基于云计算的矿用设备监察管理系统设计

姜 琳，孙 超，付恩三

(应急管理部信息研究院，北京市朝阳区，100029)

0 引言

矿用设备是煤矿生产体系中的重要根基[1]。由于煤矿现有设备的多样性及复杂性，矿用设备的信息管理成为了矿山工作中较为繁琐的事务。矿用设备信息中隐藏了设备的重要工况信息，如何从采集的信息中挖掘矿用设备的风险信息[2-3]、保证矿用设备生命周期内的高效稳定运行、降低矿用设备事故发生概率、完善矿用设备风险预控理论、优化矿用设备检修周期，对煤矿安全生产具有重要的理论意义与实践价值。同时，系统数据实时上传至省级政府端监管监察大数据采集联网云平台，成为省级政府端矿用设备监察管理系统的重要组成部分。

众多学者及专家在矿用设备信息化领域进行了探索与研究，并取得了一定的成果。柴艳莉等[4]研究人员从煤矿设备管理现状出发，以WebGIS为基础，构建了矿用设备信息管理框架，并对设备数据的空间流转进行了详细介绍；任传成[5]针对矿用设备中的检测检验环节，对矿用设备检验检测信息进行了信息化构建及系统实现；刘勇等[6]研究人员设计了以SuperMap为技术核心的煤矿设备信息系统，为矿用设备数据分析奠定了基础；赵淑芳等[7]研究人员为实现矿用设备的动态优化管理，研发了基于Web的矿用设备监测系统，实现了对矿用设备信息的动态追踪。但由于现有矿用设备的信息量剧增，以往的矿用设备信息管理系统已不能满足现有数据量及省级政府端监管监察大数据采集联网的具体要求。

基于以上考虑，本文在充分分析矿用设备信息的基础之上，以云计算技术为基础，以煤矿“一张图”为理论指导，对矿用设备监察管理系统进行架构设计及功能模块研发，以期为煤矿设备信息化管理提供一个新的发展思路。

1 矿用设备监察管理系统架构体系

1.1 系统总体架构

本系统的总体架构分为煤矿端和省级政府端，系统总体架构以煤矿企业为核心，围绕对煤矿企业的安全生产监察、执法和服务的全过程，构建以煤矿企业为统一数据视图的大数据监察平台，同时，按照省级政府端监管监察部门业务建设框架要求，创新监察模式、优化业务流程、规范基层监察执法，建立依托以煤矿瓦斯、井下作业人员、工业视频和重大矿用设备监控系统监测数据、执法统计等信息，结合大数据分析与监察平台的高效安全生产保障能力与体系。矿用设备监察管理系统总体架构如图1所示。

图1 矿用设备监察管理系统总体架构

煤矿端主要包含煤矿各感知数据采集子系统、数据资源池建设、设备信息管理、联网分析、矿用设备运行状态分析和煤矿安全大数据分析等应用功能模块，矿用设备监察管理系统丰富了煤矿感知数据资源采集种类，为矿用监察业务应用提供数据源，为监测预警、风险评估、监督管理、精准执法、应急响应、事故调查和综合保障等业务提供精准数据支撑。

省级政府端按照相关系统数据采集细则，从煤矿前置采集系统接入煤矿安全监控系统、井下作业人员管理系统、煤矿工业视频系统、冲击地压监测系统、水文地质监测系统和矿用重大设备监控等系统的相关数据，前置采集系统支持消息队列和文件传输这2种数据接入方式。同时，在煤矿端也支持数据缓存、数据传输、数据质量、运维监控和配置管理等功能。煤矿端采集到的数据通过省级政府端建设的消息队列接口服务上传。省级政府端系统部署在云提供的IaaS平台之上，建设煤矿感知数据库(原始库、主题库)、应用支撑平台(大数据支撑平台和数据共享交换平台)以及矿用设备监察管理应用系统，依托云上大数据平台和人工智能平台，向各级监管监察部门和煤矿等用户进行数据可视化展示。

1.2 系统技术架构

矿用设备监察管理系统的系统技术架构按照分层设计、上下支撑的原则进行设计，自下而上分别包括基础设施层、基础资源层、数据层、应用支撑层、应用层、用户展现层。两翼体系包括运维保障体系和标准规范体系。在技术架构设计中重点考虑数据分析应用、业务协同、数据存储、数据交换、系统管理、安全、基础环境等要素。矿用设备监察管理系统技术架构如图2所示。

图2 矿用设备监察管理系统技术架构

(1)基础设施层。基础设施层主要包括大量的硬件资源(物理主机、存储设备、安全设备、网络设备、采集设备等)、系统软件(操作系统、数据库、应用中间件等)、网络环境(电子政务外网、互联网、3G/4G)和图像接入、监测视察等基础性工程。

