贵州煤矿智能化系统运维服务平台设计

汪 杰，王春华，李晓华，3，余克莉莎，任富强

（1.贵州省矿山安全科学研究院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025；3.河南理工大学 安全学院，河南 焦作 454003）

煤矿智能化是煤炭工业发展的新阶段，煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[1]。我国煤矿智能化发展处于初级阶段，为了加快煤矿智能化建设，近年来国家和省出台多项相关方案和政策，支持煤炭工业转型升级，加快煤矿智能化机械化改造，促进煤炭产业高质量发展[2]。2017年以来，贵州省积极响应国家战略，大力推进煤矿“两化”建设，提出到2020年采煤机械化率达到96%、辅助系统智能化、信息化服务管理等达到100%的目标[3-4]。截至2019年12月底，全省生产煤矿采煤机械化率达到87%，辅助系统智能化实施覆盖率达到86%，通过辅助系统智能化升级验收的煤矿184处，通过采煤工作面智能化升级验收的煤矿10处，通过综合机械化改造的68处，有效改善工人作业环境，促进了煤矿安全生产水平的提高和劳动效率的提升，“两化”建设初见成效[5-6]。随着贵州省各煤矿智能化升级改造项目陆续完成，对建成后的智能化系统进行长期运维尤为重要，但目前国内尚无成熟的运维服务体系可供参考。为了保障现有煤矿智能化系统安全稳定运行，贵州少数大型煤矿企业尝试自建设备管理系统，自主培养运维人员，在实际应用中取得了一定的效果。但由于贵州省以中小型煤矿企业为主，在升级改造完成后的运维阶段依然存在以下关键问题[7-9]：①煤矿智能化系统专业性强，企业专业技术人才匮乏，现场人员不具备及时解决运行中重大问题的能力；②煤矿企业不具备对智能化系统运行状态进行实时监测分析的能力，企业与运维服务机构间存在信息孤岛；③贵州煤矿偏僻分散，不利于运维服务机构建立集中运维服务点，零部件发货时间偏长，相关维护人员不能及时到达现场排除系统故障。以上问题致使智能化系统运行不正常或停运现象时有发生，给煤矿安全高效生产带来极大风险。

近年来，贵州省委、省政府提出大力发展以大数据、云计算、物联网等新一代信息技术产业为代表的战略性新兴产业，率先将其作为贵州经济社会发展的战略决策，作为贵州转型发展、跨越发展的重要途径，在助推实体经济高质量发展发面取得了显著成效[10-11]。为此，以贵州能源智慧管理体系建设为契机，借助贵州省煤炭产业发展相关政策，基于云计算和大数据技术[12-14]，设计了贵州省煤矿智能化系统运维服务平台，旨在破解智能化系统运维集成度低、投入人力多和维护成本高等系列难题，为贵州省煤矿智能化系统正常运行保驾护航。

1 平台总体架构

基于B/S架构设计了贵州煤矿智能化系统运维服务平台。平台总体架构自下往上可分为：数据采集层、支撑层、应用层及用户层，平台总体架构如图1。

图1 平台总体架构Fig.1 Overall architecture of the platform

1）数据采集层。数据采集层的信息来自煤矿智能化系统设备采集的实时数据和贵州省煤矿基本信息采集系统采集的基础数据；基础数据采用编写API接口的方式调用贵州省煤矿基本信息采集系统[15]采集的数据；煤矿智能化系统设备运行实时数据上云，采用矿端采集网关和云端数据配置相结合模式、VPN加密单向传输模式来实现，同时运用MQTT协议Json格式进行数据推送。

2）支撑层。主要包括云架构IaaS（Infrastructure as a Service）层和PaaS（Platform as a service）层功能。IaaS层提供虚拟服务，将各相关物理资源通过虚拟化软件构建为底层虚拟资源池。计算数据资源均存储在虚拟资源层。PaaS层为用户提供数据导入的管理、平台软件开发等服务。PaaS层将数据通过预处理，按照不同的主题建立数据仓库，实现大数据的在线（Strom、Spark Streaming）和离线（Hadoop、Spark）计算，结合煤矿安全知识库、故障字典库及设备关键技术库等，通过虚拟化手段实现系统应用的算法调度与资源调度，为应用服务提供支撑。

3）应用层。主要为用户提供所需要的应用服务，对应云架构SaaS（Software as a Service）层功能。该层主要是依托“云上贵州”云平台强大数据存储和数据挖掘分析能力，以智能化系统的监测及故障分析结果为基础，为煤炭行业监管部门、煤矿企业以及运维服务机构提供应用服务。

4）用户层。通过不同用户权限配置，采用“一站式”登录方式，为不同用户提供应用服务。用户可以利用PC、平板电脑和笔记本等多媒体设备，通过浏览器（IE/360/Chrome）访问云数据中心的Web服务器，获取所需应用服务。

