数字矿山一体化平台研究与实现

文/唐 珂

近年来，随着国民经济发展思路的转变，产业结构的调整，国家提出通过自动化、信息化对传统产业进行改造实现升级换代，实现两化融合，促进工业企业的创新和发展，这对煤矿生产、安全和科技发展提出了更高的要求。目前，煤炭生产正处在从自动化向信息化和智能化生产过渡阶段。由于存在着数据共享、利用率低、不能联动等问题，迫切需要我们对煤矿信息化手段进行深入研究，利用信息技术、自动化技术切实改造和提升煤炭企业人、财、物、产、供、销等各个方面，最终达到优化资源配置，实现效益最大化的目标。

一、数字矿山一体化平台提出的背景

数字矿山中提出了数字矿山的应用架构自下而上分为设备层、控制层、生产执行层、经营管理层、决策支持层五层，在控制层和生产执行层分别规划设计了2个平台软件：生产综合监控平台和生产执行系统平台。作为生产综合监控系统的核心，生产综合监控平台主要完成对现场监控系统与监测系统的数据和控制的集成，为现场运行人员提供一个整体的展现；生产执行平台是生产执行系统的核心支撑，主要为生产过程管理各子系统提供支撑平台，并支撑与生产经营层和控制层系统间的数据交换。对于不同层级间的数据交换接口进行了初步定义。

生产执行系统软件平台应是一体化的软件平台，能够实现对各子系统的集成，完成数据的集成、共享和应用，该平台的主要功能包括：

1.实现单点登录；

2.实现工作流程的定义与修改；

3.与生产综合监控系统无缝融合，支持工艺画面、趋势、报警、视频图像等的综合显示；

4.实现设备运行参数、人员车辆数据的显示与查询；

5.可以将综合分析指标推送到PDA显示，也可在PDA上查询相应指标；

6.设备运行绩效及能耗分析；

7.实现矿山建模；

8.支持生产、调度、机电、一通三防、设计、环保、安全、煤质、综合分析及三维展示等系统的运行。

在平台的技术实现上，应具备：

1.实现企业服务总线；

2.实现系统权限和用户管理；

3.实现信息服务，包括数据模型、数据管理、信息转换与全文检索；

4.实现文档管理、技术支持等伙伴服务；

5.实现外系统的接入服务，如应用适配器、数据适配器等；在集成方式上，可以数据集成、流程集成和界面集成；

6.实现业务流程、工作流程的设定；

7.实现相关的管理服务，如平台管理、集成管理、服务管理等；

8.实现开放的开发服务，如辅助开发、业务定制、流程定制、报表定制等。

二、数字矿山一体化平台技术方案

(一)架构模型概述

一体化软件平台用于支撑数字化矿山业务信息系统类应用开发，位于基础件与应用系统之间，通过统一技术框架、制定技术规范、提供基础构件和业务构件，从而达到提高开发效率、提升产能的目标。基于神华综合自动化技术现状和项目需求，一体化软件平台侧重于规范、即插即用构件等可快速提高开发效率的部分的研发。

图1 数字矿山一体化软件平台架构

数字化矿山规划需求一体化软件架构模型包括以下部分：

1.服务总线技术

服务总线（ESB）是传统中间件技术与XML、Web服务等技术结合的产物。ESB提供了网络中最基本的连接中枢，是构筑企业神经系统的必要元素，是面向服务的“一体化软件平台”的核心内容。

服务总线的概念是从面向服务体系架构 (Service-OrientedArchitecture，SOA)发展而来的。 SOA描述了一种IT基础设施的应用集成模型，其中的软构件集是以一种定义清晰的层次化结构相互耦合。其中，一个ESB是一个预先组装的SOA实现，它包含了实现SOA分层目标所必需的基础功能部件。

2.数据服务技术

数据服务技术作为SOA架构的主要服务功能实现。首先数据服务屏蔽基础设施中提供的各种数据源。从建立核心业务数据入手，对数字矿山数据需求和数据间关系进行服务抽象，并将结果综合起来形成数据分布，继而对数据在不同业务场景中的流向进行抽象描述，理顺数字矿山中的数据布局。同时数据服务依托ESB对外提供标准数据接口，实现共享数据架构及其提供数据共享的构建方法。

