基于BS架构的露天矿连续工艺一体化管控平台设计与实现

辛凤阳 王忠鑫 田凤亮 赵 明 曾祥玉 王金金

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004）

露天矿连续工艺是矿山生产工艺中现场用人少、生产能力大的工艺。由于连续工艺属于串联作业，单体设备故障率高，导致工艺整体生产效率较其他工艺低[1，2]。近年来，随着露天矿系统数量的增多，系统间业务独立运行，多源异构数据应运而生，但未能实现数据共享，不同部门和业务间重复转换和录入，既造成人员严重浪费，也造成了海量信息资源浪费[3]。为解决连续工艺此类问题，亟需开发露天矿连续工艺一体化管控平台。应国家的号召建设少人、无人的智能化矿山，各类矿山企业积极响应，为推动露天矿智能化建设进程，打通感知数据与应用系统之间信息屏障的一体化管控平台需求显得更加迫切[4]。

1 平台概述

1.1 开发环境

考虑到日后方便连续工艺一体化管控平台的二次开发与应用，采用前端开发工具WebStorm和后端开发工具IDEA（IntelliJ IDEA）分离的开发方式[5]。利用Chrome浏览器测试平台的平稳性和兼容性。开发环境如表1所示。

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1.2 开发工具说明

（1）Java语言。具有实用性和兼容性两大优点，被广泛应用于Web后端开发[6]。

（2）Three.js架构。three.js三维引擎是基于Web-GL封装运行，在所有WebGL引擎中，three.js是应用最广泛的三维引擎[7]。实现露天矿连续工艺设备三维模型在网页中进行有效加载。

（3）Vue前端页面技术。是一套用于构建用户界面的渐进式JavaScript框架[8]，实现一体化管控平台的前端页面功能模块展示。

（4）High Charts图表库。是基于JavaScript编写的图表库，具备直线、柱状图等20多种图表[9]，将采集的数据利用图表形式体现说明。

（5）Spring Boot后端框架。是基于Spring4.0设计，集成大量的框架解决依赖包版本冲突、不稳定性等问题[10]。配置方式实现了自动配置，提高开发效率。

（6）Spring Security安全框架。是基于Spring设计提供安全访问控制解决方案的安全框架[11]，减少重复性代码编辑。

（7）Redis缓存技术。是一个高性能的键值对数据库，支持主从同步技术，数据可从主服务器向任意数量的从服务器上同步[12]。

（8）MySQL关系型数据库。MySQL支持快速开发、成本低、具有良好的跨平台性能，并且具有主从集群的性能，适用于一体化管控平台开发。

2 需求分析

2.1 功能介绍

根据疆纳兴盛露天矿连续工艺实际应用情况，将一体化管控平台分为五大功能模块：数据可视化、视频监控、安全预警、生产报表和基础档案。详细见图1所示。

（1）数据可视化。基于露天矿连续工艺实时运行数据采集，将大数据进行数据可视化，系统折线图产量显示，实时显示装车仓储等数据，统计工艺作业时间，饼状图显示工艺利用率，折线图显示设备油量消耗数据、皮带电机温度以及各类设备安全预警平台报告等功能。

（2）视频监控。露天矿现场通过加装摄像头，实现连续工艺整体远景监控，配合各类设备自带的监控系统，实现连续工艺整体近景监控和俯视监控。

（3）安全预警。采集连续工艺设备实时运行数据，设定合理阈值和采集设备原始故障报警信号，实现设备实时报警、历史报警列表和历史报警统计功能。

（4）生产报表。根据露天矿现场生产报表需求，建立生产日报表、巡查记录表、人工统计表和交接班记录表等报表。

（5）基础档案。建立矿山基础档案，主要包括人员基础档案、设备用油明细表、设备基础档案和故障基础档案。

平台功能要求高稳定性、界面美观、添加人性化提示，提高平台的易用性。性能方面添加内容缓存、数据压缩等方面，平台对用户的操作提供快速的响应。

2.2 系统设计

露天矿连续工艺一体化管控平台采用现场总线控制系统的设计思想，采用“全分散”、“全数字”的系统架构[13]。系统由分散过程控制装置、通信系统和基于操作管理系统组成。平台系统架构如图2 所示。

（1）分散过程控制装置。通过避免计算机控制过度集中，能够有效降低系统发生故障的风险[14]。平台采用基于控制器光纤局域网总线的现场总线控制系统。多个控制器集成在西门子PLC集控箱，实现分级控制。