5）标准规范体系。遵照国家的各项煤矿安全生产信息化标准规范，为系统间信息交换和共享提供技术规范。

6）安全运维保障体系。主要为采集层、支撑层、应用层以及用户层等提供统一的信息安全、运行维护和运行管理等服务。

2 平台构建关键技术

1）煤矿智能化系统实时数据上云。采用大数据、智能硬件等技术对智能化系统相关设备的基础信息进行统一编码，制定设备运行数据上传要求，统一智能化数据的上传格式，采用矿端采集网关和云端数据配置相结合模式[7]，运用MQTT协议Json数据格式进行数据推送，实现智能化系统实时数据上云。主要流程：①矿端采集网关和云端的数据应用统一结合，矿端MQTT推送数据只包含测点编码和测点数值；②矿端调用云端的测点描述API对各个测点进行准确描述，其它信息由编码可以获取，云端后台对矿端推送的数据进行解密入库；③云端建立流媒体视频流管理平台，实现矿端网关的视频流的推流拉流管理，保证一路通道上传即可在云端进行多客户端的复用，当矿端推送的媒体没有客户端观看时云端通知矿端不再推送，实现按需要推送减少带宽的占用。智能化数据上云流程如图2。

图2 智能化数据上云流程Fig.2 Intelligent data cloud process

2）煤矿智能化系统监测及故障分析。运维服务平台接收到智能化系统运行实时数据后，对数据进行预处理（清洗、加工、存储），调用故障算法库，通过已构建的阈值、平均值、方差以及上下限等数学算法模型进行故障分析（预判设备故障或参数异常），发布智能化系统的运行状况是否正常，并把数据分析结果推送给煤矿企业及运维调度中心。智能化系统故障预判流程如图3。

图3 智能化系统故障预判流程Fig.3 Intelligent system failure prediction process

3）SaaS云服务模式。运维服务平台基于SaaS模式为用户提供云服务，用户通过接入互联网就能够获取平台相关应用服务，简单方便，不需要用户进行软件开发，也无需要管理底层基础设施资源，即可实现对智能化系统设备运行实时情况的查看、监测监控和智能化系统运维服务。

4）平台安全。平台数据资源作为故障分析依据与载体，必须做到高度的安全可靠，才能够保证评估与决策体系的正常运转。要充分考虑到各方面的因素对平台数据信息资源的攻击与破坏，充分利用现有成熟的信息安全技术手段、采用容灾备份机制等方法，确保数据资源在受到异常攻击时的安全稳定，同时在存储数据被破坏的情况下，能提供最快的数据和系统的恢复能力。运维服务平台的安全主要基于“云上贵州”提供的安全防护，用户不用考虑数据丢失及病毒入侵的情况。

3 平台功能模块

运维服务平台主要服务于煤矿企业、运维服务机构、运维调度中心及煤炭行业监管部门，不同用户输入分配账号和密码即可登录平台获取相关应用服务。平台功能模块主要包括监测及故障分析、煤矿企业服务、运维派单、运维人员物资管理、运维机构服务、信息发布、培训服务、运维调度指挥、运维服务监管、运维后台管理以及手持终端APP等子系统，平台功能模块架构如图4。

图4 平台功能模块架构Fig.4 Platform function module architecture

1）监测及故障分析子系统。该子系统运行于运维服务平台的后端，云平台接收到矿端推送的智能化系统设备实时采集的数据后，进行数据的清洗、加工后，结合已构建的故障诊断模型，进行动态智能分析，并把数据分析结果推送给煤矿企业所属煤矿和运维调度中心，实现对煤矿智能化系统的远程定位诊断和预警，为煤矿智能化系统运维提供数据支撑。

2）煤矿企业服务子系统。可实现对本煤矿智能化系统运行分析查看以及运维报修、运维反馈等表单的填报管理，具有设备管理、故障管理、运维单管理、结算管理、企业内部运维管理、合作企业管理、黑名单管理、运维评价等功能，煤矿企业可随时查看和掌握事件的处理进程。

3）运维派单子系统。平台根据运维机构分布、物资实时情况、运维效率和运维服务质量等，通过智能优化分析向调度人员自动推荐最优运维派单方案，经过调度员核实下发派单通知，形成现场实施情况、运维反馈、报表生成的闭环流程，具有运维派单管理、运维派单优化分析、自动派单设置、运维派单报表等功能。

4）运维人员物资管理子系统。对纳入运维服务平台的智能化系统及运维服务机构专业运维人员的信息掌握，并对运维服务机构主要物资（交换机换机、PLC、物联网网关、阀门及主要传感器设备）储备进行登记了解，具有运维人员管理、物资管理、物资申购、物资领用、仓库管理、出库管理等功能。

