煤矿安全监控多系统融合与联动交互方案

张 翼

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害应急信息技术国家重点实验室，重庆 400039）

2016年底，国家煤矿安监局关于印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的通知（简称5号文）[1]，将煤矿安全监控系统升级改造推向了高潮。5号文中，在多系统融合方面，提出了地面和井下2种融合方式，鼓励新安装的安全监控系统采用井下融合方式[1]。目前煤矿基本都已安装了安全监控、人员定位、应急广播等系统，因此多系统融合在一定时间内仍将以地面融合为主。而地面融合面临系统厂家众多、信息存储与交互形式各异等问题。如何制定满足融合需求、可靠性高，同时易于其它业务系统接入和协作的交互方案成为多系统融合的关键和基础。

1 数据融合与联动控制分析

1.1 需要融合的业务系统分析

在5号文中，政策导向方面明确要求“在地面统一平台上必须融合的系统：环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统，也应融入。其它可考虑融合的系统：视频监控、无线通信、设备监测、车辆监测等”[1]。

在煤矿实际需求上，从数据综合呈现与应用分析方面看，主要考虑安全监控、人员定位、车辆监测、矿压监测等系统；从应急联动方面看，主要考虑安全监控、人员定位、应急广播、供电监控、视频监控、调度通信等。

综合考虑，融合的系统主要为安全监控、人员定位、应急广播、供电监控、视频监控、调度通信、矿压监测等。除此外，也可以考虑将生产过程控制系统纳入融合平台。

1.2 业务系统特点分析

通过对融合系统的分析，可将系统分为各具特点的3大类。

1）实时监控与后期分析结合类系统。如安全监控、人员定位、矿压监测等系统，这类系统除具有实时监测、控制外，还会开展二次分析与统计。

2）单实时监控制类。如煤矿应急广播、煤矿供电监控、调度通信等系统，这类系统通常只进行实时监测与控制。

3）单接入类。如视频监控等，这类系统通常无需数据接入，只需按一定的方式进行集成即可。

在进行数据融合与联动数据交互协议与接口设计时，需充分考虑不同业务系统的特点，最大程度兼顾差异。

1.3 业务系统融合数据分析

以总体需求为指导，结合各业务系统的功能特点，得出各业务系统交互数据。①安全监控系统：因融合平台以安全监控系统为主体，因此安全监控系统的数据将全部接入，主要包括实时状态、运行记录、异常状态记录、定义信息等数据；②人员定位系统：主要包括定位设备定义及状态、人员基本信息、井下人员实时、出入井记录等数据[2]；③应急广播：主要包括设备定义、播放状态等数据[3]；④供电监控：主要包括设备（开关）定义、实时状态、历史运行记录、异常状态记录等数据[4]；⑤调度通信：主要包括电话薄、实时通话状态、历史通话记录等数据；⑥矿压监测：主要包括实时监测、历史运行记录、异常记录等数据；⑦视频监控系统：主要为实时视频流数据，此数据一般以视频服务器进行支撑，无需额外采集。

通过上述分析，可将数据分为实时数据、业务统计分析数据、定义数据3大类。

1.4 联动控制分析

参与联动控制的系统主要包括安全监控、人员定位、应急广播、供电监控、调度通信等系统。各系统的控制业务主要为：安全监控系统控制特定区域断电；人员定位系统通知人员紧急撤离或是回电话；供电监控系统进行断电、复电控制[4]；应急广播系统播放特定的音频或是喊话等；调度通信系统发起特定号码的呼叫、发短信或播放警示音频。

联动控制的触发主要由安全监控系统触发。如某工作面瓦斯超限，此时可切断相关电源、通知人员撤离、调用视频查看现场情况。除此之外，也可以由其它系统触发。如人员定位识别出限制区域有人闯入时，可发起视频监控、人员定位、调度通信等系统的联动。

