基于多源异构数据的宁煤公司煤矿协同调度平台

徐正国，徐华龙

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

同国外相比，我国煤矿信息化建设起步晚、发展快。我国的煤矿信息化建设先后经历了单机自动化、综合自动化、数字化矿山和智慧矿山等阶段[1-3]。经过多年的发展，目前多数煤矿处在综合自动化或数字化矿山阶段，信息化建设成果斐然。但在信息化推进的过程中，由于建设厂家不同、建设时间不一、行业建设标准规范缺乏等原因，导致煤矿的各子系统之间相互独立，数据孤岛问题严重。数据孤岛问题的存在，使得煤矿无法有效利用多系统数据进行综合分析，煤矿的生产决策缺乏数据支撑[4]。

为充分发挥一体化运营模式的整体竞争优势，贯彻国家能源集团“11236”的指导思想，国家能源集团作出建设基石项目的战略决策。宁煤公司积极响应集团战略部署，启动基石项目建设。平台以提升运营协调指挥业务的信息化管理能力，提升一体化管控的集约化管理水平为目标，构建“系统、智能、共享、协同、安全”的运营指挥工作载体，打造世界一流的“一体化集中管控、智能化高效协同、可视化高度融合”协同调度指挥智能化平台，为实现高质量发展加速。

1 协同调度指挥智能化平台架构

1.1 平台整体架构

平台整体架构如图1。平台采用分层架构的设计思路，将平台分为感知层、数据采集层、数据存储层、业务逻辑层、展示层。

图1 整体架构Fig.1 Overall architecture

1）感知层。伴随着煤矿信息化建设的不断深入，煤矿的数据量级快速增长，煤矿的数据格式也越发杂乱。平台数据为多源异构数据[5]，即：平台数据的来源多样化，既包括生产过程控制系统，例如运输系统、通风系统，又包括不同的监控系统，例如安全监控系统、矿压监测系统，还包括经营管理系统，例如财务系统；平台数据的数据结构不一致，既有结构化数据，又有非结构化数据，例如语音、视频、文本、图像，还有时空数据，例如地理信息数据、轨迹数据等。

2）数据采集层主要分为2 部分：统一数据网关和协议转换。统一数据网关提供多种协议适配模块用于采集感知层的多源异构数据，协议转换则负责实现将采用不同协议上传的数据进行分类转换，从而实现各类数据的上传。将采用PLC/OPC/Modbus/IEC104/ IEC103 协议上传的数据进行协议转换，统一转换为OPC 协议进行数据上传；将采用数据库/Restful API/Web Service 方式采集的数据，通过程序对数据进行格式转换，并通过OLEDB 程序进行数据上传；对文件数据采用STREAM 方式进行数据上传；将采用RTSP/GB28281 格式的视频流数据统一转换为RTSP 协议方式进行数据上传。

3）数据存储层。数据存储层为平台统一的数据中心，存储从各类系统采集到的数据、人工录入的数据、视频数据、各种决策支持的专家知识库、各种联动数据。平台提供不同接口用于采集不同类型的数据并存储到数据中心：实时数据接口采集OPC 上传的数据并存储在实时数据库中，关系数据接口采集OLEDB 程序上传的数据并存储在关系数据库中，二维图纸接口采集STREAM 方式上传的图纸数据并存储在关系数据库中，视频流接口采集RTSP 协议上传的视频数据并存储在监控数据库中。

4）业务逻辑层。平台充分利用数据挖掘技术，深入分析和了解煤矿现有的业务逻辑，发现生产、运营之间的关联关系，提供生产技术类、生产执行类、安全监测类、安全保障类决策信息，达到降低生产成本、提高生产效率、减少事故频率的目的。

5）展示层。平台基于Chrome 浏览器开发，为B/S架构模式。前端页面通过WEBAPI、MQTT、Web－Socket 方式同业务逻辑进行数据交互，确保在大规模、广域、异构的网络环境中数据传输的稳定性与实时性。

1.2 平台网络架构

平台网络架构如图2。平台网络为“煤矿-公司-集团”3 级网络架构，实现数据从下往上传输。在煤矿各部署1 台服务器，用于平台数据的采集及平台发布。

平台涉及到的系统众多，在煤矿企业中各个系统都是独立部署的，数据孤岛问题严重。从煤矿实际出发，在煤矿架设1 台服务器，专门用于采集各系统的数据，并通过煤矿内部工业环网将数据集中到服务器数据中心。对于已集中上传至公司生产数据中心的人员定位系统、安全监控系统、风险预控管理系统和生产调度报表系统，为避免重复建设、降低后期运维难度，从公司获取相应数据。集团通过浏览器查看平台数据，包含公司数据和煤矿数据。

2 关键技术

2.1 数据标准体系

数据体系及其标准规范是矿井智能化建设的基础，将直接关系到整个智慧矿山数据共享、系统集成、信息融合与联动应用的成功与否，关系到矿井智能化建设的持续投入与应用拓展。

在参考和借鉴AQ 6201—2019 行业标准、AQ 6210—2007 行业标准等行业规范和国家标准的基础上，制定了智能矿山数据中心标准规范。依据数据性质，矿井数据划分为元数据、主数据和业务数据。元数据又分为技术、业务、管理3 大类；主数据分为人力资源、生产管理、机电管理、安全管理、物资管理、财务管理6 个专题；业务数据分为地测数据、通风数据、机电数据、生产调度数据、安全管理数据、经营管理数据。对于主数据，建立了主数据管理系统。除了从公司的主数据管理系统中获取人员、组织机构等基础数据，煤矿的主数据管理系统将分发主数据到各业务系统中，保证了各业务系统遵循主数据标准，保障在分散的系统间主数据的一致性，促进各业务系统间的数据共享[6-8]；对于业务数据，从数据采集、数据存储、数据发布方面进行了标准定义。其中，智能矿山数据中心标准规范中的感知数据采集标准，从源头上确保了各系统数据的统一性。

