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(安徽理工大學(xué)a.計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院;b.電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)使許多工業(yè)企業(yè)的管控實現(xiàn)了自動化，對于煤礦而言，由于井下環(huán)境惡劣，對信息的感知與地面相比更加復(fù)雜，致使很多信息的采集主要還以人工的方式進(jìn)行。以煤礦井下大量使用的各類設(shè)備信息為例，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在煤礦設(shè)備的狀況信息的錄入統(tǒng)計管理等工作仍需人工操作，若工作人員不及時更新信息，必將為煤礦安全生產(chǎn)埋下重大隱患。為此，對煤礦安全信息感知采集技術(shù)、煤礦信息融合、識別與協(xié)同技術(shù)、煤礦傳感網(wǎng)控制技術(shù)、煤礦傳感網(wǎng)絡(luò)安全生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，解決了煤礦物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息感知問題，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)感知的煤礦設(shè)備智能管理系統(tǒng)，為煤礦設(shè)備管理和安全生產(chǎn)提供了更加可靠的保障。

1 設(shè)計思路

首先，以物聯(lián)網(wǎng)在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下的多信息、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、高混雜等特征為出發(fā)點，采取全面感知、主動獲取、定時和實時相結(jié)合的方式處理礦區(qū)工作人員的工作位置、機(jī)械設(shè)備的放置場所和運(yùn)行狀況以及生產(chǎn)環(huán)境等各類參數(shù)。

其次，將與煤礦安全密切相關(guān)的緊急動作(恒為關(guān)鍵)等布爾信號；用于生產(chǎn)過程的各類具有連續(xù)代數(shù)性質(zhì)的控制信息；用于標(biāo)記基于事件的維護(hù)產(chǎn)生的短期操作結(jié)果，記錄和下載/上載歷史數(shù)據(jù)采集、事件順序記錄SOE、預(yù)防性維護(hù)等不產(chǎn)生直接操作結(jié)果的連續(xù)代數(shù)信息，以及視頻、音頻、圖像等信息，在保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r可靠傳輸?shù)那疤嵯逻M(jìn)行按級采集、分類保存[1]。

最后，通過物聯(lián)網(wǎng)感知層語義分析與機(jī)物通信模型進(jìn)行任務(wù)分解與逆向解析，研究具有主動感知的信息獲取與傳遞機(jī)制，對象定位及信息獲取方法，實現(xiàn)對煤礦井下的全面感知。

2 煤礦設(shè)備主動智能管理系統(tǒng)組成及特色

該系統(tǒng)主要有以下特色：

(1)及時反映全單位設(shè)備資產(chǎn)及使用情況，利用系統(tǒng)可以直觀地反映設(shè)備的數(shù)量、狀態(tài)、設(shè)備效率、設(shè)備資產(chǎn)情況。

(2)對設(shè)備資源進(jìn)行整合，實現(xiàn)設(shè)備的全局規(guī)劃，利用信息資源的共享，通過設(shè)備管理部門對設(shè)備進(jìn)行集中管理，發(fā)揮設(shè)備生產(chǎn)的最大效用。

(3)實行動態(tài)管理和信息共享，跟蹤設(shè)備運(yùn)行信息，及時掌握設(shè)備狀況，提高設(shè)備的使用效率和使用壽命。

(4)實現(xiàn)對設(shè)備臺賬維護(hù)、日常調(diào)動、設(shè)備修理、租金計算、折舊提取、設(shè)備報廢等業(yè)務(wù)的全程監(jiān)控。

基于主動機(jī)制的煤礦設(shè)備智能管理系統(tǒng)，采用主動獲取、定時和實時相結(jié)合的方式處理井下設(shè)備狀況和建立煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了煤礦井下設(shè)備的自動化管理。

3 煤礦設(shè)備智能管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 煤礦設(shè)備智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該智能管理系統(tǒng)采用上、下位機(jī)相結(jié)合的方式。由設(shè)備的EPC電子標(biāo)簽、便攜式讀寫裝置和上位計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等組成。讀寫裝置讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息，EPC電子標(biāo)簽存儲設(shè)備信息，計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)完成模塊解析及設(shè)備信息管理，下位機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采用無線方式實現(xiàn)讀寫器與設(shè)備EPC電子標(biāo)簽之間的信息傳輸，采用有線或無線方式實現(xiàn)讀寫器與計算機(jī)之間的信息通訊[2]。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦設(shè)備智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 煤礦設(shè)備主動管理感知層設(shè)計

感知層具有數(shù)據(jù)傳輸口自動打開和自動存儲功能，所設(shè)計的移動式讀寫器，具有主動獲取人員或設(shè)備信息的功能。

讀寫器采用SAMNSUNG 400 MHz CPU處理器，具有 FROM128MB, RAM 128MB SDRAM內(nèi)存，又?jǐn)U展了512MBSDRAM；采用3.5in QVGA (240*320像素) 彩色，透反射式TFT-LCD觸摸顯示屏；移植了Microsoft Windows CE 5.0操作系統(tǒng)；與計算機(jī)之間既可以采用USB[3]或RS232接口[4]等進(jìn)行通訊，也可通過無線通信模塊實現(xiàn)無線通訊。其最主要的功能就是超高頻的RFID讀寫功能，實現(xiàn)對設(shè)備上標(biāo)簽信息的讀寫。還具有音頻和圖像采集的功能。

該系統(tǒng)使用無源智能G2電子標(biāo)簽[7]，工作頻率為902～928MHz超高頻，存儲容量為96位ID號，讀寫距離為0～20m。讀寫器與EPC之間采用電磁反向散射耦合組成識別系統(tǒng)[8]。

