贵州省级瓦斯抽采与发电移动监测平台设计

张 鹏

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原030032）

基于国办发〔2013〕93 号《国务院办公厅关于进一步加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的意见》，贵州省煤矿管理部门长期给与瓦斯利用企业一定的资金补助[1-2]。贵州有500 多家煤矿建立了瓦斯抽采及利用系统，也安装了瓦斯抽采及利用计量装置，但目前只能实现矿井内部的计量管理，相关管理部门不能够实现远程在线监测与综合管理功能，更不能实现与贵州省“安全云”的有效对接，给瓦斯抽采和发电利用补助资金管理带来难度。

贵州省内瓦斯抽采监控系统和瓦斯发电监测系统类型和生产厂家多样，基本处于相对独立的运行和管理状态，造成监测数据孤岛[3]。随着监测数据呈指数爆炸增长和煤矿工作条件及监管技术手段的限制，监管部门无法准确、及时、快捷、高效的掌握煤矿现场瓦斯抽采和发电利用情况[4-5]。

煤炭工业已经进入了由“两化融合”向“互联网+”转变的新阶段，实现信息化、自动化和网络化发展是必然发展趋势[6-8]。贵州省煤矿瓦斯抽采和发电利用监管技术发展来说，需解决2 方面问题：一方面是，融合多源异构数据，实现监测数据的在线实时诊断和异常信息预警[9-11]，提高补助资金基础数据的准确性；另一方面是，增加移动通讯接口和模块，实现瓦斯抽采和发电利用信息的灵活掌握，即不受工作时间和地点的限制，就能实现监测数据的方快捷查询和关联分析[12-14]。在此背景下，建立贵州瓦斯抽采与发电移动监测平台，通过监控数据采集和融合、移动查询平台建设、网络管理终端开发及异常推送机制构建，实现对瓦斯抽采和发电利用补助资金管理的保驾护航。

1 功能与开发设计

根据瓦斯抽采和发电利用监测管理需求，提出了基于SOA 架构的平台总体设计框架，实现瓦斯抽采、发电子数据库管理，以及数据集成、共享发布与决策支持等功能。

系统设计遵循“全组件、面向服务、可扩展、可移植”的原则，选择“核心层-组件层-功能层-应用层”的数据处理平台4 层系统架构。核心层主要封装煤矿空间数据管理、分析处理、专业算法等模块，是基于C++程序设计语言的源代码级封装，可直接或通过.Net、JNI 等方式被上层的组件层调用。在核心层中开发多源数据引擎来实现数据库的管理。不同的数据源存储空间数据的格式可能存在一定的差异，但引擎反馈给应用层的数据流必须是经过规范化的数据。组件层按照统一的体系结构划分封装核心层的各个模块，都包括数据对象模块、数据组织管理模块、数据访问引擎模块、算法和分析模块、可视化制图模块等。功能层按照煤矿瓦斯地质图制图的相关需求，开发出来的应用功能模块。功能层主要包括基础功能模块和专业功能模块，其中基础功能模块提供一般的图形编辑、数据操作等功能；专业模块则分抽采和发电。应用层具有基于Windows 的桌面平台和基于Android 的移动平台。

2 瓦斯抽采与发电移动监测平台

2.1 抽采监控系统数据集成

精准把握瓦斯抽采的真实计量能够为瓦斯发电利用数据准确计量提供帮助，瓦斯抽采量一定程度上决定了最大瓦斯发电量。依据全省煤矿瓦斯发电利用监控系统存储内容和结构，构建瓦斯抽采数据采集、集成、存储数据库模块。贵州省瓦斯抽采数据采集和存储量巨大，包括500 余对矿井瓦斯抽采监控系统的瓦斯浓度、压力、流量等关键监测数据的动态采集与集中存储[15-16]。建立贵州地区矿井统一的瓦斯抽采数据存储格架和时空数据库，采用基于大规模时间序列数据存储方式，实现数据低成本存储和高性能扩展，并做好数据预估，以保障有效数据存储可达5 年左右。通过统一时态-地理空间数据库，实现采集数据的内核表示、时空索引、叠加计算及复杂逻辑条件下的快速查询；进而通过海量时态-地理数据库结点构成并行分布式的时空数据库集群，并通过全局时空索引、全局关键字索引、全局值索引等方式，完成海量瓦斯抽采监控数据流的存储以及多模方式（关键词、时空约束、数值约束）的快速查询。

2.2 发电利用监控系统数据集成

同抽采数据集成融合相同，基于现有瓦斯发电监控数据结构，建立瓦斯发电利用监控系统数据采集接口和专用存储数据库，进行下属所有矿井监测数据的连续、稳定采集和集成存储。为保证监测监控系统的安全，采集接口采用单向采集模式（即只从监测监控系统读取数据，而不允许写入任何数据）。

建立发电利用监控系统数据采集及集中融合管理服务，实时监测和采集发电利用计量参数，包括瓦斯浓度、流量、纯量、发电量等，并将关键参数的传感器数据进行独立的动态的采集和存储，方便溯源审计。

