丁震， 孫繼平， 張帆， 王鵬， 胡而已， 鄧文革， 高靜， 鄭耀濤， 王波， 高秋秋， 李系民， 錢(qián)海軍， 柳建華， 喬少利， 鮑震， 楊永生0， 楊振宇， 李玉雪， 李昱翰， 邵光耀

（1. 國(guó)家能源集團(tuán)公司 煤炭與運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)管理部，北京 100013；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3. 應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；4. 國(guó)家能源集團(tuán)信息公司，北京 100011；5. 國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315；6. 國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；7. 國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；8. 國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；9. 國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司，北京 102211；10. 煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013；11. 精英數(shù)智科技股份有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)與礦山智能化建設(shè)相結(jié)合，有力推動(dòng)了礦山智能化技術(shù)發(fā)展[1-4]。但我國(guó)智能化礦山建設(shè)仍處于初級(jí)階段，大多數(shù)礦山企業(yè)信息系統(tǒng)的開(kāi)放性、兼容性和可靠性差，設(shè)備通信接口與協(xié)議不開(kāi)放，傳輸內(nèi)容和格式不統(tǒng)一，易形成新的“信息孤島”，企業(yè)在生產(chǎn)、安全、經(jīng)營(yíng)、管理過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通[4-6]。礦山智能化建設(shè)面臨數(shù)據(jù)融合共享難等技術(shù)挑戰(zhàn)。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)場(chǎng)景包含多種用于監(jiān)測(cè)和控制的終端節(jié)點(diǎn)，需保證在工礦條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣情況下可靠運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程中設(shè)備連接、通信的性能要求非常高[7]。國(guó)際上針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域各種通信接口與協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范眾多，如IEC 61158 Profinet，ETG1000 EtherCAT 等，國(guó)內(nèi)有GB/T 27960?2011《以太網(wǎng)POWERLINK 通信行規(guī)規(guī)范》、GB/T 33863.1?2017—GB/T 33863.8?2017《OPC 統(tǒng) 一 架構(gòu)》等。但針對(duì)礦山行業(yè)的實(shí)用性標(biāo)準(zhǔn)很少。礦山生產(chǎn)環(huán)境、工藝特殊，許多企業(yè)嘗試制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但往往出于商業(yè)目的，存在很大局限性，標(biāo)準(zhǔn)通用性差，實(shí)用性不強(qiáng)，影響力不高，應(yīng)用效果不佳。非標(biāo)準(zhǔn)化接口與協(xié)議仍是礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享的主要瓶頸，礦山智能化建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題在于缺乏規(guī)范的數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要進(jìn)行智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范研究，統(tǒng)一礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的接口方式和通信協(xié)議，明確不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，從而解決目前礦山企業(yè)存在的“數(shù)據(jù)壁壘”、“信息煙囪”等難點(diǎn)和痛點(diǎn)問(wèn)題[7-8]。

為了滿足數(shù)據(jù)采集、傳輸與共享需求和應(yīng)用實(shí)施要求，本文按照核心規(guī)范、應(yīng)用規(guī)范、運(yùn)維規(guī)范設(shè)計(jì)，從總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、共享應(yīng)用等技術(shù)視角，研究了智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)規(guī)范，對(duì)總則、接口、服務(wù)、發(fā)現(xiàn)、連接、報(bào)文、配置、安全、管理等進(jìn)行描述，以期更好地指導(dǎo)礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。

1 技術(shù)體系

智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)體系如圖1 所示。核心規(guī)范通過(guò)總則和接口規(guī)定智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的接口方式與通信協(xié)議；應(yīng)用規(guī)范包括智能化礦山通信所涉及的服務(wù)、發(fā)現(xiàn)、連接、報(bào)文、配置功能，為智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸及上層應(yīng)用的通信接口與協(xié)議提供支撐；運(yùn)維規(guī)范包括安全、管理，為數(shù)據(jù)采集過(guò)程的安全、透明、可靠傳輸提供運(yùn)維保障。

圖1 智能化礦山通信接口與協(xié)議技術(shù)體系Fig. 1 Technique system of intelligent mine communication interface and protocol

1.1 核心規(guī)范

1） 總則：規(guī)定數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的通信接口與協(xié)議總體要求，描述智能化礦山設(shè)備抽象后的理論模型。

2） 接口規(guī)范：規(guī)定感知層、傳輸層和應(yīng)用層接口方式和通信協(xié)議，以及感知層協(xié)議轉(zhuǎn)換和應(yīng)用層數(shù)據(jù)共享的接口與協(xié)議。

