基于SSM框架的智能煤质化验室综合管理系统

杨玉莲

（贵州豫能投资有限公司煤质管理中心，贵州 贵阳 550081）

0 引言

现如今，煤炭仍旧是人们离不开的矿产资源，并且煤炭的价格与经济大环境存在有关，为适应煤炭市场，煤炭化验质量务必提升，而这就要求管理人员加强对煤质化验室进行综合管理。煤质管理是煤炭生产经营的必要前提，涉及煤质管控、预测、结算等方面。煤质化验数据作为煤质管理的主要因素，务必做到精准、实时，同时还要进行监管[1]。传统的管理方法不能满足如今的大环境，因此，本文设计基于SSM框架的智能煤质化验室综合管理系统。该系统具有监督管控模块，使煤质取样、化验、数据报告等步骤的执行更加智能化，减少人为干扰的因素，提升化验数据的准确性，可满足企业的煤炭质量检测、生产质量检测、供货质量检测等检测流程。并且在硬件上设计了自动工分析仪与量热仪等，煤质采样提供自动化装置，进一步提高管理的智能化水平。软件上，建立煤质化验信息采集模块，将不合格数据挑选出来，重新复检，提高化验准确率；并在此基础上制定煤质智能数据传输检验流程，提高此管理系统的智能性；引入SSM框架，设计煤质数据智能存储数据库，提高系统的安全保障；消除化验室远程管理的误差指标，利用CF算法，提高管理的相似度，从而消除人工误差，使管理水平更趋近于智能化、远程化[2]。由于煤炭质量问题备受关注，本文设计的智能煤质化验室综合管理系统，主要目的在于提高煤质化验水平，降低化验成本，提高煤质化验数据安全性、公正性和严密性。

1 硬件设计

1.1 自动化验仪

本文在设计自动化验仪时，采用PLC的自动装置直接控制程序的运行。为煤质化验过程提供自动化保障，提高化验精准度，从根源上消除人为化验上出现的误差[3]。传统的煤质化验室自动化设备较少，所采用人工操作，为了提高化验精度，在此自动化验仪的设计过程中，使用的是液压装置，可实时查看其是否完好，有无漏油、漏气等情况，如果内部出现漏油、漏气等情况，自动化验仪会发出警示信号，避免故障发生。为避免此仪器出现故障而影响煤质化验，在此次设计中还加入了手动挡，当仪器出现故障时，利用手动挡进行人工采样。同时，在煤料较多时，需要工作人员参与到给料中，提高化验效率。本文设计的自动化验仪，减轻人工化验的强度，同时也规避了人工化验的不规范。在此仪器的使用过程中，分为同时化验与间隔化验2种方式，并且同时化验与间隔化验的精准度均符合煤质化验的要求。本系统不但提高了化验的精准度与效率，还提高了化验操作的安全性。

1.2 量热仪

煤炭的发热量是检验煤炭质量的主要因素也是煤炭计价的重要环节，煤的发热量又称热量大卡，是煤在充有过量氧气的氢弹内燃烧所释放产生的热量被一定量的水吸收，根据水温所升高的温度来计算的弹筒发热量。

量热仪的设计也是煤质化验管理系统的重中之重。传统的量热仪一般采用燃烧氧弹、内外筒、温度测量等构成，因此煤质化验过程的温度把控是化验环境的重要一环，是对检验煤炭发热量重要影响因素。基于此，本系统在量热仪中设计了温度传感装置[4]。采用恒温式外筒，氢弹置于内筒水中，将一定的试样置于密封的氢弹中，在充有过量氧气的氧弹内，试样完全燃烧，燃烧时所放出的热量使水箱中的水温升所得出的煤的氧弹发热量。

