基于OPC UA 的智能化综采工作面信息模型

杜毅博， 张乘风， 巩师鑫

(1.中煤科工开采研究院有限公司， 北京 100013； 2.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司， 陕西 榆林 719053)

0 引言

当前大数据、5G、人工智能等新一代信息技术在煤矿得到应用，推动煤炭工业转型升级，我国煤矿智能化进入发展高速期[1-2]。信息集成和数据的互联互通是实现煤矿智能化的基础和保障。由于煤矿设备及系统厂商众多，缺乏统一的通信协议与数据标准，对设备间数据交换和信息集成造成障碍，产生“信息孤岛”。解决“信息孤岛”问题应包括2个层次：① 实现统一的网络传输与通信协议，实现数据在不同设备与系统之间可靠传输；② 实现所传输数据的统一解析，明确数据类型与含义。过程控制统一对象模型(OLE for Process Control Unified Architecture，OPC UA)技术可以很好地解决层次①的问题[3]。通过标准化的信息模型，煤矿内所有信息基于1个标准协议，采用统一格式和语言进行描述，实现设备间互联互通及信息的灵活继承与拓展是解决层次②问题的关键。OPC UA作为开放的跨平台架构，支持各类设备复杂的数据结构通信，可以很好地实现数据和信息在各系统层级间安全可靠传输[4-5]。OPC UA支持不同操作系统，并可通过抽象模型实现对节点地址与语义的统一管理，成为解决复杂系统数据集成与共享的关键技术。

目前我国正在推进基于工业互联网的OPC UA协议应用，在数字化车间、电力系统、轨道列车等方面成果显著[6-8]。尤其在数字化车间数据集成与共享方面，OPC UA研究已较完善，形成了规范标准，解决了车间设备监控及生产要素的管理问题[9-11]。煤矿OPC UA研发目前处于起步阶段，综采、通风、排水等部分控制系统已通过OPC UA协议开发通信接口进行数据接入，数据可集成显示[12-14]。而对于煤矿生产核心系统综采工作面，目前还主要采用Motbus TCP协议进行数据集成，OPC UA协议开发还处于起步阶段，各系统在进行数据对接过程中，需要频繁进行数据点表与语义对应，导致系统互联和数据共享成本激增。因此，亟需采用统一的综采工作面信息模型对数据进行梳理和组织，定义统一描述格式实现物理对象向数据对象的转换，解决系统间数据交互慢的问题。

针对综采工作面系统互联和数据共享成本激增的问题，本文基于OPC UA 对智能化综采工作面信息模型进行研究。在综采工作面OPC UA信息交互网络架构基础上，分析满足综采工作面智能化要求的功能模型和信息流，提出适用于煤矿综采工作面的信息建模方法。通过本文研究可为全煤矿信息模型构建提供参考，从而实现煤矿数据互联互通。

1 基于OPC UA的综采工作面信息交互网络架构

OPC UA采用服务器/客户端结构，相互之间通信采用请求-应答机制。数据访问基于唯一标志节点NodeID，客户端对服务器地址空间进行遍历，在信息模型的指导下进行数据映射，确保了数据传输的可靠性[13]。综采工作面信息交互一方面要实现数据集成，为各类信息化管理系统提供数据，另一方面需确保各设备数据共享，实现分布式控制。因此将基于OPC UA的综采工作面信息交互网络分为现场设备层、集中控制层及信息化管理层3层，如图1所示。现场设备层将OPC UA服务器嵌入液压支架电液控制器、采煤机控制器、刮板输送机控制器等底层设备中，工作面各类底层设备采集的传感数据通过服务器转换为支持OPC UA协议的数据空间对外发布。同时，各设备部署OPC UA客户端，读取工作面集控中心OPC UA服务器中其他设备数据，确保各设备可基于互联数据进行决策控制，提高系统控制性能。集中控制层布置于工作面及地面集控中心，采用联合服务器和客户端概念，作为客户端向下从各底层设备控制器服务器获取数据，作为服务器向上为信息化管理层中数据分析系统、综合管控系统及其他需与工作面进行数据交互的系统提供数据，从而实现与生产相关的业务应用。