(2)基础资源层。基础资源层将汇聚支撑云计算上层服务的各种物理设备，通过虚拟化相应技术形成动态逻辑资源池，并对逻辑资源池的各种资源进行管理(包括资源调度、存储管理、网络管理、用户管理等)。

(3)数据层。数据层利用数据网关对矿井的主通风机、主副井提升、主排水、供电设备等大型机电运输系统及瓦斯抽采、煤矿自燃发火、水文、冲击地压监测系统以及井工煤矿安全监控、井下人员定位等数据进行动态采集，并利用专网实现数据的实时汇集。对采集的相关信息资源进行有效整合，并统一存入数据中心对应的数据库中。

(4)应用支撑层。应用支撑层综合利用包括大数据计算相关的数据分析服务、数据存储服务、Web服务等组件，对外提供基础应用支撑服务。

(5)应用层。应用层对外主要提供设备基础信息管理、主提升设备联网分析、主排水设备联网分析、主通风设备联网分析、供电设备联网分析、煤矿自燃发火监测、水文监测、冲击地压监测联网分析、智能终端APP、煤矿安全风险分析等相关可视化服务，提供图表、关联图谱等多种表现形式，支持调度大屏、计算机终端、移动便携智能终端信息同步。

(6)本项目所有标准遵循或参照国家顶层设计所制定的标准与规范，其主要包括总体标准、信息资源标准、业务应用标准、应用支撑标准、基础设施标准和管理标准。根据项目进度与实际需要，可根据相关行业规范与工程经验制定相关数据交换协议与规范。本项目相关标准体系在遵循参照国家相关要求基础上，实现重大机电设备监测数据和各类监测监控数据采集上传。

2 矿用设备监察管理系统功能分析

矿用设备监察管理系统功能模块分为矿端和省级政府端两级应用，本文重点介绍矿端应用功能。

2.1 基础信息管理子系统

基础信息管理主要针对矿用产品相关设备的型号、种类、生产日期、生产厂家、安标防爆、设备图片、设备安装信息等基本信息进行管理，对设备从入井使用到报废的全生命周期进行管控。基础信息管理子系统主要功能包括设备目录管理、安标信息管理、档案管理、禁止淘汰设备管理等。

2.1.1设备目录管理模块

该模块主要实现煤矿设备的信息管理，通过将相关设备添加或批量导入功能，能够在界面展现煤矿现有设备的相关信息。设备目录管理模块界面如图3所示。

图3 设备目录管理模块界面

2.1.2安标信息管理模块

该模块主要实现纳入国家安标管理的煤矿设备台账管理统计、安标证书查询、安标报警等功能，进一步规范煤矿企业安标设备使用，从源头把控安全设备准入。

2.1.3设备档案管理模块

该模块根据矿用设备目录，对各矿在用设备基本信息进行填报建档。档案基础信息包括设备名称、类型、规划、主要参数、生产日期、生产厂家、报废年限、安标信息、安标有效期、安装位置、安装时间、设备验收记录、设备安装图纸、设备维保规范等基础信息。

2.1.4禁止淘汰设备管理模块

该模块对国家颁布的《禁止井工煤矿使用设备及工艺目录》《淘汰落后安全技术工艺、设备目录》的设备建立煤矿禁止淘汰设备目录数据库，对淘汰设备名录、工艺、淘汰原因、替代产品、淘汰截止日期等关键信息进行管理。

2.2 设备维保管理子系统

设备维保管理针对煤矿主通风机、压风机、提升机、主排水、抽放泵、供电设备、主运带式输送机等设备，提供设备台账管理、重大设备日常维保管理和重大设备专项检测管理等功能模块。

2.2.1设备台账管理模块

该模块针对煤矿主通风机、压风机、提升机、主排水、抽放泵、供电设备、主运带式输送机等设备台账进行管理。台账内容主要包括设备名称、型号、出厂日期、出厂编号、使用说明书、煤安证书编号、生产许可证书、防爆合格证书编号、产品合格证、检验报告及有效期、检验周期、图纸资料、生产厂家、厂家联系电话、设备额定参数、绝缘等级、大(中)修项目内容、维修周期等基础信息。

2.2.2设备日常维保模块

根据设备种类不同，建立设备相应技术标准、设备点检标准、设备给油脂标准、维修作业标准，开展设备周期性维护。根据相应维护周期，该模块自动生成相应的工作计划于任务工单，将工单通过网络推送给相应维护人员，维护人员按照规定时间、规定要素、规定标准流程对设备进行周期性维保，并将维保记录信息实时上传联网。设备日常维保模块界面如图4所示。