为保证量热仪在化验煤质过程中始终保持着恒定的温度，温度传感装置的设计就显得格外重要。在煤炭化验过程中会产生一系列的化学反应，导致系统内温度不恒定，易造成系统故障，因此，本文设计了温度传感装置，实时把控系统内的温度，并在内外桶进行冷热交换，温度传感装置为设备出厂厂家设计，使系统内的温度保持在恒温状态。此外，在量热仪的设计中，本文将其恒温状态分为2种，动态恒温与静态恒温。动态恒温就是一种自动控温装置，使煤质化验过程中的温度在量热仪外部始终保持不变，当温度增加时，量热仪会停止一些程序，使温度逐渐降低；反之，当温度降低时，其内部会增加一些程序的运行，进而提高温度，使温度保持在±0.1 K。静态恒温状态则没有自动控温装置，属于物理降温，在量热仪的外筒中加入热水或凉水，在温度增加时加入凉水，在温度降低时加入热水。2种恒温状态均能达到降温或升温的效果。同时设计留有量热仪数据通讯端口，进入仪器操作面，很直观的显示量热仪的内外筒、环境温度、温度值的刷新过程以及搅拌叶片的转动情况。因此，将此硬件应用到化验室管理系统中，一定会得到意想不到的效果。

2 软件设计

该系统利用成熟的网络技术对所列化验项目的数据信息进行统一采集、运算、分析及传递，提高煤质化验室自动化程度，实现煤质分析数据的计算机自动控制管理。改变传统的煤质化验数据手工抄写模式、传递方法落后、工作效率低的局面，避免重复列表、重复填写检验数据，降低工作失误发生概率、提高化验人员工作效率；自动形成各种煤质报表，进行上下限审核、相关性审核等，及时准确的向用户及企业领导提供煤质检验数据，快速与企业信息化平台对接，使各相关部门和领导能及时了解和掌握公司各种商品煤的质量，为企业领导各部门提供决策依据。

2.1 建立煤质化验信息采集模块

煤质化验室网络环境以化验室管理机为服务器，将所有煤化验仪器计算机联接到一个局域网中，所有网络点都以星型拓扑连接到化验室管理机的交换机或集线器上，同时管理机负责将煤质分析数据上传至企业信息管理系统。具休工作业务部分主要操作对像是化验班班长或技术员，其对整个化验室化验数据时行管理和控制，主要工作包含对化验仪器所产生的化验结果时行数据审核，时行数据采集、汇总，数据报表打印等工作。本模块通过引入规范的化验流程，并监督该流程的执行过程。在保证检测效率的前提下，提高和保持了数据的可信度。极大限度避免人为因素影响化验数据的准确性、公正性、原始性、真实性；提供手工填报界面，并可以设计。提高系统的灵活性、适应性；实现电子天平数据采集，自动完成计算，提高称量数据的可靠性。

通过化验数据进行统计和计算，生成各类化验数据的趋势图曲线图、分析报告图。快速准确的生产运行提供数据支持，有效减轻了各级人员的工作量，提高了工作效率。降低办公成本，减轻劳动强度，避免工作失误和数据差错，提高工作效率。通过对各类化验数据的整理和计算，由系统自动生成所需的各类水质报表，提高人员工效率。灵活的报表模板配置功能，可快速设计符合企业要求的报表格式。智能计算，自动生成，提高报表中统计分析数据的准确性。从根本上解决了以往化验室煤质检测数据分散在化验室的各个单独测试仪上，无法汇总，每个仪器成为“信息孤岛”。