3.流程服务技术

工作流（Workflow）是对工作流程及其各操作步骤之间业务规则的抽象、概括、描述。“一体化软件平台”工作流程服务的主要功能是通过服务总线支持去定义、执行和管理数字化矿山的业务流，协调业务流执行过程中工作之间以及群体成员之间的信息交互，为服务使用对象提供业务流支撑。

4.交互服务技术

交互服务是 “一体化软件平台”中业务模块提供给业务人员使用和操作的方式，直接表现为软件的交互界面。“一体化软件平台”交互界面包括Web界面和Winform界面，重点需要研究Web和Winform结合，要应兼顾Web页面的美观和Winform界面的稳定、易用优点，避免Web页面的开发难度大和Winform界面部署复杂的弱点，打造灵活且易于扩展的统一平台。

5.接入服务技术

接入服务是研究在异构平台、不同子系统中实现数据交换和业务自动处理。通过接入服务，“一体化软件平台”可以实现和外系统独立应用程序 （如各业务子系统、安全生产综合监控系统等）或独立系统的软件的连接，即使它们具有不同的平台，也可以实现相互之间交换信息。一体化平台提供了平台数据适配器及应用适配器为外系统提供服务。平台数据适配器完成平台数据的共享及数据接收任务，应用适配器提供平台基础及业务逻辑为外系统使用。

(二)技术框架

一体化软件平台采用基于SOA的技术架构。以总线服务为中心，总线是面向SOA的技术核心，提供数据通讯、协议转换等标准xml交换通道；展示层为融合一体化思想，提供对WPFUI、webUI等支持；商业流程层以插件化扩展业务功能，对调度管理、煤质管理等自由拆装集成。服务层以总线为标准提供服务访问能力，支持wcf和WebService通用xml标准；组件层通过ORM，数据库模型到实体模型映射，处理缓存及并发机制；基础设施中平台数据库以SqlServer为主，兼容Oracle等大型数据库；管理服务将对平台的易用性及扩展性提供必要支持。

图2 数字矿山一体化软件平台技术架构

三、数字矿山一体化平台实施与应用

数字矿山一体化平台的实施将形成一个平台、两套工具，一个平台为一体化软件开发基础运行平台，包括：基础平台、基础服务和服务总线。两套工具包括服务管理工具、辅助开发工具。

（一）基础平台

基础平台软件是以数字化矿山业务为导向，可快速构建应用软件的平台。它解决了管理软件的业务描述以及与操作系统、软件基础构架平台之间的交互管理问题，同时它屏蔽了技术细节，使开发人员能够集中全力关注产品研发中的业务与管理问题，从而提高了产品研发效率。一体化平台基础平台实现的主要功能包括：

1.系统字典

系统字典由系统管理员进行维护，用于为其他系统及业务模块提供基础数据信息。

2.数据字典

数据字典由系统管理员根据实际业务需求进行维护的基础数据信息。

3.系统模块

系统模块提供对基础平台上加载运行的所有模块进行字典信息的定义，可用于制定与模块相关的编码规则以及生成具有特定含义的编码。

4.业务单据规则

业务单据规则是指为了业务单据能够自动生成有实际意义的、规则性的编号而制定的一个或一组生成规则。

5.排班管理

排班管理主要包括班次信息维护、班组信息维护、工作日历信息维护、排班策略维护、排班生成。

6.用户管理

用户管理用于对登录系统的账户进行管理，同时在用户管理中可以为每个用户分配角色以及进行功能授权。

7.角色管理

角色管理用于对登录系统的账户所拥有的角色进行管理。

8.组织机构管理

组织机构管理用于管理单位和部门信息以及他们之间的关联关系，并以树形列表形式展现。

9.人员管理

人员管理用于管理系统实际使用人员的信息，每个人员可以属于一个或多个部门。

（二）基础服务

面向服务的体系结构是构造分布式系统的应用程序的方法。它将应用程序功能作为服务发送给最终用户或者其他服务，采用开放标准、与软件资源进行交互并采用表示的标准方式。数字化矿山技术研究上选择面向服务开发的方法论。一体化平台服务主要功能包括：

