張 鵬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原030032）

基于國(guó)辦發(fā)〔2013〕93 號(hào)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見(jiàn)》，貴州省煤礦管理部門(mén)長(zhǎng)期給與瓦斯利用企業(yè)一定的資金補(bǔ)助[1-2]。貴州有500 多家煤礦建立了瓦斯抽采及利用系統(tǒng)，也安裝了瓦斯抽采及利用計(jì)量裝置，但目前只能實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)部的計(jì)量管理，相關(guān)管理部門(mén)不能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與綜合管理功能，更不能實(shí)現(xiàn)與貴州省“安全云”的有效對(duì)接，給瓦斯抽采和發(fā)電利用補(bǔ)助資金管理帶來(lái)難度。

貴州省內(nèi)瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)和瓦斯發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類(lèi)型和生產(chǎn)廠(chǎng)家多樣，基本處于相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行和管理狀態(tài)，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)孤島[3]。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈指數(shù)爆炸增長(zhǎng)和煤礦工作條件及監(jiān)管技術(shù)手段的限制，監(jiān)管部門(mén)無(wú)法準(zhǔn)確、及時(shí)、快捷、高效的掌握煤礦現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采和發(fā)電利用情況[4-5]。

煤炭工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了由“兩化融合”向“互聯(lián)網(wǎng)+”轉(zhuǎn)變的新階段，實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是必然發(fā)展趨勢(shì)[6-8]。貴州省煤礦瓦斯抽采和發(fā)電利用監(jiān)管技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，需解決2 方面問(wèn)題：一方面是，融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)實(shí)時(shí)診斷和異常信息預(yù)警[9-11]，提高補(bǔ)助資金基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；另一方面是，增加移動(dòng)通訊接口和模塊，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采和發(fā)電利用信息的靈活掌握，即不受工作時(shí)間和地點(diǎn)的限制，就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方快捷查詢(xún)和關(guān)聯(lián)分析[12-14]。在此背景下，建立貴州瓦斯抽采與發(fā)電移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集和融合、移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)管理終端開(kāi)發(fā)及異常推送機(jī)制構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯抽采和發(fā)電利用補(bǔ)助資金管理的保駕護(hù)航。

1 功能與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

根據(jù)瓦斯抽采和發(fā)電利用監(jiān)測(cè)管理需求，提出了基于SOA 架構(gòu)的平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采、發(fā)電子數(shù)據(jù)庫(kù)管理，以及數(shù)據(jù)集成、共享發(fā)布與決策支持等功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“全組件、面向服務(wù)、可擴(kuò)展、可移植”的原則，選擇“核心層-組件層-功能層-應(yīng)用層”的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)4 層系統(tǒng)架構(gòu)。核心層主要封裝煤礦空間數(shù)據(jù)管理、分析處理、專(zhuān)業(yè)算法等模塊，是基于C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的源代碼級(jí)封裝，可直接或通過(guò).Net、JNI 等方式被上層的組件層調(diào)用。在核心層中開(kāi)發(fā)多源數(shù)據(jù)引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。不同的數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的格式可能存在一定的差異，但引擎反饋給應(yīng)用層的數(shù)據(jù)流必須是經(jīng)過(guò)規(guī)范化的數(shù)據(jù)。組件層按照統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)劃分封裝核心層的各個(gè)模塊，都包括數(shù)據(jù)對(duì)象模塊、數(shù)據(jù)組織管理模塊、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)引擎模塊、算法和分析模塊、可視化制圖模塊等。功能層按照煤礦瓦斯地質(zhì)圖制圖的相關(guān)需求，開(kāi)發(fā)出來(lái)的應(yīng)用功能模塊。功能層主要包括基礎(chǔ)功能模塊和專(zhuān)業(yè)功能模塊，其中基礎(chǔ)功能模塊提供一般的圖形編輯、數(shù)據(jù)操作等功能；專(zhuān)業(yè)模塊則分抽采和發(fā)電。應(yīng)用層具有基于Windows 的桌面平臺(tái)和基于Android 的移動(dòng)平臺(tái)。

