郝秦霞

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山異構 信息集成處理模型

郝秦霞

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

為研究煤礦企業(yè)安全生產中出現(xiàn)的如何將現(xiàn)有智能物件和子系統(tǒng)鏈接起來的問題，如何實現(xiàn)應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)大集成的問題，以及如何解決物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山中海量的異源、異構數(shù)據(jù)的問題，提出采用基于XML的異構數(shù)據(jù)源集成算法(XUTD)，首先將異構數(shù)據(jù)轉換成統(tǒng)一的XML格式的數(shù)據(jù)，提高異構處理數(shù)據(jù)的能力，然后將異源海量數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山異構信息集成處理模型(DMIT)中應用，將集成的復雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)進一步的通過數(shù)字化礦山異構信息集成處理模型進行負載分散，增加了網(wǎng)絡傳輸壓力，從而滿足煤礦企業(yè)異構數(shù)據(jù)集成的要求，實現(xiàn)了異構、異源數(shù)據(jù)信息建設的總體思想。為有效利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)數(shù)字化礦山數(shù)據(jù)大集成提出了有效的解決方案。模型在煤礦企業(yè)應用后證明，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山異構信息集成處理模型可以有效解決異源、異構數(shù)據(jù)接入的問題，滿足了煤礦企業(yè)異構數(shù)據(jù)集成的需求。

XML；XUTD；DMIT；異構信息源；物聯(lián)網(wǎng)技術

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)是世界信息產業(yè)發(fā)展的又一次浪潮，其發(fā)展的關鍵在于把現(xiàn)有的智能物件和子系統(tǒng)鏈接起來，實現(xiàn)應用的大集成。基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山是通過各種感知方法、信息傳輸與處理技術，實現(xiàn)對真實礦山整體及相關現(xiàn)象的可視化、數(shù)字化及智能化。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術體系結構和煤炭工業(yè)信息化與自動化建設框架，物聯(lián)網(wǎng)技術在數(shù)字化礦山中的應用主要包括各類安全子系統(tǒng)應用、生產技術設計管理信息系統(tǒng)、生產執(zhí)行系統(tǒng)應用、煤炭企業(yè)經(jīng)營管理信息系統(tǒng)應用和企業(yè)輔助決策分析應用，其中涉及的安全生產的環(huán)節(jié)眾多，使得監(jiān)測監(jiān)控應用系統(tǒng)復雜繁多。因而在數(shù)據(jù)的接入、信息的感知、信息的傳輸以及上層的處理和應用中造就了海量的異構、異源的信息和數(shù)據(jù)，形成了企業(yè)錯綜復雜的蜘蛛網(wǎng)絡，造成信息化建設中數(shù)字化集成的瓶頸，影響煤炭企業(yè)的安全數(shù)據(jù)決策效率與準確性。這就使企業(yè)無法整體協(xié)調一致地連續(xù)運轉，不利于煤礦企業(yè)對于安全生產中存在的問題以及隨時可能出現(xiàn)的緊急事件進行及時、有效地分析與處理。

文中針對上述海量的異構、異源數(shù)據(jù)集成的問題提出數(shù)字化礦山數(shù)據(jù)大集成的思想。首先應用基于XML的異構數(shù)據(jù)源集成算法(XUTD)集成不同傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，將異構數(shù)據(jù)轉換成統(tǒng)一的XML格式的數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)之間存在的差異性與信息集成產生的數(shù)據(jù)沖突等問題力；然后在物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化礦山異構信息集成處理模型(Digital mine integration of heterogeneous information processing model based on Internet of things，DMIT)中應用[1-3]，將集成的復雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)進一步的通過數(shù)字化礦山異構信息集成處理模型進行負載分散；最后將所有各種傳感設備網(wǎng)絡的壓力分散到多個信息處理層部署數(shù)據(jù)匯集服務器，增加了網(wǎng)絡傳輸壓力，從而滿足煤礦企業(yè)異構數(shù)據(jù)集成的要求，為煤礦企業(yè)解決蜘蛛網(wǎng)絡中的復雜數(shù)據(jù)集成問題提出了有效的解決方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術在數(shù)字化礦山中的應用