在煤炭质量化验前，本文建立出煤质化验信息采集模块。采集过程中，得到煤质中的化学元素由C、H、O、N、S、A、M组成，其中C、H、S是煤炭可燃烧部分，燃烧后可生成为二氧化硫以及少量的三氧化硫，也就是煤质化验中的有毒有害成分[5]。本文建立的采集模块，采集到煤质中的C含量在40%～85%左右，是煤炭的重要组成部分，每一千克碳的燃烧，可生成CO2，放出31 258.42 kJ的热量，而不完全燃烧的碳会生成CO，释放出9 526.32 kJ热量，由此提高煤炭化验质量。H的含量并不多，仅占1%-3%，因此H燃烧比较容易，热量较大。其他S、O等成分所占比例更加小，且产生的热量较少，因此对煤的燃烧帮助不大。此外，本文认为，煤炭质量的好坏，与可燃物的多少有关，在化验煤质过程中，本文在采集煤质信息时，着重采集无水基团（ad）、无灰基团/干基（d）、有机基团（dmmf）等高位发热基团。此外，了解到煤中所含的水分会影响煤炭的运输成本、化验成本、存储成本等，因此在本文设计的煤质管理系统中根据煤质分析数据，着重降低管理生产过程中煤质的水分含量，提高煤炭的燃烧率，进而提高煤炭的质量。

2.2 制定煤质智能接样化验流程

根据上文中采集到的煤质信息，得出影响煤炭质量的相关成分，为了提高煤炭的化验质量，本文制定了煤质智能化验流程，如下图所示：

如图1所示，智能化验流程为接收煤样-下达化验指令-利用信息采集程序，完成化验数据的收集-进行化验数据审核-统计化验数据-化验主任审核。

图1 智能化验流程

智能化验主要是对送样单位送来的样品进行化验。首先，将煤样送到煤质管理中心化验室时，煤质管理中心化验室的管理人员对煤样进行编码管理，系统提供相应的管理界面，主要完成制样前的环境录入（来煤单位、采样天气、煤种、采样地点、采制样人员、采制日期、检验类别、送样状态、样品重量等）采制样过程的内容录入，完成常规的接样过程计算，并录入接样管理系统，系统自动生成制样一次编码。并在煤质化验管理系统中发送化验指令，化验室接收到制样编码指令及煤样后，化验室管理人员再次对其采制样编码进行第二次编码，即生成化验编码，该编码不进行加密处理，是一种每天的流水号，便于化验室辨认。化验人员记录化验分析报表,随后根据公司要求的煤质化验任务清单按照缓急程度逐一分类[5,6],再将化验项目分配给化验团队进行统一化验。其次，各化验小组分配到化验煤样后，根据送样公司的要求抽样，之后在组内同时化验。同样，每个化验员都会通过接收到的指令对收到煤样进一步化验，提高煤样化验流程精准度。在化验完煤样后，化验员对化验出的元素及工业分析组成信息进行一次审核，并记录审核结果。随后，化验团队对一次审核的结果进行二次审核，最后由化验主任对每个化验团队的测试结果进行最终解码审核，如果审核通过，则录入化验室管理系统并打印上传化验结果。此过程有效避免了化验人员清楚化验过程中的煤样来源，最大程度地限制人为干预。

称量过程数据上传智能传输：

煤质化验室传统化验称量方式，一步一次人工手写计量，缓慢费时易出错，本次在原有计量方式基础上嵌入智能数据传输系统。该系统由数据服务器、管理计算机为中心、由仪器计算机为采集终端。电子称样天平原始称样数据为起点，由化验员对此天平称量系统进行操作，实现对煤样称量时从天平获取称量样重，达到企业对煤样称量数据进行实行跟踪管理，特别是量热仪化验过程中的称重进行机器管理控制的要求。以量热仪为例介绍系统处理过程：

处理方式是将天平与电脑连接，从而使天平所称量的重量数据可以直接发送至设备电脑中，具体操作流程如下：①操作员在电脑中输入样品名、平行样标识2个信息；②天平称量重量，操作员确认；③数据发送至系统中，操作员再次确认；④量热仪化验前，操作员直接选择煤样编号和平行样标识，从而引入重量；⑤量热仪正常工作，完成化验保存结果。