2 数据融合与联动协议设计

由于协议需兼容不同厂家的业务系统，因此必须深入挖掘系统本质，设计出包容性更强的规范。通过分析得出设计的主要原则为：①融合协议要求的数据应是大部分厂家都能提供的；②应以融合总体需求为指导，定义有必要的融合数据，减少业务系统提供数据的负担，提高稳定性；③协议应是简单的，可以适当的冗余数据降低数据之间的耦合度；④相似的数据尽量使用统一的数据结构，降低数据解析与后期分析利用的难度；⑤联动指令应是实用的、简单的，不涉及或少涉及复杂指令集；⑥安全监控系统数据融合与联动应是全面、完整的（因不涉及其它厂家）。

根据以上原则，以及对市场占有率较高的几大主要业务系统的功能分析后，设计出数据融合与联动协议如下。

1）人员定位系统。设备定义及实时状态[设备编码、安装位置、类型、状态描述、统一状态码、更新时间等]；人员基本信息[卡号、姓名、部门、工种、职务等]；人员实时数据[卡号、姓名、部门、当前位置、到达时间、入井时间、班次、状态等]；人员轨迹数据[卡号、姓名、部门、经过地点、经过时间等]；出入井记录数据[卡号、姓名、部门、入井时间、出井时间、班次、状态等]；联动指令[全矿撤离、区域撤离、单人撤离、通知回电话等]。

2）应急广播系统。设备定义以及实时状态[设备编码、安装位置、类型、状态描述(含播放状态）、统一状态码、更新时间等]；联动指令[单播、组播、全矿广播等]。

3）供电监控系统。设备（开关）定义及实时状态[设备编码、安装位置、类型、状态描述(分闸合闸状态)、统一状态码、更新时间、扩展信息（包括电流、电压等参数）等]；联动指令[开关分闸、开关合闸]。

4）调度通信。电话薄数据[号码、权限、使用者描述等]；电话实时状态[号码、主被叫标志、接通状态、接通时间等]；通话记录数据[主叫号码、被叫号码、状态、发起时间、接通时间、挂断电话等]；联动指令[单呼电话、组呼电话、单发短信、组发短信、单发音频、组发音频等]。

其它业务系统参考以上进行设计。

3 数据交互接口设计

数据交互接口指在进行数据交换时所使用的技术以及具体的实现方法。这通常与数据内容与交互场景有关。因此在数据交互接口设计时，首先要选择在当前场景下适用的技术，然后组合技术与数据的特点进行具体的接口设计。

3.1 交互环境分析

通过分析，安全监控系统多系统融合与联动的数据交互的特点主要有：①都处在同一煤矿；②实时性要求高；③涉及双向交互；④涉及控制指令，对可靠性要求更高。

此交互环境与传统联网系统（是煤炭行业数据交互应用最广的系统，具有较高的代表性）对比更能直观地说明问题：①联网项目运行在多个企业中，网络结构复杂，而融合平台处在同一个企业中，即使不在同一网段，通过配置也能使不同的服务器直接（或间接）连通，网络相对稳定、速度快、质量有保障;②由于融合平台和融合的原业务系统都在同一矿中，甚至就在旁边，这比联网项目的实时性、可靠性及数据还原能力要求更高;③联网项目数据通常都是单向上传，不涉及或很少涉及双向交互，而融合平台涉及联动控制，必须进行高效的、可靠的双向交互。

3.2 交互技术选用决策分析

通过对交互环竟、交互数据进行分析，确定交互技术选用决策指标为稳定性、普遍性、跨平台性、实现简单、便于调试、透明度高、技术难度低、环节少（指实现整个数据交互需要的步骤数量，环节越少越好）等。根据这些指标对常用技术[5-6]（Socket、HTML含 WCFWebService、OPC、FTP、数据库等）进行分析，交互技术选用决策分析表见表1。

表1 交互技术选用决策分析表

在考虑各指标的权重占比后，可计算得出DB（数据库）方式的得分最高、FTP次之。另外通过调研发现，煤矿行业使用Microsoft SQL Server数据库的比例最高，因此最终选择Microsoft SQL Serve数据库为载体进行数据交互。