物聯(lián)網(wǎng)技術在煤礦安全生產過程中主要涉及[4-5]：綜合自動化、信息化的各個子系統(tǒng)，覆蓋煤礦安全、生產、經(jīng)營等各個環(huán)節(jié)，最終將實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的規(guī)范化和綜合集成，以便數(shù)據(jù)再利用和智能分析等功能。物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產過程中面臨的主要問題則包括[6]

1)不同類型的感知設備采用不用的接口協(xié)議、通信協(xié)議，給感知設備的互換和集成帶來了巨大的困難；

2)由于煤礦企業(yè)純在眾多異源異構應用系統(tǒng)，目前信息與業(yè)務之間不能完全融合，信息無法實現(xiàn)高度共享；

3)數(shù)據(jù)利用度不高，由于煤礦信息化建設中，數(shù)據(jù)采集信號種類繁多，采集實時性強，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)存儲于控制站，應用層沒有對數(shù)據(jù)進行綜合利用和深度挖掘，智能化程度低，無法為煤礦生產安全管理發(fā)揮有效的利用價值。

2 異構數(shù)據(jù)源集成處理算法XUTD

由于物聯(lián)網(wǎng)在煤礦安全生產過程中，涉及煤礦安全、生產、經(jīng)營等各個環(huán)節(jié)，因而存在大量不符合數(shù)據(jù)完整性條件、內容不確定的XML數(shù)據(jù)，這種大量的XML數(shù)據(jù)不能維持數(shù)據(jù)與語義的一致性，而數(shù)據(jù)的非一致性簡單地說就是違背了數(shù)據(jù)完整性[7-8]。這就需要建立一種能處理數(shù)據(jù)非完整性、內容不確定性的數(shù)據(jù)集成模型。這些有著不同的結構及來源的XML數(shù)據(jù)，其規(guī)模、可信度與可用度也往往參差不齊，若要有效利用這些不確定數(shù)據(jù)，則需要解決這些數(shù)據(jù)之間存在的差異性與信息集成產生的數(shù)據(jù)沖突等問題。而異構數(shù)據(jù)源集成算法的實質是解決分布存儲數(shù)據(jù)之間的異構問題，將不同格式的數(shù)據(jù)轉換成統(tǒng)一的XML格式的數(shù)據(jù)，有效的解決數(shù)據(jù)的差異性與信息集成的沖突。

文中提出對XML非一致性數(shù)據(jù)不確定性信息轉化為確定性信息的算法(XUTD)，它通過增加概率約束條件，準確抽取數(shù)據(jù)元素特征，使不確定信息轉化為確定信息，有效的解決了數(shù)字化礦山中的異源、異構數(shù)據(jù)集成問題。

XUTD的集成策略L：L是一個三元組，其中P表示源信息元素各子元素的優(yōu)先級，是{CW，T，QC}全排列的序列之一。QCF∈Q+∪{0}表示QC的影響力(Q：有理數(shù)集合)；TR表示time`的影響力。

對于n個XUTD實例X1，X2，…，Xn的集成，將結果存儲為一個新的XUTD實例X，對應的集成算法XM(∑Xi,L)

輸入：輸入n個XUTD實例X1，X2，…，Xn，以及集成策略L；

輸出：n個XUTD實例X1，X2，…，Xn的集成結集X；

首先按照指定的策略L進行n個源信息元素的歸并。創(chuàng)建元素Fr,Ft，F(xiàn)t的值歸并SS，令Fn=Xn·SS，F(xiàn)r值為X1.Fr∪X2.Fr…∪Xn.Fr.

1)元素Num：Num=X1·Mum1+X2·Mum2+…+Xn·Mumn；

2)元素CW：CW=(X1·CW1+X2·CW2+…+Xn·CWn)/Num；

3)元素T及其子元素：創(chuàng)建時間值取當前集成操作的時間，T=min{X1·T1,X2·T2,…,Xn·Tn}；

4)元素QC：QC1=0，XiQCi=XiQCi+1.