1.2 應(yīng)用規(guī)范

1） 服務(wù)規(guī)范：規(guī)定發(fā)現(xiàn)服務(wù)集、安全服務(wù)集、連接服務(wù)集、配置服務(wù)集、文件傳輸服務(wù)集和告警服務(wù)集等，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的分組管理。

2） 發(fā)現(xiàn)規(guī)范：規(guī)定感知層和應(yīng)用層的發(fā)現(xiàn)方式、發(fā)現(xiàn)流程及發(fā)現(xiàn)服務(wù)的基本屬性及格式。

3） 連接規(guī)范：規(guī)定感知層數(shù)據(jù)采集的連接方式、連接過(guò)程，傳輸層的連接建立/斷開(kāi)過(guò)程，應(yīng)用層協(xié)議解析、控制下發(fā)及數(shù)據(jù)共享過(guò)程。

4） 報(bào)文規(guī)范：規(guī)定智能化礦山設(shè)備之間的通信報(bào)文格式，以及數(shù)據(jù)采集所涉及的感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)的報(bào)文格式。

5） 配置規(guī)范：規(guī)定智能化礦山設(shè)備在感知層協(xié)議轉(zhuǎn)換的配置規(guī)范、應(yīng)用層服務(wù)集的配置規(guī)范、應(yīng)用層數(shù)據(jù)共享協(xié)議的配置規(guī)范。

1.3 運(yùn)維規(guī)范

1） 安全規(guī)范：規(guī)定智能化礦山設(shè)備通信的安全模型、安全接入要求、安全傳輸要求、訪問(wèn)控制要求及安全審計(jì)要求。

2） 管理規(guī)范：規(guī)定智能化礦山數(shù)據(jù)采集、傳輸與協(xié)同共享過(guò)程中的管理參考模型、管理技術(shù)要求。

2 接口模型

根據(jù)礦山企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求，基于ISO/IEC 7498?1 標(biāo)準(zhǔn)，定義了智能化礦山通信接口與協(xié)議模型，如圖2 所示。該模型分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層，將智能化礦山設(shè)備分為傳感器等感知設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)，旨在全面覆蓋礦山數(shù)據(jù)通信全過(guò)程。

圖2 智能化礦山通信接口與協(xié)議模型Fig. 2 Model of intelligent mine communication interface and protocol

感知層定義物理層接口和建立數(shù)據(jù)連接規(guī)范，實(shí)現(xiàn)基于物理鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。該層主要使用智能傳感器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)有線或無(wú)線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。有線接口包括Ethernet 以太網(wǎng)接口和Modbus、CAN、RS485 總線接口[8-9]，無(wú)線接口包括WiFi、4G、5G、RFID、UWB、BT、ZigBee 等。感知層設(shè)備應(yīng)具備IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，能夠自動(dòng)適配感知層接口和協(xié)議，向傳輸層提供統(tǒng)一的IP 接口[10]。

傳輸層定義網(wǎng)絡(luò)層IP 地址解析和TCP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議規(guī)則，通過(guò)路由協(xié)議和地址解析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并為上層提供透明可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。考慮智能化礦山對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽窟B接和非可靠連接服務(wù)需求，傳輸層應(yīng)選用IPv4/IPv6 協(xié)議和TCP/UDP協(xié)議。

應(yīng)用層基于傳輸層TCP/UDP 協(xié)議，集成智能化礦山通信涉及的發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)連接、通信報(bào)文、服務(wù)、配置功能模塊，為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)智能化礦山不同類型數(shù)據(jù)的融合共享。應(yīng)用層數(shù)據(jù)解析支持OPC UA、Modbus TCP、RTSP、ONVIF、IEC104、MQTT、EPA 等通信協(xié)議，數(shù)據(jù)共享應(yīng)選用OPC UA、RTSP、SFTP、MQTT 通信協(xié)議[11-12]。其中，感知數(shù)據(jù)中用于實(shí)時(shí)交互和控制命令的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用OPC UA 協(xié)議，自定義格式的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用發(fā)布/訂閱式的MQTT 協(xié)議，文本數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用SFTP 協(xié)議，音視頻數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用RTSP 協(xié)議。

3 設(shè)備模型

為實(shí)現(xiàn)智能化礦山互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)融合共享，在定義通信協(xié)議與接口架構(gòu)基礎(chǔ)上，需通過(guò)設(shè)備模型進(jìn)一步對(duì)智能化礦山通信接口進(jìn)行形式化描述。設(shè)備模型是對(duì)智能化礦山設(shè)備特征屬性的抽象描述，是設(shè)備中采集類、通信類、工程類、配置類、報(bào)警事件類、網(wǎng)絡(luò)安全類、控制類等相關(guān)信息的集合[13]，其具體與智能化礦山數(shù)據(jù)編碼體系中描述的主題域、對(duì)象、屬性相耦合。智能化礦山設(shè)備模型如圖3 所示。