图4 设备日常维保模块界面

2.2.3设备点检计划模块

该模块引用点检标准进行计划编制，定义检查部位、检查内容、周期、数据类型、判定标准、上下限范围等属性。

2.2.4故障维修管理模块

设备使用过程中，发生设备故障需要维修处理时，依据设备维修规范与标准，煤矿企业开展设备维修管理工作，该模块支持在线填写设备维修单据，包括维修时间、维修人员、维修过程、维修结果等信息。该模块能够对维修过程、重要参数、维修结果进行实时记录，并支持存档上传。

2.2.5设备维修计划模块

在设备基本信息中可定义设备安装日期和维修周期，如大修、中修和小修周期。根据这些信息，该模块自动生成维修、保养计划，以保障设备及时维修和正常运转。对于设备大修，需要按照项目管理的流程进行管理，该模块提供对大修计划、费用及结果的记录，不做详细的过程跟踪。

2.2.6设备维修记录模块

该模块用于记录设备维修操作中的内容，包括维修人、维修时间、维修单位、操作人、日期、维修结果、费用、材料消耗等。维修单位可以是外部单位，也可以是本单位内部维修单位。

2.3 检测检验管理子系统

2.3.1台账管理模块

该模块对国家要求强检的设备建立检测检验台账，包括正常、维修、维护、停用、报废等多个子模块。台账内容包括：设备名称、编号、型号、类别、安装使用地点；检测时间、检测地点、检测周期、检测结果、下次检测时间；检测机构名称、检测授权证书编号、证书有效期等。该模块还有新增、修改、删除、导入、导出、打印二维码、查看维保信息等功能。

2.3.2查询模块

根据部门权限的不同，在该模块输入设备名称、型号、类别等信息，可以调出设备检测检验台账，对不符合检测规定的通过颜色重点显示，并进行数量统计。查询模块界面如图5所示。

图5 查询模块界面

2.3.3报警模块

该模块主要包括未强检报警、超期未检报警、资质报警、检测结果异常报警、强检预警等功能，通过条件快速检索后，还可以导出信息。

2.3.4统计分析模块

根据部门权限的不同，在该模块可以按时间、按检验单位、按设备统计检验次数统计分析出未进行检测、检测结果异常、故障设备数量等信息。

2.3.5运行日志模块

该模块自动生成运行日志，与设备信息管理模块关联，检测数据更新后，实时推送并记录日志备查。

2.4 设备联网分析子系统

重大设备、安全监控、人员定位及工业视频联网分析是对当前煤矿使用的主要机电设备，包括煤矿主通风机、压风机、提升机、主排水、安全监控、人员定位及工业视频等设备系统的监测监控数据联网分析，实时了解相关设备系统的运行状态、安全监控、井下人员及工业视频各类告警，并利用多种图表方式展现多维分析。

2.4.1主通风机监测系统联网分析模块

该模块采集整合矿端已有主通风机监测系统数据，实现对矿井主通风机远程联网监测。该模块实时监测的主要参数包括风机电压、电流、功率、振动、温度、压力、风量等数据，并对通风机型号、额定功率、额定风量、矿井需风量、矿井风量、矿井负压等进行管理。主通风机监测系统联网分析界面如图6所示。

图6 主通风机监测系统联网分析模块界面

2.4.2提升系统联网分析模块

该模块采集整合矿端已有的提升系统数据，实现了对矿井主提升机远程联网监测。该模块监测主要对象有电机、滚筒、减速器、冷却系统、液压站、装卸载液压站、润滑站等设备。提升系统联网分析界面如图7所示。

图7 提升系统联网分析模块界面

2.4.3水泵监控系统联网分析模块

该模块采集整合矿端已有水泵监控系统数据，实现水泵监控系统联网。该模块监测的主要参数包括水泵电机参数检测(电流、电压、功率及功率因数)，并对吸水压力、排水压力、流量、运行状态、温度、振动等参数进行监测。

2.4.4压风机系统联网分析模块

该模块采集整合矿端已有的压风机系统数据，实现压风机系统联网，并对压风机、风包等进行实时监测。该模块监测主要对象及信息包括压风机运行状态、排气压力、排气温度等信息。该模块具备参数实时监测、工艺组态画面展示及参数异常告警功能，通过图形化方式展现风机设备实时运行状态。

2.4.5安全监控系统联网分析模块

该模块按照《煤矿安全生产在线监测联网备查系统通用技术要求和数据采集标准》生成安全监测文件，通过消息队列接口服务的方式，上传至矿端专用前置机，通过对采集的数据进行清洗、逻辑校验、报警识别，将联网标准协议数据上传到省级云平台并进行存储，由省级云平台对上传数据进行计算分析和统计，并将数据持久化到数据库中供Web应用系统进行查询、统计、分析和展示；同时，通过大数据分析和综合预警分析，使监管人员能够全面了解煤矿瓦斯监控系统的动态信息，进一步提高监管监察效率。