其次按照集成策略L計算X1，X2，…，Xn的權，計算公式有4種情況。

2)Nmui=QCi×S·QCFi+Nmui；

3)若僅考慮CW與Num，則僅計算1)；若用集成策略L，則判斷L.P，若順序為QC，T，CW，先計算2)～3)，再計算1)，若順序為CW，OC，T，則先計算1)～3)；

4)weighti=Numi；

最后按照元素kij屬性，修正數(shù)據(jù)。

1)kij?K，使kij與mij元素名稱相同，則認為mij表示的是數(shù)據(jù)類中的一個全新的對象，將元素mij引入X(K)；

2)kij∈Ki，將kij引入到X(K)，對每個mij∈Ki，若存在元素kij∈K，kij與mij的概率取值與分布相同，則不需對數(shù)據(jù)進行處理；

3)kij與mij元素名稱相同，則認為kij與mij表示的是相同數(shù)據(jù)類中的同一個對象；

4)kij與mij元素名稱不同，對mi的每個子元素Rp，循環(huán)判斷ki的每個子元素Rq：

①Rq·k=Rp·k，Rq·p≠Rp·q，則計算

②Rq·k≠Rp·k，則重新計算

③若Rq·k≠Rp·k，則計算

3 DMIT的體系結構

3.1 DMIT的體系模型

DMIT采用分布式層次化結構[9-10]，由不同層次和專業(yè)的信息化系統(tǒng)組成，各層次及各類信息化應用系統(tǒng)之間采用無縫銜接，DMIT實現(xiàn)了數(shù)字化將礦山統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，提高了煤礦安全生產運營管理的效率。DMIT體系結構共分為5層，分別是感知層、接入層、傳輸層、信息處理層和應用層，如圖1所示。

圖1 DMIT體系結構

1)感知層：在感知層主要是實現(xiàn)煤礦安全生產與管理的綜合感知，目前數(shù)字化礦山中的感知層由各類傳感器、RFID設備、GPS、M2M等組成，主要涉及采掘、運輸、提升、選洗、運裝等各種傳感設備網(wǎng)絡(Sensing Network,SN)。在有數(shù)據(jù)接入需求的地理區(qū)域(簡稱接入?yún)^(qū)域：Access Area，A)中，一個A可含多個SN.

2)接入層：目前煤礦企業(yè)主要應用WiFi，ZigBee、總線等來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層的相連，模型應用接入層來實現(xiàn)數(shù)字化礦山感知層中不同感知網(wǎng)絡的各種終端數(shù)據(jù)的接入。模型在接入層中部署傳感網(wǎng)絡接入代理(SN access Agent,SNA)，為該區(qū)域提供數(shù)據(jù)接入服務節(jié)點。根據(jù)接入規(guī)模，一個A可連接多個SNA，一個SNA管理多個接入適配器(Adaptor)和一個合成器(Synthesizer，Syn)。Adaptor負責傳感網(wǎng)絡協(xié)議的解析工作，不同的Adaptor適配不同的傳感網(wǎng)絡，根據(jù)待接入傳感網(wǎng)絡的不同，可以自定義接入適配器。當SN向Adaptor發(fā)送XML數(shù)據(jù)時，Adaptor將這些信息以傳感器為單元進行封裝。封裝后的數(shù)據(jù)被認為是一個輸入實例Xi，n個實例(X1，X2，…，Xn)被發(fā)送至Syn，集成為結集X，由SNA統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)的集成由異構數(shù)據(jù)源集成處理算法來實現(xiàn)。

3)傳輸層：該層為網(wǎng)絡化的煤礦安全、生產、經(jīng)營和管理應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)、語音和視頻一體化的高速公路。傳輸層主要由煤礦工業(yè)網(wǎng)絡和煤礦管理信息網(wǎng)絡2部分組成。實現(xiàn)煤炭企業(yè)信息管理和煤炭綜合自動化管理。接入層中的SNA數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議發(fā)送至信息處理層。

4)信息處理層：在該層主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和加工，通過構建數(shù)據(jù)的統(tǒng)一倉庫平臺，確保了信息應用層對數(shù)據(jù)的互聯(lián)、互通和共享的實現(xiàn)。因而在信息處理層部署數(shù)據(jù)匯集服務器(Rendezvous Service，RS)，作為多個接入?yún)^(qū)域傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯集工作的節(jié)點。

5)信息應用層：該層承擔著數(shù)據(jù)的綜合利用和智能化應用，覆蓋整個數(shù)字化礦山安全、生產、經(jīng)營和管理的綜合應用[11-12]。主要涉及安全相關的各類子系統(tǒng)應用、生產技術設計管理信息系統(tǒng)及生產執(zhí)行系統(tǒng)應用、煤炭企業(yè)經(jīng)營管理信息系統(tǒng)應用和企業(yè)輔助決策分析應用，各類應用系統(tǒng)從RS中提取相關數(shù)據(jù)。