圖3 智能化礦山設(shè)備模型Fig. 3 Device model of intelligent mine

設(shè)備通用信息用于定義礦山設(shè)備的通用屬性集，主要包括基礎(chǔ)信息、網(wǎng)絡(luò)信息和位置信息?；A(chǔ)信息包括設(shè)備廠家、設(shè)備類型、設(shè)備型號(hào)、制造日期、設(shè)備序列號(hào)、操作系統(tǒng)類型及版本、通信協(xié)議類型及版本等。網(wǎng)絡(luò)信息包括IP 地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址、DNS 服務(wù)器等。位置信息包括經(jīng)度、緯度、海拔等。

設(shè)備擴(kuò)展信息用于定義礦山設(shè)備特有狀態(tài)和功能的屬性集，主要包括模擬量、開(kāi)關(guān)量、累計(jì)量等。模擬量在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號(hào)，包括電流、電壓、功率、頻率、溫度、濕度、振動(dòng)、壓力、流量、告警碼、故障碼、整定值等[14]。開(kāi)關(guān)量在時(shí)間和數(shù)值上都是斷續(xù)變化的離散信號(hào)，包括運(yùn)行狀態(tài)、告警狀態(tài)、故障狀態(tài)、屏蔽狀態(tài)、使能狀態(tài)、時(shí)間戳、質(zhì)量戳等。累計(jì)量為與時(shí)間序列有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括瓦斯抽采量、產(chǎn)量等。

智能化礦山設(shè)備間的應(yīng)答模式應(yīng)統(tǒng)一采用“客戶端?服務(wù)端”模式。在“客戶端?服務(wù)端”模式下，宜采用“請(qǐng)求?響應(yīng)”或“訂閱?發(fā)布”會(huì)話模式[15]，如圖4 所示。

圖4 智能化礦山設(shè)備工作模式Fig. 4 Working modes of intelligent mine device

1） “請(qǐng)求?響應(yīng)”會(huì)話模式。智能化礦山設(shè)備實(shí)體應(yīng)能夠同時(shí)或單獨(dú)使能為客戶端或服務(wù)端角色，執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯?？蛻舳丝筛鶕?jù)自身能力和應(yīng)用需求，同時(shí)與1 個(gè)或多個(gè)服務(wù)端進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。服務(wù)端也可根據(jù)自身能力和應(yīng)用需求，同時(shí)與1 個(gè)或多個(gè)客戶端進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

2） “訂閱?發(fā)布”會(huì)話模式。智能化礦山數(shù)據(jù)生產(chǎn)者應(yīng)作為發(fā)布者，數(shù)據(jù)消費(fèi)者應(yīng)作為訂閱者。發(fā)布者是一個(gè)邏輯實(shí)體，發(fā)布端一般指設(shè)備。訂閱者應(yīng)向發(fā)布端訂閱信息，接收發(fā)布者發(fā)布的通知消息。訂閱者接收發(fā)布者發(fā)布的通知消息時(shí)，應(yīng)識(shí)別目標(biāo)通知消息，即訂閱者訂閱的通知消息。

4 數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

4.1 數(shù)據(jù)分類

智能化礦山是一個(gè)巨系統(tǒng)，大量異構(gòu)設(shè)備的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生多源的海量數(shù)據(jù)。針對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)葐?wèn)題，如何科學(xué)有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分類至關(guān)重要[16]。依據(jù)科學(xué)性、全面性和實(shí)用性原則，將智能化礦山數(shù)據(jù)分為感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)3 類，有利于行業(yè)從業(yè)人員對(duì)礦山數(shù)據(jù)分類的明確認(rèn)知形成共識(shí)，進(jìn)而指導(dǎo)礦山感知數(shù)據(jù)融合共享應(yīng)用落地。

感知數(shù)據(jù)是由智能化礦山設(shè)備產(chǎn)生的除音視頻數(shù)據(jù)之外的可實(shí)時(shí)采集或?qū)崟r(shí)控制的數(shù)據(jù)，如控制器或傳感器的對(duì)象屬性靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等。文本數(shù)據(jù)是智能化礦山中以文本文件形式存在的數(shù)據(jù)，一般經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換或加工，用于系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，如礦山地測(cè)數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運(yùn)行的日志文件等。音視頻數(shù)據(jù)是智能化礦山用于監(jiān)控、告警和智能管控的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要包括視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、人工智能識(shí)別數(shù)據(jù)等。