（2）通信系统。现场通信系统采用光纤通信，是现场总线控制装置与操作管理系统之间的传输体，用于将现场总线控制装置采集的轮斗挖掘机、转载机、受料车、皮带和装车仓等装备实时运行状态数据、监控数据等传送到上位机数据库，供操作管理系统数据展示和分析使用。

（3）操作管理系统。操作管理系统是系统与操作人员、管理人员间的操作界面，采用B/S（Browser/Server）框架，集成露天矿现场视频监控、安全预警、生产报表和基础档案等系统，依据矿山对工艺的需求，开发设备实时运行数据可视化等功能模块，建立初级的露天矿连续工艺生产数字孪生体，方便调度人员实时查看现场数据。

3 系统总体设计

3.1 系统流程设计

系统流程设计如图3所示，系统管理后台通过Nginx来相互转发所有的请求，请求通过API网关，网关使用负债均衡技术，调用相应业务服务接口，业务服务数据处理使用了MySQL关系型数据库和Redis缓存数据库2种数据存储，所有后端业务服务均会使用注册到注册中心。

3.2 数据库设计

为减少数据的冗余性，节省数据库存储空间，提高系统的有效反应时间，保持数据库的轻便性，从而便于数据的维护和更新，采用第三范式对数据表进行设计[15，16]。

平台用户管理实体之间的联系如图4所示。超级管理员具有为用户分配部门、职位、功能菜单、角色、班组和班次等信息，用户可通过超级管理员分配的功能权限来查看、编辑开放的功能模块。数据库和后端服务器部署并运行在第三方云存储平台，保证了数据库的可靠性和可用性[17]。

3.3 安全性设计

平台采用基于超级管理员分配账号的形式，构造成“用户—角色—权限”的授权模型，平台使用Spring Security系统权限技术、Spring Security Oauth2系统安全认证技术和Apache Dubbo系统服务注册技术实现平台的访问安全性[18]。

4 前端设计与实现

采用Vue框架设计前端，Element UI技术页面布局，MVVM（Model-View-ViewModel）前端开发模式，其架构如图5所示。MVVM开发模式由2005年微软架构师John Grossman提出。MVVM前端开发模式是前后端分离框架发展史上的一次思想变革完全体，其优势主要是低耦合、独立开发、可重用和测试四方面特性[19]，因此该模式也变得越来越广泛。

由图5可知，当用户与View视图层交互，视图层将生成指令发送给ViewModel视图数据层，视图数据层再将指令请求发送给Model数据层，数据层中的请求数据更新完毕后，反馈给View视图，视图层Vue框架设计实现内容和样式的分离，便于展现和修改。Vue框架将每个页面通过接口的方式建立各个页面的通信。最后反馈视图层数据，完成用户的请求。图6为平台传送数据的示例。

5 后端设计与实现

基于Spring Boot系统底层开发技术开发后端程序，使用数据访问层、业务层和表示层3层架构[20]。

（1）数据访问层，利用Spring Data数据访问技术访问MySQL数据库，向数据库发送SQL语句，完成数据的增删改查任务。

（2）业务层，即为Service层，主要是完成功能设计，通过数据接口间接对数据库进行操作，为表示层提供调用的方法，调用数据访问层接口，将返回的数据反馈给业务层。

（3）表示层也称之为Model层，存放的是实体类，属性值与数据库中的属性值保持一致，调用业务层接口，与前端页面实现交互功能。

6 实现效果

平台开发完成之后，应用在Chrome浏览器经过测试并无异常，页面显示以及与用户交互方面，与需求一致。平台功能模块界面如图7～图12所示。

7 结论

（1）论述了基于BS架构开发技术的露天矿连续工艺一体化管控平台的设计与实现，结合疆纳露天矿连续工艺当前需求现状，整理并介绍了矿山亟需功能，搭建了露天矿连续工艺一体化管控平台系统架构图，为平台开发奠定良好的基础。

（2）根据功能需求和系统设计，选取合适的开发工具和设计数据表，以减少数据的冗余性和节省空间。通过使用缓存技术、数据压缩和改进页面渲染等方式提升平台性能。

（3）经过Chrome浏览器测试，平台运行顺畅，达到了用户的需求，但是由于露天矿三维模型需做轻量化处理来实现初级的连续工艺数字孪生体，下一步拟采用BIM+GIS技术来实现连续工艺数字孪生技术。