上述过程中，由于坩埚未编号，对于平行样的标识需要通过化验员输入一个标识号来进行，因此需要明确标识号的编码方式，以方便后续系统处理和量热仪上选择时的易于识别性，建议平行样标识采用定长两位数字编码方式。不足两位系统自动前补“0”，编码从上述流程中，在输入煤样编号、区分平行样的标志及坩埚号后，先称量空坩埚重，然后再称量煤样重量。煤样重量不能手工输入，只能通过程序读取天平串口上的数据。煤样重量可获得取2次，2次数据都保存下来，以最后一次的数据为最终结果，即如果第二次重量为空或为0，那么以第一次结果为准；如果第二次重量不为空或不为0，那么以第二次结果为准。程序自动将最后一次的重量数据减去空坩埚重，从而获得煤样重量。彻底有效解决了过去煤质化验室传统模式上对煤炭质量分析数据只能按时手式登记在台账上，需靠手工进行统计，中间计算过程比较复杂，全靠手工做报表和上交报表，很难避免出现一些差错，费时费力，也造成办公浪费。系统提供无缝对接的数据对接，实现了化验仪器的非人工输入重量的高效快捷过程，实现了网络运作，用系统代替人工，提高工作效率，降低差错率。

2.3 基于SSM框架设计煤质数据智能存储数据库

化验仪器测试完成后自动将测试结果保存在仪器中，本系统能自动地将仪器中的数据提取，转化成用户所要求的数据格式，并上传保存在服务器中，保证了上传到企业的数据是原始数据。电脑中各种煤质的化验数据及化验结果都是客观、正确的，数据已不能人为改动，有效地杜绝了人为因素导致的煤质误差。加强对煤质化验过程实行密码管理，保证了化验数据的公证性。

为保证化验数据的安全性，本文基于SSM框架设计更加智能化的存储数据库。SSM框架代表着Spring、Spring MVC和My Batis，在系统开发的过程中受到广泛应用[7]。本文设计的化验室管理系统利用SSM框架中的Spring MVC框架实现各个数据的相互关联。系统通过Spring MVC框架将数据库分为3个层次，具体为表现层、逻辑层，以及数据层，在表现层中加入化验员的身份、管理员的身份并设计访问拦截程序，拦截没有账号人员进入系统。通过表现层中SQL的映射文件，将化验数据或信息与数据库建立联系，使管理更加便捷。当通过管理身份进入数据库的表现层后，进入数据库的逻辑层，逻辑层主要采用My Batis框架，其存储空间较大，内部文件相对较单一，只有与化验有关的文件，便于管理。随后，进入到数据层，在数据层中进行最终的文件存储，由于Spring框架的压缩特点，可将文件压缩，达到占用空间小、运行速度快的目的[8]。并化验员无法自行修改数据，改变了以为工干预为主的传统管理模式。因此数据库的设计最大化地提高了化验数据的安全性。保持数据致性和数据原始性，增强数据共享，避免人为修改数据和数据来源多样性，提高化验数据安全性、公正性和严密性。以国家标准来规范实验室的管理，建立综合完善的事务管理程序，及时准确地处理数据信息，显著提高自动化水平、工作效率和整体管理水平。

煤质化验数据收集、处理、传递自动完成

系统提供数据采集工具，支持对大多数数据类型文件和仪器数据的采集。可以在采集的过程中，根据用户需要自动进行相应数据类型转换，直接从分析仪器得到结果数据，并自动上传到化验室的管理机，化验室管理者能在自己岗位上对实验室内所有数据进行监测，同时，化验室的管理者可以将化验数据传递到企业内部管理系统，使得数据的收集、处理和传递更加方便快捷，能够有效地避免人为错误的发生。同时实现数据实时查询、统计分析，为企业领导高层管理层查询提供“一站式”信息查询服务，足不出户，化验情况，及时掌握，一目了然，将数据组织在一起，汇总分析，并以直方图、折线图等各类图开表示分析结果，对比和趋势结果表现直观，能按时间段生成各类煤炭质量的统计报表，做为领导指导生产决策依据。