5）运维机构服务子系统。以纳入运维服务云平台的智能化系统服务信息为基础，构建运维机构与运维平台、煤矿企业及时沟通渠道，实现运维服务机构接单、服务矿井运行查看、服务反馈的管理，具有运维单管理、服务点管理、合作企业管理、运维评价等功能。

6）信息发布子系统。根据煤矿企业和运维机构填报的相关数据，通过大数据分析，定期发布全省各地区运维机构服务情况、煤矿智能化系统运行情况、设备优劣评估信息；定期对智能化系统运维处理及效果进行统计分析；同时发布智能化新技术、新设备、新工艺及新服务理念等。

7）培训服务子系统。对煤矿运维人员线上培训、对运维服务机构人员培训与认证，实现智能化系统操作培训的数字化，具有运维论坛、运维培训、运维认证等功能。

8）运维调度指挥子系统。该子系统服务对象主要面向运维调度机构和煤炭行业监管部门，以大屏为载体，借助GIS可视化技术展示接入平台煤矿、平台签约煤矿、运维机构、运维人员、运维仓库、运维物资等分布情况；借助图表数据可视化技术展示运维统计、故障类型分析、最近预计完成的运维单以及运维的实时动态等情况，实现对平台运维人员和物资最优调度和配置，同时为调度人员提供及时、准确的数据依据，确保矿井智能化系统的正常运行。

9）运维服务监管子系统。该子系统服务对象主要面向煤炭行业监管部门，以大屏幕为载体，借助GIS、数据图表等可视化技术实现煤炭行业监管部门对煤矿智能化系统使用情况、设备质量情况、运维服务机构服务质量等的监督和管理，具有建设监管、使用监督、运维监管、隐患预警、实时视频调取、生产工作报表等功能。

10）运维后台管理子系统。通过运维后台管理子系统一是为保障用户的安全；二是能够实现数据资源查询检索、数据备份及恢复、数据库用户权限管理、数据库日志管理等。具有平台用户权限管理、角色管理、运维数据管理等功能。

11）手持终端APP。主要用于运维移动办公，不同权限用户可享有不同的应用服务。具有煤矿企业服务的故障管理、运维单管理、评价中心、接受时故障信息推送等功能，此外还可以通过手持终端APP的工业视频查看自己煤矿设备运行情况；具有运维派单的派单服务功能；具有运维服务机构服务的接单管理、我的运维单、运维机构评价、我的评价等功能；具有运维人员物资管理的运维物资、物资申请、物资申请审批、出库管理、物资申购、物资申购审批等功能。

4 平台业务流程

平台业务流程从煤矿企业服务子系统的故障上报开始，有系统上报和人工上报2种，人工上报由人工操作完成，其中包含有设备保养/升级，系统上报主要是依托平台后端的监测及故障诊断分析子系统，通过该子系统检测出故障，煤矿管理人员进行故障现场确认，为了便于故障能够及时上报，可通过手持终端APP进行运维事件推送，同时也可在平台选择煤矿企业自主运维。其间涵盖了运维派单子系统、运维服务机构子系统、运维人员物资管理子系统，主要包括运维机构选择、派单、维修估价、运维人员分派、物资申请、运维订单填写以及运维订单提交等业务流程，最终以客户确认为流程结束。

煤矿自主运维有3种入口可选择：第1种从故障上报开始，选择煤矿自己维修，安排运维人员进行维修，填写运维明细，最终以提交运维订单结束煤矿自主运维流程；第2种从运维管理中的新增运维开始，选择煤矿自主维修，安排运维人员进行维修，填写运维明细，最终以提交运维订单结束煤矿自主运维流程；第3种采用手持终端APP的企业内部运维管理中的新增运维作为煤矿企业自主运维入口，选择运维类型，安排运维人员进行维修，填写运维明细，最终以提交运维订单结束煤矿自主运维流程。

5 结语

贵州省煤矿数量众多，企业位置分散，多以中小型煤矿企业为主，煤矿智能化升级改造项目已陆续完成，保证煤矿智能化系统安全正常运行已势在必行。贵州煤矿智能化系统运维服务平台依托云计算资源，实现对煤矿智能化运维资源的有效整合，降低煤矿企业智能化系统运维成本，结合大数据技术以监测及故障分析子系统为支撑，实现对煤矿智能化系统的风险预判，为煤矿智能化系统安全稳定运行提供坚实的保障。贵州煤矿智能化系统运维服务平台建设有利于政府监管部门对煤矿企业、运维服务机构及运维调度中心等的监督和管理，保证政府监管部门监察效能，进而促进煤矿智能化高质量发展。