地（常州）自動化股份有限公司 賈文琪

針對如何將光纖測溫技術更好的應用到井下的問題，提出了基于GIS的礦用分布式光纖測溫監測系統軟件，詳細介紹了該系統原理及功能與軟件設計。該軟件基于Windows平臺，結合MODBUS/TCP通信協議、MapWinGis地圖控件、Wpf技術和光纖測溫技術實現對井下設備進行實時溫度監測。

光纖測溫；實時監測；MapWinGis；Wpf；MODBUS

1　 引言

我國煤礦生產危險源多、災害嚴重的形勢非常嚴峻，礦井火災是直接威脅礦井安全的主要危害之一[1]。煤礦火災分為內因火災和外因火災。外因火災是指違章在井下吸煙、礦用電氣設備等引起的火災。內因火災是指煤炭由于自身的物理化學性質具有自燃性，與空氣接觸后能氧化生熱，如果散熱條件不好，就會自燃。國家安監總局公布的“煤礦安全生產十二五規劃”中，明確指出：進一步加大火災成因機理分析、火災預防、監測預警和火災發生后應急處理設備研究力度；有效防范和及時消除煤礦電纜、皮帶、電氣、可燃材料支護等存在的外因火災隱患。分布式光纖測溫系統是近年來發展起來的一種用于實時快速多點測溫和測量空間溫度場分布的傳感系統。它是一種分布式的、連續的、功能型光纖溫度測量系統。當激光脈沖在光纖中傳輸的過程中與光纖分子相互作用，發生多種形式的散射，有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。這里提出的光纖測溫原理是依據背向拉曼散射的溫度效應[2-3]。該系統穩定性好，抗干擾，可不受任何環境的影響，本身安全，適用于特殊危險場合。

2　 光纖測溫系統架構

分布式光纖測溫監測系統由系統主要由工控機、打印機、不間斷電源、電涌保護器、礦用環網接入器、礦用隔爆兼本安型光纖測溫主機、礦用本質安全型聲光報警器、礦用本安型計算機鍵盤、煤礦用阻燃溫度探測光纜和其他必要設備組成。系統連接示意圖見圖1。

圖1　 系統連接圖

溫度探測光纜沿被測場所或機電設備布置，采集環境溫度。測溫主機采集溫度探測光纜的光信號經過光學濾波、光電轉換、放大、模-數轉換后，送入信號處理器，便可將溫度信息實時顯示出來，同時根據光纖中光波的傳輸速度和后向光回波的時間對溫度信息定位。測溫主機同時可以設定溫度報警值并通過繼電器信號輸出。根據現場布置需要，測溫主機可布置于井下或地面。測溫主機通過網絡接入設備與地面工控機相連，通過系統軟件監測設備實時溫度。

3　 GIS技術介紹

地理信息系統（GIS）是描述、儲存、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門交叉學科，是以地理空間數據庫為基礎采用地理模型的分析方法，適時提供多種空間和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。

運用GIS技術，可以將礦區的基本信息（包括道路、水系、鐵路、電力設施、通信設施和機電設備等）分為不同的圖層進行疊加展現。用戶可以選擇自己感興趣或與工作相關的圖層進行瀏覽。系統提供的瀏覽功能包括放大、縮小、漫游、鷹眼和全圖查看等。根據人眼的視覺原理，自動實現在不同比例尺下GIS基礎應用平臺顯示不同的數據層。在功能上，可以實現礦井信息的多角度查看，同時將重要設備信息、人員等在虛地圖中標識出來。

圖2　 軟件架構

4　 軟件架構設計

本系統基于Windows操作系統實現，使用Wpf技術，C#，C++開發語言。系統采用MVC分層架構如圖2所示，其中關鍵模塊功能包括系統調度模塊，地圖編輯模塊，地圖實時顯示模塊，溫度數據實時顯示模塊，MODBUS數據通信模塊。系統調度模塊為核心模塊，負責各模塊直接協作調度、系統業務處理和界面更新等功能。文件上傳下載模塊負責下位機配置文件讀寫功能。數據庫訪問模塊負責MySql數據庫操作。MODBUS數據通信模塊負責通過MODBUS/TCP協議與下位機進行通信，獲取實時數據。