1.基础业务数据服务

对系统基础业务数据进行维护，涉及的模块包括菜单、人员、用户、角色、岗位、组织机构、消息提醒、业务提醒等。

2.系统数据服务

对系统全局数据信息进行维护，涉及的模块包括系统模块、系统字典、数据字典、业务单据规则。

3.日志服务

提供用户日常操作日志的查询功能，为日后企业审计工作提供数据。

4.排班服务

对排班策略及相关参数信息进行分析处理。

5.单点登录服务

单点登录是指在多个应用系统中，用户只需要登录一次就可以访问所有相互信任的应用系统。

6.文件服务

为用户上传、下载文件提供服务，而无需使用FTP等其他方式，并且性能高效、可靠性高。

（三）服务总线

一体化软件平台服务总线主要功能包括：

1.数据请求应答

客户端发送请求命令到服务器，服务器处理请求，返回消息到客户端，客户端可以根据消息判断调用是否完成，获取需要的数据，完成数据调用。

2.数据发布订阅

客户端向服务器订阅和发布消息。服务器接收订阅，并生成订阅客户端列表；接收发布，并将消息推送到已订阅特定消息的客户端。

3.服务调用框架

抽象出全局操作和全局对象，基于配置，采用依赖注入和动态代理的技术，对数据服务/订阅发布服务/数据服务/和文件服务进行统一调用，提高易用性。

4.总线运行宿主

宿主内置对象容器，动态装载并以Windows服务的形式承载服务，提供元数据支持。开放服务管理接口，易于开发服务管理模块。

（四）服务管理工具

面向SOA架构技术研究中各项任务都以服务形式表现，通过服务总线对所有服务进行统一监控、管理。一体化平台管理服务主要功能包括：

1.服务状态

服务状态功能分类显示一体化平台各种服务的运行情况。分类包括基础服务、文件服务、数据服务等。显示内容包括服务名称、状态和地址。

2.Web服务管理

Web服务是一体化平台的B/S架构中的Web应用服务器管理。主要完成对Web应用服务中文件的更新备份。

3.文件服务管理

文件服务对外提供文件的存储、更新、下载功能。文件服务可以方便业务系统对文件控制需求。文件服务管理完成文件服务的安装、拆卸、启停、测试功能。

4.数据服务管理

数据服务对外提供数据访问，数据服务的数据来源可以是Oracle、SqlServer等关系型数据库，对外以实体模型提供数据。数据服务管理完成数据服务的安装、拆卸、启停、测试功能。

（五）辅助开发工具

“一体化软件平台”可以实现以基础平台架构为支撑的多种服务扩展。服务扩展以各种服务本地化使用及二次开发的形式表现，根据不同客户的需要进行定制修改、功能扩展。一体化平台辅助开发主要功能包括：

1.UI/UE模版

UI/UE是软件使用的脸面，直接面对使用人员。一体化平台项目形成了统一的UI/UE模版。包括可定制登录页面、专业化的虚拟桌面、标准化表单。

2.服务开发辅助

一体化平台是面向服务的开发模式，服务提供是面向服务的关键功能，作为辅助开发工具，对服务的快速开发，二次开发是必备功能。辅助开发服务开发功能可以提供对服务的图形化、模板化辅助开发。

3.页面开发辅助

页面开发辅助基于标准UI/UE模版、提供快速实现页面能力，同时页面功能基于模版驱动，可以通过修改模版来满足对不同功能需求的要求。

四、结论

建设“一体化软件平台”，可以将目前煤炭板块各种生产系统的数据和应用有机地整合在一起，完成管控一体化，具体包括：

1.把煤炭生产现场数据、生产管理数据集中起来，实现对于一手数据的准确掌握，通过减少中间传输合处理的环节，降低了数据错误和误差发生的次数，提高了数据在不同业务部门间流通的数据使用率，做到一次采集，重复利用。

2.使下属公司内部各业务部门与下级单位之间能够实现生产数据的高效、可靠传输，彼此之间能够更加密切地协同工作，充分实现数据共享。

3.为各层面领导者、管理者提供一个可获取更全面的生产决策信息的平台，能够及时地对生产过程进行分析和把握，合理安排生产，极大地提高生产管理能力与效率。