4.2 數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)

在智能化礦山應(yīng)用中，報(bào)文具有通信系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)裝載和運(yùn)輸?shù)墓δ?，礦山數(shù)據(jù)報(bào)文包括感知數(shù)據(jù)報(bào)文、文本數(shù)據(jù)報(bào)文、音視頻數(shù)據(jù)報(bào)文。智能化礦山報(bào)文是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)塊包含了要發(fā)送的完整數(shù)據(jù)信息，其長(zhǎng)短不一致，長(zhǎng)度不限且可變[17]。

4.2.1 感知數(shù)據(jù)報(bào)文

智能化礦山感知數(shù)據(jù)報(bào)文按照二進(jìn)制格式定義，數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序到在物理鏈路上傳輸?shù)亩M(jìn)制報(bào)文的轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)編碼、安全協(xié)議與傳輸協(xié)議3 個(gè)部分，如圖5 所示。

圖5 智能化礦山感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig. 5 Conversion process of perception data in intelligent mine

應(yīng)用程序間的所有通信都基于消息交換，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用服務(wù)產(chǎn)生消息，每個(gè)服務(wù)都有一個(gè)請(qǐng)求和響應(yīng)消息[18]。序列化層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所描述的數(shù)據(jù)編碼規(guī)定了將數(shù)據(jù)類型集合轉(zhuǎn)譯到二進(jìn)制表示的規(guī)則。安全通道層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所描述的安全協(xié)議提供應(yīng)用程序間消息的完整性和機(jī)密性。傳輸層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中提供所描述的傳輸協(xié)議定義了一種消息交換方法。感知數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 智能化礦山感知數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 6 Message structure of perception data in intelligent mine

4.2.2 文本數(shù)據(jù)報(bào)文

文本數(shù)據(jù)報(bào)文一般指與智能化礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)有關(guān)的文本信息、告警信息等數(shù)據(jù)報(bào)文，適用于智能化礦山內(nèi)部、礦山企業(yè)之間、礦山企業(yè)與上級(jí)部門(mén)等應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換場(chǎng)景[19]。礦山應(yīng)用場(chǎng)景的文本數(shù)據(jù)交換一般產(chǎn)生請(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文2 類。

請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖7 所示。請(qǐng)求行的請(qǐng)求方法有g(shù)et、post、put、delete。請(qǐng)求頭的必選字段名有Accept-Language（語(yǔ) 言）、Content-Type（文 本 類 型）等，請(qǐng)求頭的空行作為請(qǐng)求頭結(jié)束的標(biāo)志。

圖7 文本數(shù)據(jù)的請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 7 Request message structure of text data

響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖8 所示。狀態(tài)行的狀態(tài)碼為3 位字符，由服務(wù)端按照http 規(guī)則發(fā)出。響應(yīng)頭的必選字段名有Accept-Language（語(yǔ)言）、Content-Type（文本類型）等。響應(yīng)頭的空行作為響應(yīng)頭結(jié)束標(biāo)志。

圖8 文本數(shù)據(jù)的響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 8 Response message structure of text data

4.2.3 音視頻數(shù)據(jù)報(bào)文

基于可靠性和可控性考慮，為監(jiān)測(cè)礦山生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)和氣體環(huán)境參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限報(bào)警、斷電和安全控制等功能，主要通過(guò)實(shí)時(shí)流協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。智能化礦山選用RTSP 協(xié)議傳輸音視頻數(shù)據(jù)[20]。RTSP 報(bào)文由開(kāi)始行、首部行和實(shí)體主體3 個(gè)部分組成。

在音視頻數(shù)據(jù)的請(qǐng)求報(bào)文中，開(kāi)始行為請(qǐng)求行。RTSP 請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖9 所示。請(qǐng)求行包括方法、URL、版本和CRLF，首部行包括首部字段名、鍵值和CRLF。

圖9 RTSP 請(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 9 Request message structure of RTSP

RTSP 響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖10 所示。在響應(yīng)報(bào)文中，開(kāi)始行為狀態(tài)行，而首部行結(jié)構(gòu)與RTSP 請(qǐng)求報(bào)文相同。

圖10 RTSP 響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig. 10 Response message structure of RTSP

5 應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)智能化礦山感知數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)采集方式不同，本節(jié)描述這3 種數(shù)據(jù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的采集過(guò)程與感知數(shù)據(jù)融合共享與互聯(lián)互通的示例，旨在進(jìn)一步指導(dǎo)礦山規(guī)范應(yīng)用。

