智能化矿山通信接口与协议技术规范研究

丁震， 孙继平， 张帆， 王鹏， 胡而已， 邓文革， 高静， 郑耀涛， 王波， 高秋秋， 李系民， 钱海军， 柳建华， 乔少利， 鲍震， 杨永生0， 杨振宇， 李玉雪， 李昱翰， 邵光耀

（1. 国家能源集团公司 煤炭与运输产业管理部，北京 100013；2. 中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083；3. 应急管理部信息研究院，北京 100029；4. 国家能源集团信息公司，北京 100011；5. 国家能源集团神东煤炭集团公司，陕西 榆林 719315；6. 国能准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；7. 国家能源集团乌海能源有限责任公司，内蒙古 乌海 016000；8. 国能榆林能源有限责任公司，陕西 榆林 719000；9. 国能智深控制技术有限公司，北京 102211；10. 煤炭科学研究总院有限公司，北京 100013；11. 精英数智科技股份有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

目前，工业物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术与矿山智能化建设相结合，有力推动了矿山智能化技术发展[1-4]。但我国智能化矿山建设仍处于初级阶段，大多数矿山企业信息系统的开放性、兼容性和可靠性差，设备通信接口与协议不开放，传输内容和格式不统一，易形成新的“信息孤岛”，企业在生产、安全、经营、管理过程中难以实现真正的数据共享和互联互通[4-6]。矿山智能化建设面临数据融合共享难等技术挑战。

工业网络生产场景包含多种用于监测和控制的终端节点，需保证在工矿条件复杂、环境恶劣情况下可靠运行，对数据采集、传输过程中设备连接、通信的性能要求非常高[7]。国际上针对工业领域各种通信接口与协议的标准规范众多，如IEC 61158 Profinet，ETG1000 EtherCAT 等，国内有GB/T 27960−2011《以太网POWERLINK 通信行规规范》、GB/T 33863.1−2017—GB/T 33863.8−2017《OPC 统 一 架构》等。但针对矿山行业的实用性标准很少。矿山生产环境、工艺特殊，许多企业尝试制定相关标准，但往往出于商业目的，存在很大局限性，标准通用性差，实用性不强，影响力不高，应用效果不佳。非标准化接口与协议仍是矿山企业实现数据融合共享的主要瓶颈，矿山智能化建设的关键问题在于缺乏规范的数据采集、传输与共享标准。因此，有必要进行智能化矿山通信接口与协议规范研究，统一矿山数据采集、传输、协同共享过程中的接口方式和通信协议，明确不同协议之间的转换规则，从而解决目前矿山企业存在的“数据壁垒”、“信息烟囱”等难点和痛点问题[7-8]。

为了满足数据采集、传输与共享需求和应用实施要求，本文按照核心规范、应用规范、运维规范设计，从总体架构、数据采集、数据传输、共享应用等技术视角，研究了智能化矿山通信接口与协议技术规范，对总则、接口、服务、发现、连接、报文、配置、安全、管理等进行描述，以期更好地指导矿山企业实现互联互通和数据共享。

1 技术体系

智能化矿山通信接口与协议技术体系如图1 所示。核心规范通过总则和接口规定智能化矿山数据采集、传输、协同共享过程中的接口方式与通信协议；应用规范包括智能化矿山通信所涉及的服务、发现、连接、报文、配置功能，为智能化矿山数据采集、传输及上层应用的通信接口与协议提供支撑；运维规范包括安全、管理，为数据采集过程的安全、透明、可靠传输提供运维保障。

图1 智能化矿山通信接口与协议技术体系Fig. 1 Technique system of intelligent mine communication interface and protocol