5　 軟件實現

5.1 表示層模塊實現

地圖編輯模塊，地圖實時顯示模塊，溫度數據實時顯示模塊均屬于前端顯示模塊。用戶體驗成為模塊實現的首要考慮因素。

系統界面采用Wpf技術[6-7]編寫，首先Wpf統一了Windows創建、顯示和操作文檔、媒體和用戶界面(UI)的方式，使開發人員和設計人員可以創建更好的視覺效果、不同的用戶體驗。其實，Wpf采用數據驅動的UI，數據是核心，處于主動的，UI從屬于數據并表達數據，是被動的。WPF數據第一，控件第二。因此，Wpf能更好可以使開發人員和設計人員同步緊密地合作來快速提供不同的連通體驗，使軟件易于維護。

地圖顯示與編輯模塊采用MapWinGis第三方開源Gis進行二次開發，MapWinGis 是一個相當高效的地圖引擎，放大、縮小、漫游速度很快，被譽為開源中的ArcGis。對.Net的二次開始相當支持。速度、效率總體不錯[8-9]。

系統主界面采用地圖方式對全礦井平面、所要監控的對象進行展示。當鼠標移至設備對象時，顯示對象在光纖中的基本信息如圖3所示，具有良好的用戶體驗。

圖3　 軟件主界面

5.2 系統調度模塊實現

系統調度模塊位于系統的邏輯層，主要模塊功能有：1)定時讀取底層數據；2)定時更新用戶界面；3)負責各模塊之間協調與數據相互訪問性；4)控制歷史數據的存儲及訪問；5)控制系統配置文件進行上傳下載。

系統調度模塊采用Observer模式[10]，系統調度模內包含多個觀察者（如地圖顯示模塊等），通過系統調度模塊監視被觀察者（如MODBUS數據通信模塊等）。這樣就阻斷了各模塊之間的直接聯系，松散了耦合關系。被觀察者通過Update函數通知觀察者做出相應的動作，完成Observer模式整個流程。

5.3 MODBUS通信模塊實現

MODBUS通信模塊基于MODBUS/TCP協議[11-12]，采用C++ Dll庫文件方式實現，方便C#等其它程序調用。MODBUS通信模塊作為客戶端程序接收三類事件：1)對MODBUS請求進行編碼，并使用TCP管理組件服務通過網絡進行發送MODBUS請求。2)處理MODBUS證實，對接收到的MODBUS數據進行解碼，根據解碼后內容作響應處理。3)對于用戶請求超時的，進行重傳處理。具體過程如圖4所示。

圖4　 MODBUS通信模塊流程圖

6　 結語

本軟件基于Windows操作系統的Wpf技術、MapWinGis第三方地圖控件和MODBUS通信協議開發，能夠更靈活方便的對煤礦機電設備、動力電纜及高速運行的皮帶各處的溫度進行實時在線監測，也可以對煤礦重點區域進行環境溫度檢測，預防檢測火災的發生。目前，該軟件已經在煤礦得到應用，取得了顯著效果。

[1]鮮學福,王宏圖,姜德義．我國煤礦礦井防滅火技術研究綜述[J]．中國工程科學,2001(12)．

[2]趙玉明,李長忠,翟延忠,許舒榮．基于拉曼散射分布式光纖測溫系統的理論分析[J]．計量學報,2007(z1)．

[3]張在宣,劉天夫,張步新,陳陽,陳曉竹．激光拉曼型分布光纖溫度傳感器系統[J]．光學學報,1995(11)．

[4]肖愷,李平,羅巧梅,張靜,楊峰,趙浩．分布式光纖測溫系統在電纜溫度監測中應用[J]．現代電子技術,2014(12)．

[5]申永文．光纖測溫系統在黑岱溝選煤廠的應用[J]．電子制作,2014(12)．

[6]何英．基于WPF技術的典型工業檢測系統上位機軟件顯示模塊的開發[J]．電腦知識與技術,2010(18)．

[7]徐滔．WPF控件設計綜述[J]．現代計算機(專業版),2009(7)．

[8]楊益飛,劉小勇．基于MapWinGIS的組件式GIS開發及應用[J]．測繪與空間地理信息,2010(6)．

[9]呂秀琴,張毅．MapWinGIS應用于GIS程序設計實踐[J]．實驗技術與管理,2012(10)．

[10]吳善明,沈建京,劉輝．淺析Observer模式在GIS軟件設計中的應用．計算機工程與設計,2007(18)．

[11]盧文俊,冷杉,楊建軍．基于Modbus協議的控制器遠程監控系統[J]．電力自動化設備,2003(6)．

[12]MODBUS通訊協議中文版[DB/OL]．http://wenku．baidu．com/view/7eea0083ec3a87c24028c4eb．html,2013．

賈文琪（1978—），男，江蘇武進人，大學本科，工程師，現在天地（常州）自動化股份有限公司從事礦用產品研發工作。