2 瓦斯抽采與發(fā)電移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

2.1 抽采監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

精準(zhǔn)把握瓦斯抽采的真實(shí)計(jì)量能夠?yàn)橥咚拱l(fā)電利用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)量提供幫助，瓦斯抽采量一定程度上決定了最大瓦斯發(fā)電量。依據(jù)全省煤礦瓦斯發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，構(gòu)建瓦斯抽采數(shù)據(jù)采集、集成、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。貴州省瓦斯抽采數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)量巨大，包括500 余對(duì)礦井瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛?、壓力、流量等關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集與集中存儲(chǔ)[15-16]。建立貴州地區(qū)礦井統(tǒng)一的瓦斯抽采數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格架和時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，采用基于大規(guī)模時(shí)間序列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)低成本存儲(chǔ)和高性能擴(kuò)展，并做好數(shù)據(jù)預(yù)估，以保障有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可達(dá)5 年左右。通過(guò)統(tǒng)一時(shí)態(tài)-地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的內(nèi)核表示、時(shí)空索引、疊加計(jì)算及復(fù)雜邏輯條件下的快速查詢(xún)；進(jìn)而通過(guò)海量時(shí)態(tài)-地理數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成并行分布式的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)集群，并通過(guò)全局時(shí)空索引、全局關(guān)鍵字索引、全局值索引等方式，完成海量瓦斯抽采監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流的存儲(chǔ)以及多模方式（關(guān)鍵詞、時(shí)空約束、數(shù)值約束）的快速查詢(xún)。

2.2 發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

同抽采數(shù)據(jù)集成融合相同，基于現(xiàn)有瓦斯發(fā)電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立瓦斯發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口和專(zhuān)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行下屬所有礦井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)、穩(wěn)定采集和集成存儲(chǔ)。為保證監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的安全，采集接口采用單向采集模式（即只從監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，而不允許寫(xiě)入任何數(shù)據(jù)）。

建立發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及集中融合管理服務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集發(fā)電利用計(jì)量參數(shù)，包括瓦斯?jié)舛取⒘髁?、純量、發(fā)電量等，并將關(guān)鍵參數(shù)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的動(dòng)態(tài)的采集和存儲(chǔ)，方便溯源審計(jì)。

2.3 移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端

從移動(dòng)終端和電腦終端2 方面開(kāi)發(fā)貴州省監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)終端，使用戶(hù)不受工作狀態(tài)限制，進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的及時(shí)顯示、方便查詢(xún)與分析。移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端APP 如圖1。

基于對(duì)應(yīng)與統(tǒng)一的關(guān)系，從貴州省管理部門(mén)和數(shù)據(jù)歸屬礦井2 級(jí)角度考慮，開(kāi)發(fā)省級(jí)終端能按礦井顯示、查詢(xún)所有礦井?dāng)?shù)據(jù)，礦井終端只能顯示、查詢(xún)歸屬礦井的監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；終端首先按瓦斯?jié)舛?、壓力、流量、發(fā)電量等各種監(jiān)測(cè)傳感器類(lèi)型進(jìn)行引導(dǎo)，使用戶(hù)可以方便的查找到某一類(lèi)型的所有數(shù)據(jù)，然后顯示不同傳感器的實(shí)時(shí)值、時(shí)間和安全狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集狀態(tài)異常，則提供報(bào)警。例如，瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)采用表單方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在瓦斯抽采模塊中，根據(jù)輸入日期對(duì)抽采計(jì)量監(jiān)測(cè)異常數(shù)量指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖1（a）），實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要運(yùn)用jQuery表單控件對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送的數(shù)據(jù)在移動(dòng)端進(jìn)行顯示格式的優(yōu)化。

圖1 移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端APPFig.1 Design of mobile monitoring terminal app

為方便省管理部門(mén)及下屬礦井的技術(shù)及管理人員的統(tǒng)計(jì)分析，為移動(dòng)終端提供按時(shí)間、地點(diǎn)、傳感器類(lèi)型、傳感器名稱(chēng)（或編號(hào)）等要求的查詢(xún)功能，查詢(xún)結(jié)果以統(tǒng)計(jì)報(bào)表、變化曲線(xiàn)等多元化形式展示，提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，運(yùn)用jQuery 繪圖插件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖表，提高數(shù)據(jù)的直觀性，更適合比較和分析瓦斯抽采和發(fā)電利用不同時(shí)段或鄰近礦井的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)真實(shí)性提供參考。APP 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程以瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)為例，該過(guò)程主要將瓦斯抽采量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柱狀圖（圖1（b）），jQuery 繪圖插件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)從服務(wù)器獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝，讓這些封裝好的數(shù)據(jù)在設(shè)置好的圖表樣式中表現(xiàn)出來(lái)。