图1 基于OPC UA的综采工作面信息交互网络架构Fig.1 Information interaction network architecture based on OPC UA for fully-mechanized working face

2 智能化综采工作面信息模型

2.1 智能化综采工作面信息模型建模要求

由于综采工作面在实现智能化控制过程中涉及系统繁多，并在设备监控基础上引申出包括工艺规划、控制策略、矿压控制等复杂控制需求，因此对其进行信息建模时，应遵循以下原则和要求[4]。

(1) 完整性。智能化综采工作面信息模型应完整反映工作面整体情况，覆盖包括设备、控制、生产信息等各功能维度的信息，以支持调度和决策功能。

(2) 一致性。智能化综采工作面信息模型可实现综采工作面各类信息的一致性描述，实现工作面数据的标准化和唯一化。

(3) 多样性。智能化综采工作面信息模型不仅要表达综采工作面的设备总体架构，也要反映工作面各模块间的关联关系，从功能、信息等不同视图进行描述，方便信息化管理层进行数据融合。

(4) 可扩展性。信息模型架构应可灵活继承和开放，方便扩展和升级，以适应智能化综采工作面内的对象及其联系随技术发展而产生的动态变化。

2.2 智能化综采工作面信息模型架构

根据智能化综采工作面的物理组成、功能模块及各模块间的信息流要求，采用面向对象的方式进行信息模型建模。智能化综采工作面信息模型架构如图2所示，其由具体功能模块(远程控制、自动跟机移架、工作面找直、设备健康管理)和实现各功能的生产要素(采煤机、液压支架等设备)组成。将各组成部分定义为组件，其中生产要素定义为实体组件，功能要素定义为功能组件。组件包含的数据采用属性进行描述，各组件包含的所有信息数据的集合称为其属性集。在信息模型中，信息数据属性分为静态性和动态性。静态属性数据表示在定义之后不发生改变或变化缓慢的信息数据，具体表现为工作面的基础信息、设备配套信息、设备特征信息等；动态属性数据表示在随工作面开采过程中实时变化的数据，如割煤过程中采煤机位置、支架高度等。根据信息数据的静态性和动态性，将属性集分为静态属性集和过程属性集。根据智能化工作面各功能关系，将智能化工作面信息模型划分为基础组件、监控组件集及功能组件集。其中基础组件主要反映工作面的基础参数、配套信息、产量信息等基础属性；监控组件集面向工作面各设备的实时监控功能；功能组件集对综采工作面智能化各关键功能组件进行描述。各组件模型均通过静态属性集和过程属性集进行描述，属性集和组件之间允许嵌套和继承。功能组件集中各功能组件一方面继承监控组件集属性，另一方面通过自身静态属性集及过程属性集描述。

图2 智能化综采工作面信息模型架构Fig.2 Information model architecture of intelligent fully mechanized working face

在信息模型层次架构确定的基础上，对综采工作面中物理对象及开采过程数据进行数字化和模型化描述，形成工作面级信息模型。

(1) 综采工作面基础组件信息对象。工作面基础组件反映工作面的基础属性及总体运行状况。其静态属性集主要描述工作面基础信息、设备配套信息、工作面地质条件等。其中工作面基础信息包括工作面名称、工作面位置、煤层编号、工作面平均厚度、工作面长度、工作面走向长度、煤层倾角等属性；设备配套信息反映工作面设备配套关系，包括采煤方法、各设备型号、支架数量、配套特征参数等；工作面地质条件包括工作面顶底板岩性、厚度、水文条件、瓦斯条件等。工作面基础组件过程属性集主要包括工作面产量信息、工作面地测信息等，反映工作面总体生产情况。其中工作面产量信息包括每日推进度、产量、生产功效等；工作面地测信息建立工作面初始地测数据库，根据工作面推进过程中探测数据进行更新。