2.3 移动监测终端

从移动终端和电脑终端2 方面开发贵州省监测监控数据网络查询终端，使用户不受工作状态限制，进行监测监控数据的及时显示、方便查询与分析。移动监测终端APP 如图1。

基于对应与统一的关系，从贵州省管理部门和数据归属矿井2 级角度考虑，开发省级终端能按矿井显示、查询所有矿井数据，矿井终端只能显示、查询归属矿井的监测监控数据；终端首先按瓦斯浓度、压力、流量、发电量等各种监测传感器类型进行引导，使用户可以方便的查找到某一类型的所有数据，然后显示不同传感器的实时值、时间和安全状态，数据采集状态异常，则提供报警。例如，瓦斯抽采流量数据采用表单方式进行统计，在瓦斯抽采模块中，根据输入日期对抽采计量监测异常数量指标进行统计（图1（a）），实现过程中，主要运用jQuery表单控件对空间数据库发送的数据在移动端进行显示格式的优化。

图1 移动监测终端APPFig.1 Design of mobile monitoring terminal app

为方便省管理部门及下属矿井的技术及管理人员的统计分析，为移动终端提供按时间、地点、传感器类型、传感器名称（或编号）等要求的查询功能，查询结果以统计报表、变化曲线等多元化形式展示，提供数据统计功能。在数据统计方面，运用jQuery 绘图插件将数据转换为图表，提高数据的直观性，更适合比较和分析瓦斯抽采和发电利用不同时段或邻近矿井的数据，为数据真实性提供参考。APP 具体实现过程以瓦斯抽采量统计为例，该过程主要将瓦斯抽采量数据转化为柱状图（图1（b）），jQuery 绘图插件通过网络对从服务器获取到的数据进行处理和封装，让这些封装好的数据在设置好的图表样式中表现出来。

移动终端基于Android 开发APP，APP 对通讯网络移动终端和提供了广泛的兼容性，支持多种通讯网络和移动终端，通过WIFI、4G、5G 等网络连接来和服务器建立联系，并通过中间件和空间数据库交互数据。空间数据库服务器由1 个服务器集群组成，包括云服务器、GIS 应用服务器、数据库服务器。移动终端APP 查询统计功能以模块的形式存在，模块与模块之间相互依赖性较低，单个模块可独立进行某种功能实现，这样有利于功能的扩展，形成多种多样的功能组合，满足不同层级用户的需要。通过移动端App 开发，搭建了1 个瓦斯抽采发电信息化应用扩展渠道，移动查询App 运行流畅，界面简洁，数据稳定，不受移动手机类型影响，可以让监管者不受空间和时间束缚，实现在任何地点、任何时间对瓦斯抽采和发电计量数据真实性实施有效的监管。

3 监测数据异常推送机制

平台采集瓦斯抽采和瓦斯发电利用数据，根据传感器实时监测数据，有超过异常模型临界值等情况，根据制定的信息推送规则，将异常信息第一时间推送给相关管理人员和基础矿井，同时，可按时间、位置等关系进行异常信息方便查询，监控系统数据融合及移动查询模块架构如图2。

图2 监控系统数据融合及移动查询模块架构Fig.2 Monitoring system data fusion and mobile query module architecture

以现有LAN、云网络、WSN、GPRS 无线接入技术为核心构建监测网络体系，具有传递速率快、可靠性高、时效性强的特点，可实现政府-企业-煤矿信息同步化。采取TCP/IP 协议将监测中央服务器整合后的信息和数据上传至云端存储并共享，通过移动手机、掌上电脑、有线终端进入系统进行实时查询。

监控异常数据推送是监测平台的重要组成部分。由数据集成整合模块生成或导出的瓦斯抽采浓度、压力、存量、瓦斯发电量等信息，经过在线诊断识别后，最终将集成在监控预警发布系统，将监测的异常信息第一时间、合理推送给各级管理部门和归属矿井的相关领导。监测数据异常诊断识别是通过建立多指标体系的异常诊断模型，计算各指标的隶属度函数，计算各指标的权重值，从而将多指标进行归一化处理，最终由各指标得分叠加计算获得瓦斯抽采和瓦斯发电利用监测异常诊断结果，评定异常级别，进行异常数据多维度分析，监管部门根据分析结果实时掌握瓦斯抽采和发电利用情况，制定管理方案[2]。

联合上述抽采监控系统、发电利用监控系统的数据融合及移动查询功能模块，形成贵州省统一的煤矿瓦斯抽采利用监测综合管理平台，通过移动网络和局域网，均能查询所有矿井系统关键信息。同时，预留平台数据接口扩展功能，为后期数据网络融合与管理等功能扩展提供基础和方便。

4 结 语

通过构建贵州省级瓦斯抽采与瓦斯发电实时监测和移动查询平台，对矿井瓦斯抽采泵进入端、输出端、瓦斯发电站输入端的瓦斯抽采浓度、流量、纯量等数据实现集中远程在线实时监测及查询，发现数据异常能够系统能够实时诊断与预警；对每个矿井、每个区域及全省的煤矿的瓦斯抽采量、瓦斯利用量、利用率、利用效率等情况进行实时监测、统计与分析；通过对瓦斯发电量与瓦斯利用量的比值对瓦斯发电机组的运行状况进行监控与故障诊断；对相关设备的运行及设备校检记录等进行监测和管理，确保瓦斯抽采及利用设备的有效运行。

通过平台建设，实现动态监测数据移动在线查询、诊断分析、集中管理，使生产、技术、监管部门实时获取有效信息，实时全面掌握矿井动态，为矿井瓦斯抽采利用奖补资金兑现提供有效技术手段，同时为及时、科学、合理的决策提供数据支撑。