煤礦井下多功能模塊化分站及其軟件管理系統的研究和應用

摘 要：目前，礦山的信息化、數字化系統及設備發展雖然取得了長足進步，但各種單一功能的分站或者具備若干項功能的井下分站設備仍廣泛使用，集成度不高，維護及管理問題突出；另外，因其功能分散，統一指揮功能不容易得到發揮及使用，在搶險救災等關鍵時刻容易導致拖延、貽誤等現象發。因此，研發煤礦井下模塊化分站及設備管理系統并將其應用于指導生產實踐、用于救災等就顯得十分必要。

關鍵詞：礦山信息化；集成度；分站設備；應用

前言

目前，礦山的信息化系統及設備發展方興未艾，但仍有許多煤礦使用各種單一功能的分站或者具備若干項功能的井下分站設備，設備功能應用不完善，缺少統一的通信及信息交換標準和平臺，獨立系統多，整體規劃和集成的較少，設備之間的信息交互少，利用率低，綜合功能欠缺，使得維護及管理問題突出。因此，研究將各個功能集成于一體的煤礦井下多功能綜合模塊化分站及分站統一管理系統并將其應用于實踐尤為迫切。

1 系統總體設計

礦山的信息化建設需要建立在三個平臺基礎上，即統一的傳輸網絡平臺、統一的數據庫平臺及統一的應用平臺。通過與致力于研究和推動數字化礦山綜合通信系統建設的高新技術企業合作，我們首次提出“基于工業網聯網的一網一站”的新概念，即開發一個工業網絡，網絡內只構建一個或幾個多功能綜合模塊化分站，使用光纖傳輸，實現數據上傳處理。利用成熟的網絡技術、無線通信技術、數據庫技術及系統集成技術等構建井下寬帶綜合通信基礎設施，研制了多功能模塊化分站，提升礦山安全信息化水平。

本課題以工業以太網為基礎構建的信息化傳輸平臺，以模塊化軟件和實時數據庫為基礎，實現了對生產和管理過程的信息化應用。多功能模塊化分站為系統承載平臺，該分站具有人員定位、通信聯絡、數字網絡廣播、視頻監控、傳感器接口、設備控制等功能。支持各大系統的各種標準化終端和設備接入。網絡示意圖如圖1所示。

2 煤礦井下綜合模塊化分站系統硬件設計及開發

2.1 硬件系統

本課題開發的的系統硬件——井下模塊化分站硬件系統，是一個基于IP/以太網的多業務承載平臺，其實現的主要功能有：提供礦山網絡多業務（wifi、zigbee、adsl、eoc、傳感器模擬信號等業務）的接入；融合接入設備與終端的綜合功能，提供多IP供終端業務的使用；提供統一網管對網絡進行系統管理。

2.2 硬件電路設計

模塊化分站一般作為井下作為網絡的傳輸節點和井下物聯網信息的匯聚點使用。與分站連接的設備包括分站、傳感器接口設備和專用網絡交換機等。分站的功能包括四個部分：模塊組合承載業務、給模塊和傳感器供電、具有交換機功能、配合網管管理模塊。

其硬件電路組成如下：背板：實現業務無關的以太網分組交換功能，完成各個模塊/單板之間的數據轉發功能；光交換模塊：提供千兆以太網接入功能；Wifi模塊：提供wifi及百兆以太網接入功能，同時實現wifi與以太網之間協議轉換功能；標準擴展模塊：實現傳感器信號接入并轉化成IP/以太網報文，提供終端IP供傳感器模塊使用來與服務器進行通訊；精確定位模塊：實現zigbee信號接入并轉化成IP/以太網報文，提供終端IP供精確定位模塊使用來與服務器進行通信。

井下多功能模塊化分站硬件系統結構如圖2所示。

3 軟件管理系統設計

3.1 系統結構介紹

基于多功能模塊化分站的軟件管理系統是礦山信息網絡系統的一部分，是針對系統內設備及網絡進行管理的部分。客戶端通過訪問運行在網絡系統中的服務器，實時監測網絡系統中網絡及設備節點的工作狀態，可根據客戶要求遠程控制及現場維護井下信息節點，為礦山信息化傳輸層提供管理保障。主要包括 API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）、APP（Application，應用程序）設計兩部分。