(2) 综采工作面监控组件集信息对象。监控组件集针对开采过程中各设备的基础参数及所需监控的数据及状态实现综采工作面设备实时数据监控。对于具有同类属性的设备进行统一归类，便于统一进行类型描述及模型实例化。综采工作面监控组件集由采煤机、液压支架、运输“三机”(刮板输送机、转载机、破碎机)、带式输送机、泵站系统等信息对象组成。各信息对象均包括静态属性集与过程属性集。其中静态属性集主要反映采煤机、液压支架等设备的关键特征参数，如装机功率、工作阻力、生产厂家等。过程属性集描述生产过程中实时采集、随生产过程产生或发生变化的实时数据。其中采煤机包括工作状态、割煤高度、煤机位置、牵引方向、牵引速度、俯仰角、横滚角、割煤循环序号等属性信息，包括左右截割滚筒、左右牵引电动机、主泵等对象信息。液压支架由总体属性集与单个支架属性集组成。总体属性集包括割煤方向、割煤循环序号、跟机状态、拉架距离、推溜距离、选架方式等；工作面各支架属性集包括支架架号、支架动作状态、支架高度、支架压力、推移行程、倾角数据等。由于刮板输送机、转载机、破碎机具有同类属性，因此统一对运输“三机”进行描述。刮板输送机、转载机、破碎机均通过电压、电流、负荷、温度、转矩、转速、工作状态、故障等属性进行描述。泵站系统由乳化液泵、喷雾泵、配液站、高压过滤站、回液箱、水箱及工作状态组成，其中乳化液泵与喷雾泵具有相同属性，由电动机电压、电流、负荷、温度、转速、转矩、油位、油压、总管压力、卸荷次数、累计运行时间等属性构成。

(3) 综采工作面功能组件集信息对象。功能组件集定义综采工作面实现智能化所需具有的功能组件，包括远程控制组件、自动跟机移架组件、工作面找直组件、设备健康管理组件等。当技术发展需要扩展智能化综采工作面新功能时，在功能组件集中构建新的模块化组件进行扩展。各功能组件由静态属性集、过程属性集进行描述，并通过资源组件继承该功能所需的设备信息对象，如采煤机信息、液压支架信息等，保证该功能的数据集成。

各功能组件的静态属性集和过程属性集包含的信息对象具体属性见表1—表4。

表1 工作面远程控制静态属性集及过程属性集 包含的信息对象Table 1 The information object contained in the static and process attribute set for fully mechanized working face remote control function

表2 工作面自动跟机移架静态属性集及过程属性集 包含的信息对象Table 2 The information object contained in the static and process attribute set for fully mechanized working face automation support pushing control function

3 智能化综采工作面信息模型实例化与现场应用

3.1 智能化综采工作面信息模型实例化

智能化综采工作面信息模型从工作面监控与管理方面进行抽象框架的定义，在进行实际的功能开发时，按照其所属类别与语义对框架内的各类信息模型元素进行填充，即信息模型的实例化。OPC UA信息模型主要在服务器端进行开发实现，客户端在访问服务端时即可同步获取信息模型，进行地址空间与数据语义的映射，从而快速完成数据对应。因此，信息模型建设和使用的关键问题是解决建模对象与地址空间节点及建模对象与工作面数据应用软件系统之间的映射问题。

表3 工作面找直静态属性集及过程属性集包含的信息对象Table 3 The information object contained in the static and process attribute set for fully mechanized working face automation straightness control function

表4 工作面设备健康管理静态属性集及过程属性 集包含的信息对象Table 4 The information object contained in the static and process attribute set for fully mechanized working face equipment health management function