3.2 DMIT的上、下行數(shù)據(jù)

在DMIT中存在2種數(shù)據(jù)[13-14]：上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)即為從SN到應用層的業(yè)務數(shù)據(jù)流，下行數(shù)據(jù)則為從應用層到SN的控制數(shù)據(jù)流。上行數(shù)據(jù)通道采用面向內容的協(xié)議轉換，下行數(shù)據(jù)通道采用面向網(wǎng)絡的協(xié)議轉換。面向內容的協(xié)議轉換是指將SN中的傳感器作為協(xié)議轉換的最小單元，經(jīng)Syn匹配后，解析SN中的數(shù)據(jù)，再以傳感器為最小單位對這些數(shù)據(jù)進行封裝。面向網(wǎng)絡的協(xié)議轉換是指將SN作為協(xié)議轉換的最小單元，應用層的控制信息只需發(fā)送給SN的網(wǎng)關節(jié)點，Adaptor將來自物聯(lián)網(wǎng)的管理控制協(xié)議按照SN的協(xié)議轉換即可。

DMIT采用分布式層次化的層級結構有利于將系統(tǒng)負載分散到不同層次[15]。所有SN首先依據(jù)地理位置在邏輯上被分為不同的A，每個A的接入壓力可以由多個SNA 來消化，每個在SNA中都采用XUTD算法將異構數(shù)據(jù)轉換成統(tǒng)一的XML格式的數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)之間存在的差異性與信息集成產生的數(shù)據(jù)沖突等問題力，最后所有SNA的壓力同樣被分散到多個RS，增加了網(wǎng)絡傳輸壓力[16-17]。

4 結 論

文中根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術體系結構和煤炭工業(yè)信息化與自動化建設框架，存在的海量異構、異源的信息和數(shù)據(jù)，造成信息化建設中數(shù)字化集成的瓶頸，影響煤炭企業(yè)的安全數(shù)據(jù)決策效率與準確性的問題，提出相應的解決辦法：

1)根據(jù)煤礦安全生產過程中海量、異構、異源數(shù)據(jù)提出了基于XML的異構數(shù)據(jù)源集成算法(XUDT)；

2)在異構數(shù)據(jù)源集成算法基礎上提出了物聯(lián)網(wǎng)海量異構信息集成及智能處理模型DMIT；

經(jīng)過實驗證明可以有效解決異源、異構數(shù)據(jù)接入的問題，滿足了煤礦企業(yè)異構數(shù)據(jù)集成的需求，為煤礦企業(yè)解決蜘蛛網(wǎng)絡中的復雜數(shù)據(jù)集成問題提出了有效的解決方案。下一階段將在改善系統(tǒng)延遲方面做進一步研究。

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Digitalized mine heterogeneous information integration processing model based on internet of things

HAO Qin-xia

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

In order to study how to link up the existing smart objects and subsystems in safety production of coal mine enterprise,how to realize application of system data grand integration and how to solve the problems of massive heterologous data and heterogeneous data in the Internet of Things-based digitalized mine,this paper proposes the use of XML-based heterogeneous data source integration algorithm(XUTD),firstly,convert the heterogeneous data into unified data in XML format,improve heterogeneous data processing ability,and then apply massive heterologous data in Things-based digitalized mine heterogeneous information integration processing model(DMIT),and further conduct load distribution for the integrated complex system through the digitalized mine heterogeneous information integration processing model,which increases network transmission pressure,thus meeting the requirements of coal mine enterprise heterogeneous data integration and achieving overall thought of heterogeneous and heterologous data construction.It provides effective solution for realizing digitalized mine data grand integration through effective use of Internet of Things technology.It proves that,after application of model in coal mine enterprise,the Internet of Things-based digitalized mine heterogeneous information integration processing model can effectively solve the problem between heterologous data and heterogeneous data access,meeting the demands of coal mine enterprise heterogeneous data integration.

XML；XUTD；DMIT；heterogeneous information sources；internet of things technology

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0123

1672-9315(2015)01-0132-05

2014-08-10責任編輯:劉 潔

陜西省教育廳專項項目(14JK1457)作者簡介：郝秦霞(1980-)，女，陜西西安人，講師，E-mail:haoqinxia@xust.edu.cn

TP 271.5

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