该系统由数据汇总、数据管理、系统管理、数据采集客户端功能模块组成。化验室由数据服务器、管理计算机为中心由仪器机为终端组成一个内部局域网，并将各台分析仪器上的化验原始数据进行采集、分析处理、打印，然后通过局域网上传至数据服务器进行汇总处理。该系统对煤质化验室仪器时行实时采集（包括量热仪系列、测硫仪系列、工业分析系列、炭氢仪系列等），为企业煤质系统提供无缝的数据接口，同时，为保障实验顺利进行，如人员、仪器、设备等也被纳入有效的管理之中，从而提高实验管理的水平，让企业检测信息化水平达到一个新的台阶。

2.4 消除化验室远程管理误差指标

上文中对智能数据库的设计，提高了化验数据与信息的安全性，但在系统远程管理中仍存在微小的误差，因此本文利用CF算法，将相邻化验煤样的数据计算相应的近似度，一般CF算法分为2个步骤，第一步计算不同煤样的管理指标，具体指标WYJ如下：

式中：N（i）为第 一次煤样化验数据；N（j）为第j次煤样化验的数据。因此|N（i）∩N（j）|表示同时管理第i个与第j个煤样数据。

第二步，消除管理指标误差，由于式（1）中得到的管理指标存在误差，利用CF算法的第二步进行消除，消除后的管理指标PuJ如下：

式中，Rui为消除参数；S（i，j）为在第i一次化验数据与第j次煤样化验之间的任意数据，因此N（i）∩S（i，j）表示为共同管理的煤样化验数据。消除误差后的管理指标监护进一步提升管理效果。

3 系统测试

采用黑盒测试的方式进行系统测试，验证设计的智能煤质化验室综合管理系统，监督管理情况。

3.1 测试环境

系统的服务器选用clims服务器，内部处理器主频率≥1GHz，内存＞4GB，数据库≥MySQL5.6.24，网络选用有线网。按照此测试环境，对设计的管理系统进行测试。在上述环境下，设计的管理系统登录界面如图2所示：

图2 登录界面

如图2所示，为化验室管理系统的登录界面，后台自动获取用户登录信息，确认管理身份，确认后连接入数据库并打开，输入管理指令，成功登录，此时界面显示为：

如图3所示，系统首页为煤质化验的日报表，随后可切换到煤质化验折线图：

图3 系统首页界面

如图4所示，此界面可以显示为当日煤质化验结果。并且在菜单栏分别有着煤质报表、煤质数据对比表、统计查询、数据管理、煤质化验文档、个人信息等界面，实现智能化的煤质化验报告分析与处理，更有利于监督煤样的使用情况。

图4 煤质化验折线图界面

3.2 测试结果

贵州豫能应用本系统的1年内，节约各项成本。本文煤样按照市场价格每个413元计算，1年内减少的各项成本见表1所示。

表1 使用本系统一年内节约的成本

如表1所示，煤样的化验度更加精准，因此减少了标准煤样的购买量，2020年节省成本近20万元；智能化管理的化验室，减少了人员的流动，每2人可以完成煤质化验的工作，当前化验员每月工资按照4500元/人，因此1年内节省约12万元；在此系统可以更加清晰地得到各类报告，因此每月可以节省A4纸2包，每月节省50元，1年内节省约0.06万元，因此贵州豫能在使用本文设计的基于SSM框架的智能煤质化验室综合管理系统后，1年之内共计节省成本约32万元。降低了公司化验煤质的相关费用，符合本文研究目的。

4 结束语

本系统硬件上的自动化验仪与量热仪的设计将煤质化验仪器变得更加智能化；软件上的建立信息采集模块、制定智能化验流程、设计存储数据库及消除管理误差等四方面，使整个管理系统的运行更加流畅。本文通过贵州豫能公司对本系统进行为期一年的测试，运行效果良好，提高了该公司的煤质管理水平与煤质化验水平，侧面提升了豫能公司的品牌形象与社会影响力，增强了该公司在行业内的可信度。因此，本文设计的智能管理系统在煤质化验方面的应用前景将会更加广阔。