1.1 核心规范

1） 总则：规定数据采集、传输、协同共享过程中的通信接口与协议总体要求，描述智能化矿山设备抽象后的理论模型。

2） 接口规范：规定感知层、传输层和应用层接口方式和通信协议，以及感知层协议转换和应用层数据共享的接口与协议。

1.2 应用规范

1） 服务规范：规定发现服务集、安全服务集、连接服务集、配置服务集、文件传输服务集和告警服务集等，实现对服务的分组管理。

2） 发现规范：规定感知层和应用层的发现方式、发现流程及发现服务的基本属性及格式。

3） 连接规范：规定感知层数据采集的连接方式、连接过程，传输层的连接建立/断开过程，应用层协议解析、控制下发及数据共享过程。

4） 报文规范：规定智能化矿山设备之间的通信报文格式，以及数据采集所涉及的感知数据、文本数据和音视频数据的报文格式。

5） 配置规范：规定智能化矿山设备在感知层协议转换的配置规范、应用层服务集的配置规范、应用层数据共享协议的配置规范。

1.3 运维规范

1） 安全规范：规定智能化矿山设备通信的安全模型、安全接入要求、安全传输要求、访问控制要求及安全审计要求。

2） 管理规范：规定智能化矿山数据采集、传输与协同共享过程中的管理参考模型、管理技术要求。

2 接口模型

根据矿山企业实际生产业务需求，基于ISO/IEC 7498−1 标准，定义了智能化矿山通信接口与协议模型，如图2 所示。该模型分为感知层、传输层、应用层，将智能化矿山设备分为传感器等感知设备、现场设备及系统，旨在全面覆盖矿山数据通信全过程。

图2 智能化矿山通信接口与协议模型Fig. 2 Model of intelligent mine communication interface and protocol

感知层定义物理层接口和建立数据连接规范，实现基于物理链路的数据传输。该层主要使用智能传感器或数据采集设备，通过有线或无线接口实现数据采集。有线接口包括Ethernet 以太网接口和Modbus、CAN、RS485 总线接口[8-9]，无线接口包括WiFi、4G、5G、RFID、UWB、BT、ZigBee 等。感知层设备应具备IP 协议转换功能，能够自动适配感知层接口和协议，向传输层提供统一的IP 接口[10]。

传输层定义网络层IP 地址解析和TCP 网络传输协议规则，通过路由协议和地址解析实现数据传输，并为上层提供透明可靠的数据传输服务。考虑智能化矿山对数据传输的可靠连接和非可靠连接服务需求，传输层应选用IPv4/IPv6 协议和TCP/UDP协议。

应用层基于传输层TCP/UDP 协议，集成智能化矿山通信涉及的发现、网络连接、通信报文、服务、配置功能模块，为应用程序提供数据访问，实现智能化矿山不同类型数据的融合共享。应用层数据解析支持OPC UA、Modbus TCP、RTSP、ONVIF、IEC104、MQTT、EPA 等通信协议，数据共享应选用OPC UA、RTSP、SFTP、MQTT 通信协议[11-12]。其中，感知数据中用于实时交互和控制命令的数据传输应采用OPC UA 协议，自定义格式的数据传输应采用发布/订阅式的MQTT 协议，文本数据传输应采用SFTP 协议，音视频数据传输应采用RTSP 协议。

3 设备模型

为实现智能化矿山互联互通和数据融合共享，在定义通信协议与接口架构基础上，需通过设备模型进一步对智能化矿山通信接口进行形式化描述。设备模型是对智能化矿山设备特征属性的抽象描述，是设备中采集类、通信类、工程类、配置类、报警事件类、网络安全类、控制类等相关信息的集合[13]，其具体与智能化矿山数据编码体系中描述的主题域、对象、属性相耦合。智能化矿山设备模型如图3 所示。

图3 智能化矿山设备模型Fig. 3 Device model of intelligent mine

设备通用信息用于定义矿山设备的通用属性集，主要包括基础信息、网络信息和位置信息。基础信息包括设备厂家、设备类型、设备型号、制造日期、设备序列号、操作系统类型及版本、通信协议类型及版本等。网络信息包括IP 地址、子网掩码、网关地址、DNS 服务器等。位置信息包括经度、纬度、海拔等。

设备扩展信息用于定义矿山设备特有状态和功能的属性集，主要包括模拟量、开关量、累计量等。模拟量在时间和数值上都是连续变化的信号，包括电流、电压、功率、频率、温度、湿度、振动、压力、流量、告警码、故障码、整定值等[14]。开关量在时间和数值上都是断续变化的离散信号，包括运行状态、告警状态、故障状态、屏蔽状态、使能状态、时间戳、质量戳等。累计量为与时间序列有关的数据，包括瓦斯抽采量、产量等。