OPC UA信息模型主要通过XML描述文件进行加载，按照预定映射规则对模型文件进行解析与映射。XML描述文件需通过纯代码编写，工作量大且可读性差。统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)主要用于软件系统建模，通过图形化表达语言建立信息模型。通过分析，UML模型元素包含OPC UA 信息模型中的大部分元素[15-16]，因此本文采用UML与OPC UA相结合，开发综采工作面信息模型。具体实现过程：利用UML类图辅助进行信息模型结构的描述，然后转换为OPC UA信息模型XML描述文件，将信息模型结构数据和属性数据映射到OPC UA地址空间模型，启动OPC UA服务器。

电动机作为综采工作面主要动力系统，在工作面设备中使用广泛。因此，以电动机作为驱动源的设备，其属性基本类似。对电动机进行属性建模，以电动机作为动力源设备，其电动机组件对象即可直接继承已建电动机属性，实现模块化建模。选取运输“三机”为例，对信息模型进行实例化，如图3所示。对电动机属性建模，电动机包括电流、电压、转速、温度、功率因素、频率等属性信息。对运输“三机”建模时，其所包含的电动机对象即可继承电动机属性。电动机的状态变量值通过绑定实时数据源自动更新，当调用刮板输送机电动机等对象的启动或停止方法时，控制该电动机的实时状态。

图3 综采工作面运输“三机”信息模型实例化Fig.3 Information model instantiation for transport compressors of fully mechanized working face

3.2 智能化综采工作面信息模型现场应用

为验证信息模型架构和基于OPC UA信息模型实现方案的可行性，选取某矿智能化综采工作面，在地面集控中心开发OPC UA服务器，进行智能化综采工作面信息模型建模与现场应用试验。

该工作面当前采用Modbus TCP协议进行数据集成，各厂家设备在进行数据通信时必须进行点表对接，并开发专用的通信接口程序，工作量极大。在新开发工作面智能化功能时，必须由新功能的实施厂家重新对接点表，费时费力。通过对该工作面信息模型梳理，将信息模型结构数据和属性数据映射到OPC UA地址空间模型，并在集控中心部署OPC UA服务器，各系统可访问服务器地址空间，顺利获取智能化综采工作面信息模型的结构和对象数据语义，从而快速完成数据的采集、入库和更新，并在此基础上进行数据处理。

为验证智能化综采工作面信息模型的应用效果，在OPC UA服务器开发的基础上，开发了综采工作面信息管理与集成分析平台，根据使用要求快速进行数据对接与可视化显示信息模型内容。综采工作面信息管理与集成分析平台实测监控界面如图4所示。根据现场应用试验情况，信息管理与集成分析平台显示的监控数据与现场实际运行结果一致，后台数据均来源于地址空间信息模型，从而验证了信息模型结合OPC UA协议实现综采工作面信息互联互通的可行性，为下一步进行工作面数据融合与各类智能化功能的开发奠定数据基础。

图4 综采工作面信息管理与集成分析平台实测监控界面Fig.4 Measured monitoring interface of the fully mechanized mining working surface information management and integrated analysis platform

4 结语

信息模型是实现智能化煤矿设备、系统、生产管理之间互联互通的基础。本文从实际需求出发建立综采工作面信息模型，提出了基于OPC UA的综采工作面信息交互网络架构，通过分析综采工作面的功能模型与信息流，对综采工作面信息模型的实体组件及功能组件包含的静态属性集、过程属性集及控制属性集进行了分析，进而采用OPC UA与UML联合建模方式对综采工作面信息模型进行实例化，并在某矿进行实际应用，实现数据采集、数据传输及软件开发之间的快速数据映射，证明了信息模型的实用性。信息模型具有适用性强、可扩展和可操作性高的特点，可为工作面数据融合与各类智能化功能的开发提供数据支撑。后续通过加快智能化煤矿信息模型标准研究，将为实现智能化煤矿信息交互与数据资产沉淀奠定基础。