3.3 煤礦井下設(shè)備主動管理信息感知過程

設(shè)備的信息編碼存儲在電子標(biāo)簽中，電子標(biāo)簽在安裝到設(shè)備上之前需對其進(jìn)行初始化，編碼為設(shè)備當(dāng)前的具體信息。當(dāng)使用讀寫器獲取設(shè)備新信息時，首先需要設(shè)置采集信息的關(guān)鍵字(如設(shè)備存放地點等)，若其它的可變字段發(fā)生了改變則做相應(yīng)的修改，并生成新的EPC編碼，同時這些修改過的信息以XML文件的形式保存到設(shè)備的電子標(biāo)簽和讀寫器中；若未發(fā)生改變則仍保持原來的信息。便攜式讀寫器到現(xiàn)場采集的是發(fā)生了改變的設(shè)備信息，如設(shè)備狀態(tài)、使用地點、使用單位、包機(jī)人等。設(shè)備信息感知奠定了設(shè)備的信息化管理的基礎(chǔ)。

讀寫器通過解析模塊將電子標(biāo)簽中的編碼解析為用戶可以查看的設(shè)備靜態(tài)和動態(tài)信息；同時也可以通過系統(tǒng)界面的操作對設(shè)備信息進(jìn)行修改，從而產(chǎn)生新的EPC編碼，并作為設(shè)備的新信息進(jìn)行存儲。

圖2 煤礦井下設(shè)備的電子信息編碼

圖3 煤礦設(shè)備EPC信息編碼結(jié)構(gòu)圖

3.4 讀寫器與計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步

由于讀寫器負(fù)責(zé)每次到煤礦井下或者設(shè)備使用現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備可變信息的采集、修改等操作，上位計算機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對設(shè)備全生命周期進(jìn)行管理。兩者之間的數(shù)據(jù)同步非常重要。因此，設(shè)計數(shù)據(jù)同步實現(xiàn)如下：計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)安裝Microsoft ActiveSync同步程序，為PC機(jī)識別讀寫器間架起橋梁；計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通過有線或無線方式獲取便攜式讀寫裝置感知的信息；計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出獲取最新設(shè)備文件信號，讀寫器將最近一次采集的數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)絇C機(jī)中，再讀取該數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)保存到計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，同時顯示在用戶界面上，供用戶查看。

3.5 煤礦設(shè)備的EPC編碼

3.5.1 煤礦設(shè)備分類

該系統(tǒng)設(shè)備采用了三級分類結(jié)構(gòu)，使設(shè)備具有1-3級分類屬性。此項設(shè)計采用C#開發(fā)，利用MS SQL Server建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，應(yīng)用LINQ訪問技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲與查詢統(tǒng)計。設(shè)計中的讀寫器在移植WinCE操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上也采用了C#智能設(shè)備開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了讀取電子編碼、解析與逆解析編碼、寫入及修改EPC電子標(biāo)簽等功能。

3.5.2 系統(tǒng)EPC編碼規(guī)范

在該智能系統(tǒng)中，采用的是96位的RFID標(biāo)簽，并對EPC字段進(jìn)行了重新定義和解析。EPC信息分為固定信息和動態(tài)信息兩個部分。固定信息部分用于存儲設(shè)備信息中固定不變的信息字段，而動態(tài)信息部分用于存儲設(shè)備信息中需要動態(tài)更新的字段，如圖2所示。

煤礦井下設(shè)備的電子信息編碼各字段的信息編碼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

在分段式編碼結(jié)構(gòu)中，設(shè)備固定信息部分的EPC編碼用于唯一標(biāo)識煤礦設(shè)備，0～39的40位為設(shè)備的唯一編號，可以表示約1T個設(shè)備。其中，0～5的6位為一級分類編號、6～12的7位為二級分類編號、13～19的7位為三級分類編號、20～39的20位為設(shè)備的ID，具體情況如表1所示。

表1 煤礦設(shè)備EPC固定信息編碼

備注：總共40位碼元用于唯一碼，可以表示約1T個物品。

設(shè)備的可變信息編碼中，40～49的10位為地點代碼，如0000001001(十進(jìn)制9)代表81絞車房、50～59的10位代表所在單位代碼，如0000001110(十進(jìn)制14)代表機(jī)修廠、60～69的10位代表負(fù)責(zé)人代碼，如0000010111(十進(jìn)制23)代表殷偉、70-73的4位代表設(shè)備狀態(tài)代碼，如0001(十進(jìn)制1)代表正常、74～89的16位代表使用日期的代碼、90～95的6位保留，取值000000，可用于新增設(shè)備動態(tài)信息編碼或者大編號的擴(kuò)充位等。具體編碼見表2。

表2 煤礦設(shè)備EPC動態(tài)信息編碼

3.5.3 編碼轉(zhuǎn)換

該系統(tǒng)對EPC電子標(biāo)簽中的編碼進(jìn)行了如下設(shè)計和轉(zhuǎn)換：在讀寫器中，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制EPC編碼，同時在設(shè)備信息發(fā)生改變之后，重新生成的EPC編碼也是十六進(jìn)制的，在讀寫器中的用戶操作界面及查詢信息界面中顯示十進(jìn)制及文字的形式。從而滿足直觀呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、地點等信息的要求。

4 結(jié) 論

可見，該主動感知的煤礦井下設(shè)備全生命周期自動化管理系統(tǒng)可提高煤礦的煤炭生產(chǎn)效率和生產(chǎn)管理水平，減輕設(shè)備管理人員的勞動強(qiáng)度，保證設(shè)備的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性。目前，該系統(tǒng)已在淮北礦業(yè)集團(tuán)公司許疃煤礦應(yīng)用。