5.1 礦山數(shù)據(jù)采集方式

為實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與操作執(zhí)行層（設(shè)備層）間的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)共享，根據(jù)目前礦山設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用情況和未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向，宜采取設(shè)備直接采集方式、協(xié)議轉(zhuǎn)換采集方式、系統(tǒng)中轉(zhuǎn)采集方式[21]，如圖11 所示。

圖11 礦山數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場(chǎng)景Fig. 11 Application scenarios of mine data collection

設(shè)備直接采集方式主要用于系統(tǒng)控制器支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信協(xié)議（如Modbus TCP、OPC UA 等）的子系統(tǒng)，采用控制器以太網(wǎng)接口就近直接接入礦山工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接采集。

協(xié)議轉(zhuǎn)換采集方式主要用于通過(guò)系統(tǒng)控制器提供總線接口（如Modbus RTU、CAN、Profibus）的子系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，將總線式接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口，就近接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)中轉(zhuǎn)采集方式主要用于控制器不對(duì)第三方設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口但具有上位機(jī)或服務(wù)器的子系統(tǒng)，宜采用與上位機(jī)或服務(wù)器通信的中轉(zhuǎn)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

5.2 礦山數(shù)據(jù)采集與傳輸過(guò)程

基于智能化礦山數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由設(shè)備端傳輸至上層應(yīng)用，本節(jié)針對(duì)不同類型數(shù)據(jù)，描述其采集、傳輸過(guò)程，明確采集不同數(shù)據(jù)的流程和步驟，為實(shí)現(xiàn)智能化礦山數(shù)據(jù)融合共享奠定基礎(chǔ)。

5.2.1 感知數(shù)據(jù)

感知數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程如圖12 所示。具體過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或第三方系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議及配置信息，選擇連接驅(qū)動(dòng)和配置參數(shù)；連接數(shù)據(jù)服務(wù)端并監(jiān)測(cè)連接狀態(tài)；發(fā)送采集指令并監(jiān)測(cè)發(fā)送是否異常；接收返回?cái)?shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)接收是否異常；按照應(yīng)用層協(xié)議要求解析并格式化數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)治理平臺(tái)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖12 感知數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程Fig. 12 Collection and transmission process of perception data

5.2.2 文本數(shù)據(jù)

文本數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程如圖13 所示。具體過(guò)程：由第三方廠家把工業(yè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)以文件格式（xml，txt，json）上傳到服務(wù)端；系統(tǒng)通過(guò)采集系統(tǒng)連接到服務(wù)端，下載服務(wù)端的文件到本地服務(wù)器；讀取、解析、格式化本地文件，把數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中；數(shù)據(jù)治理平臺(tái)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖13 文本數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程Fig. 13 Collection and transmission process of text data

5.2.3 音視頻數(shù)據(jù)采集

音視頻數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程如圖14 所示。具體過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備根據(jù)實(shí)時(shí)流協(xié)議及具體配置信息，連接驅(qū)動(dòng)和配置參數(shù)；連接數(shù)據(jù)服務(wù)端并監(jiān)測(cè)連接狀態(tài)；發(fā)送采集指令并監(jiān)測(cè)發(fā)送是否異常；接收返回?cái)?shù)據(jù)流并監(jiān)測(cè)接收是否異常；數(shù)據(jù)治理平臺(tái)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖14 音視頻數(shù)據(jù)采集、傳輸過(guò)程Fig. 14 Collection and transmission process of audio-visual data

6 結(jié)論

1） 礦山設(shè)備廠商接口協(xié)議不兼容，不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換規(guī)則不明確，在很大程度上阻礙了智能化礦山一體化進(jìn)程，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享。制定智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范，規(guī)范化數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)同共享過(guò)程中的接口方式和通信協(xié)議，明確不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，可為礦山智能化建設(shè)過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集與傳輸提供指導(dǎo)，有利于實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)內(nèi)部或礦山企業(yè)與礦端管控平臺(tái)、礦端數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)交換和共享。

2） 研究了智能化礦山通信接口與協(xié)議規(guī)范體系，旨在實(shí)現(xiàn)國(guó)家礦山監(jiān)管部門(mén)、省級(jí)礦山監(jiān)管部門(mén)、集團(tuán)公司和礦山企業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享、互聯(lián)互通，以及通信接口與協(xié)議的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而加快礦山智能化建設(shè)進(jìn)程，提高智能化建設(shè)質(zhì)量。