移動(dòng)終端基于Android 開(kāi)發(fā)APP，APP 對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)終端和提供了廣泛的兼容性，支持多種通訊網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端，通過(guò)WIFI、4G、5G 等網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)和服務(wù)器建立聯(lián)系，并通過(guò)中間件和空間數(shù)據(jù)庫(kù)交互數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器由1 個(gè)服務(wù)器集群組成，包括云服務(wù)器、GIS 應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。移動(dòng)終端APP 查詢(xún)統(tǒng)計(jì)功能以模塊的形式存在，模塊與模塊之間相互依賴(lài)性較低，單個(gè)模塊可獨(dú)立進(jìn)行某種功能實(shí)現(xiàn)，這樣有利于功能的擴(kuò)展，形成多種多樣的功能組合，滿(mǎn)足不同層級(jí)用戶(hù)的需要。通過(guò)移動(dòng)端App 開(kāi)發(fā)，搭建了1 個(gè)瓦斯抽采發(fā)電信息化應(yīng)用擴(kuò)展渠道，移動(dòng)查詢(xún)App 運(yùn)行流暢，界面簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不受移動(dòng)手機(jī)類(lèi)型影響，可以讓監(jiān)管者不受空間和時(shí)間束縛，實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間對(duì)瓦斯抽采和發(fā)電計(jì)量數(shù)據(jù)真實(shí)性實(shí)施有效的監(jiān)管。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常推送機(jī)制

平臺(tái)采集瓦斯抽采和瓦斯發(fā)電利用數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有超過(guò)異常模型臨界值等情況，根據(jù)制定的信息推送規(guī)則，將異常信息第一時(shí)間推送給相關(guān)管理人員和基礎(chǔ)礦井，同時(shí)，可按時(shí)間、位置等關(guān)系進(jìn)行異常信息方便查詢(xún)，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及移動(dòng)查詢(xún)模塊架構(gòu)如圖2。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合及移動(dòng)查詢(xún)模塊架構(gòu)Fig.2 Monitoring system data fusion and mobile query module architecture

以現(xiàn)有LAN、云網(wǎng)絡(luò)、WSN、GPRS 無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)為核心構(gòu)建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，具有傳遞速率快、可靠性高、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)政府-企業(yè)-煤礦信息同步化。采取TCP/IP 協(xié)議將監(jiān)測(cè)中央服務(wù)器整合后的信息和數(shù)據(jù)上傳至云端存儲(chǔ)并共享，通過(guò)移動(dòng)手機(jī)、掌上電腦、有線(xiàn)終端進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)。

監(jiān)控異常數(shù)據(jù)推送是監(jiān)測(cè)平臺(tái)的重要組成部分。由數(shù)據(jù)集成整合模塊生成或?qū)С龅耐咚钩椴蓾舛取毫?、存量、瓦斯發(fā)電量等信息，經(jīng)過(guò)在線(xiàn)診斷識(shí)別后，最終將集成在監(jiān)控預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)的異常信息第一時(shí)間、合理推送給各級(jí)管理部門(mén)和歸屬礦井的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常診斷識(shí)別是通過(guò)建立多指標(biāo)體系的異常診斷模型，計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重值，從而將多指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，最終由各指標(biāo)得分疊加計(jì)算獲得瓦斯抽采和瓦斯發(fā)電利用監(jiān)測(cè)異常診斷結(jié)果，評(píng)定異常級(jí)別，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)多維度分析，監(jiān)管部門(mén)根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)掌握瓦斯抽采和發(fā)電利用情況，制定管理方案[2]。

聯(lián)合上述抽采監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電利用監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合及移動(dòng)查詢(xún)功能模塊，形成貴州省統(tǒng)一的煤礦瓦斯抽采利用監(jiān)測(cè)綜合管理平臺(tái)，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)，均能查詢(xún)所有礦井系統(tǒng)關(guān)鍵信息。同時(shí)，預(yù)留平臺(tái)數(shù)據(jù)接口擴(kuò)展功能，為后期數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)融合與管理等功能擴(kuò)展提供基礎(chǔ)和方便。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建貴州省級(jí)瓦斯抽采與瓦斯發(fā)電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)，對(duì)礦井瓦斯抽采泵進(jìn)入端、輸出端、瓦斯發(fā)電站輸入端的瓦斯抽采濃度、流量、純量等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及查詢(xún)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常能夠系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)診斷與預(yù)警；對(duì)每個(gè)礦井、每個(gè)區(qū)域及全省的煤礦的瓦斯抽采量、瓦斯利用量、利用率、利用效率等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)與分析；通過(guò)對(duì)瓦斯發(fā)電量與瓦斯利用量的比值對(duì)瓦斯發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控與故障診斷；對(duì)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行及設(shè)備校檢記錄等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，確保瓦斯抽采及利用設(shè)備的有效運(yùn)行。

通過(guò)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)移動(dòng)在線(xiàn)查詢(xún)、診斷分析、集中管理，使生產(chǎn)、技術(shù)、監(jiān)管部門(mén)實(shí)時(shí)獲取有效信息，實(shí)時(shí)全面掌握礦井動(dòng)態(tài)，為礦井瓦斯抽采利用獎(jiǎng)補(bǔ)資金兌現(xiàn)提供有效技術(shù)手段，同時(shí)為及時(shí)、科學(xué)、合理的決策提供數(shù)據(jù)支撐。