2.2 多源异构数据采集技术

煤矿关键指标数据如图2。为满足煤矿协同调度平台的建设需要，能够帮助高层领导更加全面、细致、实时地了解煤矿现状，通过实地调研，采集、梳理、讨论、归纳出能够反映煤矿现状的关键指标数据，涵盖生产、运营2 个方面，共32 项关键指标。

图2 煤矿关键指标数据Fig.2 Key index data of coal mine

需调研煤矿关键指标数据的数据来源并确定数据接入方式，以实现煤矿关键指标数据的采集。井下气体监测数据、报警信息来源于安全监控系统，井下人员车辆信息来源于人员定位系统，因各煤矿已统一上传人员定位系统、安全监控系统数据至公司，采取从公司端采用FTP 文件推送的方式采集数据。图纸资料由煤矿提供，各部门通过CAD 软件进行图纸编辑并各自存放，缺乏系统对图纸进行统一管理，因此采用提供系统进行人工录入的方式采集图纸数据。企业介绍、地面值班领导数据由煤矿依据实际情况进行填报，一直缺乏系统进行数据管理，因此采用提供系统界面进行人工录入的方式采集数据。综采工作面信息、生产完成情况的数据来自于公司统建的生产调度报表系统，存储在Oracle 数据库中，因此可从数据库直接进行数据采集。隐患整治数据来自公司统建的风险预控管理系统，存储在MySQL数据库中，因此可从数据库直接进行数据采集。经营指标来源于公司统建的财务系统，存储在Oracle数据库中，因此可从数据库直接进行数据采集。工业视频的摄像头包括数字和模拟摄像头，模拟摄像头数据存放在硬盘录像机中，通过RTSP/GB28181协议解析读取硬盘录像机或数字摄像头中的工业视频数据。设备运行状态数据，涉及运输、通风、排水、电力系统，按照综合自动化平台上位机/独立系统上位机/底层控制设备的顺序进行，因建设厂家不同，通过不同协议PLC/OPC/Modbus/IEC104/IEC103 进行数据采集。综采面矿压监测数据专指采煤机液压支架数据，天玛厂家采用OPC 协议提供数据，郑煤机厂家采用Modbus 协议提供数据，因此采用OPC/Modbus 协议进行数据采集。多源异构数据接入方式分析见表1。

表1 多源异构数据接入方式分析Table 1 Access mode analysis of multi-source heterogeneous data

3 平台实现与应用

3.1 平台技术与实现

平台为B/S 架构，服务端基于Java 进行开发，前端页面基于Vue 框架开发，平台运行环境为Windows Server 2016 Standard，关系型数据库为Microsoft SQL Server2012。平台提供系统级的用户管理、角色管理、菜单配置管理等基础服务，Web 基础架构同时提供各插件运行的必要环境，包括图纸插件MxDraw－Cloud、报表插件FineReport、视频流插件EasyHLS、图表插件Echarts，平台Web 基础架构如图3。

图3 平台Web 基础框架Fig.3 Platform Web infrastructure

平台借鉴一张图的理念，接入12 个系统的数据，将平台功能在1 个页面中进行综合展现，实现基于“一张图”的“管、控、营”一体化[9]，实现煤矿管理高效化、安全可靠化。

3.2 平台功能

1）生产技术类业务。该业务主要由企业介绍、经营指标、地面值班领导、生产完成情况、图纸管理模块组成。生产技术类业务，实现煤矿基础数据的展示和管理，包括煤矿简介、经营现状、值班情况、生产计划完成情况和图纸资料，从而辅助煤矿工作人员快速了解煤矿现状、调整生产经营策略、进行日常调度管理。

2）生产执行类业务。该业务主要由工业视频、设备运行状态、综采工作面信息、综采面矿压监测模块组成。生产执行类业务，实现煤矿主要生产系统运行状态实时监测及重点区域的视频监测，方便调度人员依据实时监测画面，及时通知各系统操作人员对各类设备做出相应指令操作，保证策略正确快速的执行，保障生产安全。

3）安全监测类业务。该业务由井下人员车辆信息、井下气体监测模块组成。安全监测类业务主要对井下人员、车辆、环境进行实时监测，方便煤矿调度人员及时了解井下人员和车辆的实时分布情况，对车辆和人员进行调度，同时通过监测井下气体的浓度变化并对煤矿的安全状况进行评估，从而保障煤矿生产安全和人员安全。

4）安全保障类业务。该业务由隐患整治、报警信息模块组成。安全保障类业务通过隐患数据、人员定位系统报警数据、安全监控系统报警数据、生产控制系统报警数据，评估并展示煤矿安全态势的实时变化曲线，同时结合图纸管理模块、隐患整治模块、工业视频模块、设备运行状态模块、井下人员车辆信息模块、井下气体监测模块，将相关区域的视频画面、图纸的相关区域、区域周边的人员车辆情况、区域周边的气体变化情况投影到调度大屏的特定区域，依据煤矿报警信息的严重程度和决策融合模型[10]采取不同措施，必要时按应急预案进行处置。

4 结 语

目前基于多源异构数据的宁煤公司煤矿协同调度平台已成功应用于国家能源集团宁夏煤业公司的14 座煤矿中，通过对数据标准体系、多源异构数据采集关键技术的研究，初步解决了煤矿数据孤岛问题，是多源异构数据融合应用的初步尝试，为智慧矿山管控一体化平台的建设积累了经验。