3.3 数据交互接口设计

在使用数据库作为交互载体时，可以采用操作数据库表、调用存储过程等多种方式进行交互。存储过程，在当前环境下可理解为一个远程函数，比直接操作数据库表更有优势[7-9]。主要体现在：①对数据库表进行了封装，免除调用者对存储物理结构的理解，在调用更加方便的同时更具有扩展性；②对数据库表进行了隔离，使数据库表更安全，并可在存储管程中进行数据验证，保存进入表的数据的合法性；③强化了数据的控制能力，使同一个表可保存不同业务系统数据，并保证数据在可控范围内变更；④在存储过程中可加入日志记录、上传最后时间等内容便于分析和追踪问题。

根据上传数据的内容及存储过程自身的特点，各业务系统的每一类数据都定义1个存储过程进行数据交互，每次调用只上传1项数据。同时，为便于数据上传的管理，在开始一类数据上传之前调用上传开始，上传结束后调用上传完成。即每一类数据对应1组接口，形如：

Update_X_Start：开始上传X数据；

Update_X：上传1项X数据；

Update_X_End：完成所有X类数据上传。

联动控制命令则设计1个获取命令的存储过程，和1个返回命令执行结果的存储过程即可。

3.4 数据交互流程

数据交互主要分为数据融合上传和联动控制互动。在交互之前管理员向第三方业务系统分配登录数据库的用户，以及交互接口登录用户。交互过程如图1。联动控制与此基本相同，在获取命令后，各业务系统执行，并反馈执行结果。

3.5 性能优化与数据交互频率确定

系统融合与联动以高效的数据交互为基础，因此对数据交互的实时性要求较高。因联动控制命令数据少，因此数据交互的瓶颈在于业务系统数据融合至平台。每一项业务数据上传，较为理想的方案的步骤为：①安全验证；②判断数据库中是否已有本次上传的数据；③有数据则更新，无数据则插入；④记录本次操作的日志。

结合效率需求与实际情况，可将日志记录移到Update_X_Start与Update_X_End,不必每上传1项数据都记录日志（对于一些重要的操作，仍可在每1条数据中进行日志记录，这需要在效率与实际情况两者间权衡）。对于数据是否存在的不同操作，可先使用更新，然后判断影响的行数。如果影响行数为0再插入。优化后的每一条数据上传完整过程如图2。

图1 数据交互流程示意图

图2 优化后的每一条数据上传完整过程

经过优化，对典型接口进行性能测试，结果约为600条/s（这一测试结果与测试环境有关）。

结合业务系统的实际需求和数据量，可初步确定数据交互的各类数据交互频率为：①实时数据每5 s 1次；②及时数据5 min 1次；③定义数据（一般不变化）2 h 1次。各业务系统以此为指导，结合数据特点确定最终的交互频率。

3.6 安全性设计

安全性是各类系统设计的重要环节，是防止数据被有意或无意破坏的重要手段。由于数据库自身有着强大的安全管理机制，因此采用数据库进行数据交互时，在安全性上具有先天优势。直接利用数据库的安全管理，为不同的业务系统交互程序分配不同的数据库登录用户即可[10-11]。在进行权限分配时，只给予对应的存储过程调用权限（可适时开放数据查看权限方便调试）即可保证数据的安全性。除此外，建立交互接口登录机制，在数据上传之前进行登录验证，验证通过后才能正常调用相关接口。

4 结语

在交互协议方面，通过对相关政策、煤矿现状等的分析，明确了应主要考虑的业务系统和数据，该协议覆盖煤矿主要监测监控系统，满足系统融合所需。在交互技术方面，通过对稳定性、普遍性、跨平台等指标的对比分析，确立以数据库储过程技术进行数据交互，并对接口形式、流程、效率、安全性进行充分设计和优化。该方案在满足数据融合与联动的具体需求的同时，具有效率高、可靠性强、便于联调等优点，且适用于不同的监控系统。