2.4.6井下人员定位系统联网分析模块

该模块按照《煤矿安全生产在线监测联网备查系统通用技术要求和数据采集标准》生成安全监测文件，通过消息队列接口服务方式，上传至矿端专用前置机，通过对采集的数据进行集约、报警分析，将数据上传到省级云平台并进行存储，由省级云平台对上传数据进行计算分析和统计，并将数据持久化到数据库中供Web应用系统进行查询、统计、分析和展示，实现井下人员定位管理、跟班带班稽核管理、作业人员巡查管理等功能，使监管人员能够全面了煤矿井下作业人员的动态信息。

2.4.7煤矿工业视频远程巡查联网模块

该模块将煤矿井下井上关键地点视频数据上传到省级云平台，并提供实时视频远程动态监管功能，保证各级监管监察部门和煤矿企业可利用系统进行视频实时动态监察，了解煤矿实际生产情况和调度情况，便于直观掌握煤矿安全生产状况，保障安全监察监管的全面性。

3 关键技术分析

3.1 云计算技术

云计算是提升计算速率、优化计算资源的模式之一，在现有的云服务条件下，实现了以数据挖掘为核心的架构体系，从而为建设数字矿山以及智慧矿山奠定基础。传统模式的云计算一般包含基础设施即服务(基础设施层)、平台即服务(平台层)、软件即服务(软件层)3个层面，通过构建3个层次的服务，进而实现业务的快速计算及科学分析。

基础设施层也被称为资源层，主要为平台层和中间件准备所需要的计算和存储资源，其主要包含虚拟化、分布式存储、关系型数据库等几种技术；平台层也称为中间层，主要作用是程序的开发以及设计，即为开发人员提供服务，主要包含REST、并行处理、分布式缓存等技术；软件层也称为显示层，主要为软件的使用人员提供服务，为用户提供所需要的内容以及服务体验，主要包含Web页面、RIA技术等。

在基于云计算的矿用设备监察管理系统中，基础设施层和基础资源层为系统提供基础的设备服务，包含服务运营管理和业务运营管理等；平台层则主要指应用支撑层，为系统提供数据采集和存储服务；软件层主要指用户展现层，包括智能终端和门户网站等服务。

3.2 大数据挖掘技术

大数据挖掘技术是以海量数据为基础、以数学模型为核心，对数据中隐含的、潜在的逻辑理论进行探究的方法。数据挖掘对象通常包含关系数据、空间数据、时态数据等，通过构建多种数据之间的逻辑关联，进而实现海量数据中的有效信息的提取与分析。现阶段流行的大数据计算通常以分布式计算为主，通过以Hadoop平台为基础，构建Mapreduce计算模型，实现数据的流计算以及批计算，进而对业务数据进行快速的预处理、解析以及科学计算。

在基于云计算的矿用设备监察管理系统中，大数据挖掘技术提供数据的联网分析服务，通过采集的矿用设备数据，为主通风机监测系统、提升系统、水泵监控系统、压风机系统、安全监控系统以及井下人员定位系统进行数据挖掘与深入分析，进而为数据化、智能化的矿用设备风险预控奠定数据基础。

通过对主通风机等各种参数的采集，构建主通风机故障预测模型，以预测模型参数为基础，对主通风机进行周期性管理，降低其故障率；通过结合安全监控系统数据和井下人员定位系统数据，实现两者之间的逻辑关系关联，通过挖掘安全监控系统数据，实现对煤矿瓦斯风险等在内的风险预测及分析，当发生危险时，通过网络传输，对井下人员进行风险预警预告，进而降低生产过程中的人员安全风险，保障安全生产的顺利开展。

4 应用情况

2020年8月，该系统在云南省曲靖市富源县雄达煤业有限公司得到了成功应用，实现了对矿用设备的信息化管理，有效优化了矿用设备检修周期；同时，实现了重大设备的联网分析，对各主要矿用设备使用现状建立了全天候的有效监控及分析，提升了矿用设备的使用效率，为煤矿高效生产提供了保障。

该系统实现了云南省煤监局在矿端、省级政府端的数据共享和联动应用，将矿用设备感知数据实时、稳定地上传至云南监管监察大数据采集联网云平台，满足了各级监管监察部门的联网监察要求。以大数据分析为核心、以云计算为基础的矿用设备监察管理系统能够从数据分析的角度出发，构建煤矿设备及生产系统的高效分析，进而为智慧矿山建设、煤矿安全风险预控及煤矿安全管理智慧辅助决策奠定数据基础。