3.2 API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）設計

3.2.1 API結構設計

開發設計了API結構。API也叫做“中間件”，通過使用API，可快速創建自己的應用程序，而不需要了解底層的具體細節。API分為業務系統API（簡稱S-API）與網管系統API（M-API）。S-API主要實現對礦山信息化業務系統進行底層數據的綜合管理，將個子系統等傳統的業務進行底層數據的采集，采用SOA架構（面向服務的體系結構）統一封裝為標準的API接口。通過標準的API協議，可以方便的在其基礎上開發系統應用軟件，不用關心業務底層數據及物理層硬件工作數據，提升整個網絡系統模塊化程度。M-API是針對系統中網絡及設備的管理API，是對實際網絡和設備的數據、狀態虛擬化，并提供標準的接口，可以根據接口協議開發定制的管理軟件，使應用層APP的開發更加靈活、易于維護。

3.2.2 API層模塊介紹

上層API：提供給應用層標準的API調用接口；底層API：與底層數據交互接口，允許多種接口接入；數據區：存儲由底層API提供的數據，與處理模塊交互，最終根據上層API調用規則提供數據；處理區：對來自數據區內數據進行優化處理；直傳通道：用于緊急應用層與網絡層數據緊急、實時要求較高的數據交互通道；管理區：對API層各個模塊數據交互規則進行管理，對其交互處理行為進行日志保存。

3.3 APP（Application，應用程序）設計

APP為系統上層應用軟件，是與用戶直接交互的人機接口。通過調用API接口，APP可以根據實際應用構建為多種應用形態。

本課題研究主要針對移動終端的APP設計。系統APP根據實際的應用需求分為管理頻道、咨詢頻道、設置頻道及搜索頻道，通過三個主要的應用頻道，可以對系統內基本的設備及網絡的運行狀態進行實時查看，并可以根據實際情況進行遠程或現場維護。

3.4 軟件測試及現場應用情況

移動終端用戶通過系統APP可修改用戶個人信息、修改密碼、調整系統設置、反饋APP應用意見、軟件升級等，并可現場查找設備名稱或ID等信息最終進入實際設備信息查看與設置界面的頻道，用戶可查看當前工業現場正在運行的設備信息、工作情況及工作狀態歷史記錄，并且可對設備和現場網絡進行維護、設置。軟件測試功能正常。

解決了傳統的數字化礦山系統設備冗余、維護復雜、設備無管理的問題，提高了信息處理的實時性、安全性，并降低成本。單個設備注入了可管理的代理軟件，通過軟件可對任意一臺設備進行所見即所得的管理，解決了傳統數字化礦山系統因管理缺陷導致的設備狀況無法監控的問題。應用于現場以來效果良好。

4 創新與突破

（1）該本安型井下模塊化分站，接口豐富，可以用有線或者無線方式連接除瓦斯監控系統（按照要求必須獨立傳輸）傳感器之外各其他系統傳感器和終端設備，包括攝像頭、智能終端和PLC可編程邏輯控制模塊等，實現集中監測及所有系統的統一管理和維護。

（2）對系統的應用軟件建立了統一的調用接口，即在應用軟件與硬件層之間建立標準的API（Application Programming Interface，應用程序可編程接口）。軟件開發、硬件開發相互獨立，增加系統的技術彈性，只要遵循API的標準接口，任何一個應用軟件都可以快速進行設計，且因為接口的標準統一，軟件與軟件之間接口都通用。

（3）建立了智能化的礦山信息化網絡管理系統。可以在任意時刻、任意地點監測到井下各大系統的工作情況。

（4）解決了傳統數字化礦山系統各自獨立所導致的問題。比如系統設備冗余、維護復雜、設備管理缺陷等，提高了信息處理的實時性、安全性，并降低了成本。

參考文獻

[1]國家安全生產監督管理總局信息研究院.煤礦信息化平臺建設[M].煤炭工業出版社.

[2]吳立新.數字礦山技術[M].中南大學出版社.

[3]孫繼平，等.煤礦通信與信息化[M].中國礦業大學出版社.

作者簡介：王朋煒（1969-），河北省曲陽縣人，1992年畢業于太原工業大學電力系統及其自動化專業，中國礦業大學安全專業工程碩士，教授級高級工程師，現任中煤平朔集團公司機電專家、中煤平朔北嶺煤業公司副經理。