智能化矿山设备间的应答模式应统一采用“客户端−服务端”模式。在“客户端−服务端”模式下，宜采用“请求−响应”或“订阅−发布”会话模式[15]，如图4 所示。

图4 智能化矿山设备工作模式Fig. 4 Working modes of intelligent mine device

1） “请求−响应”会话模式。智能化矿山设备实体应能够同时或单独使能为客户端或服务端角色，执行相关业务逻辑。客户端可根据自身能力和应用需求，同时与1 个或多个服务端进行业务交互。服务端也可根据自身能力和应用需求，同时与1 个或多个客户端进行业务交互。

2） “订阅−发布”会话模式。智能化矿山数据生产者应作为发布者，数据消费者应作为订阅者。发布者是一个逻辑实体，发布端一般指设备。订阅者应向发布端订阅信息，接收发布者发布的通知消息。订阅者接收发布者发布的通知消息时，应识别目标通知消息，即订阅者订阅的通知消息。

4 数据报文结构

4.1 数据分类

智能化矿山是一个巨系统，大量异构设备的应用会产生多源的海量数据。针对多源异构数据的采集、传输等问题，如何科学有效地进行数据分类至关重要[16]。依据科学性、全面性和实用性原则，将智能化矿山数据分为感知数据、文本数据和音视频数据3 类，有利于行业从业人员对矿山数据分类的明确认知形成共识，进而指导矿山感知数据融合共享应用落地。

感知数据是由智能化矿山设备产生的除音视频数据之外的可实时采集或实时控制的数据，如控制器或传感器的对象属性静态数据、动态数据等。文本数据是智能化矿山中以文本文件形式存在的数据，一般经过二次转换或加工，用于系统之间的数据交换，如矿山地测数据、告警数据，以及设备运行的日志文件等。音视频数据是智能化矿山用于监控、告警和智能管控的非结构化数据，主要包括视频监控数据、人工智能识别数据等。

4.2 数据报文结构

在智能化矿山应用中，报文具有通信系统之间数据装载和运输的功能，矿山数据报文包括感知数据报文、文本数据报文、音视频数据报文。智能化矿山报文是通信系统网络交换与传输的数据单元，一个报文数据块包含了要发送的完整数据信息，其长短不一致，长度不限且可变[17]。

4.2.1 感知数据报文

智能化矿山感知数据报文按照二进制格式定义，数据从应用程序到在物理链路上传输的二进制报文的转换包括数据编码、安全协议与传输协议3 个部分，如图5 所示。

图5 智能化矿山感知数据转换过程Fig. 5 Conversion process of perception data in intelligent mine

应用程序间的所有通信都基于消息交换，应用程序通过调用服务产生消息，每个服务都有一个请求和响应消息[18]。序列化层为数据转换过程中所描述的数据编码规定了将数据类型集合转译到二进制表示的规则。安全通道层为数据转换过程中所描述的安全协议提供应用程序间消息的完整性和机密性。传输层为数据转换过程中提供所描述的传输协议定义了一种消息交换方法。感知数据报文结构如图6 所示。

图6 智能化矿山感知数据报文结构Fig. 6 Message structure of perception data in intelligent mine

4.2.2 文本数据报文

文本数据报文一般指与智能化矿山基础数据、生产数据、安全数据和管理数据有关的文本信息、告警信息等数据报文，适用于智能化矿山内部、矿山企业之间、矿山企业与上级部门等应用系统的数据交换场景[19]。矿山应用场景的文本数据交换一般产生请求报文和响应报文2 类。

请求报文结构如图7 所示。请求行的请求方法有get、post、put、delete。请求头的必选字段名有Accept-Language（语 言）、Content-Type（文 本 类 型）等，请求头的空行作为请求头结束的标志。

图7 文本数据的请求报文结构Fig. 7 Request message structure of text data

响应报文结构如图8 所示。状态行的状态码为3 位字符，由服务端按照http 规则发出。响应头的必选字段名有Accept-Language（语言）、Content-Type（文本类型）等。响应头的空行作为响应头结束标志。

图8 文本数据的响应报文结构Fig. 8 Response message structure of text data

4.2.3 音视频数据报文

基于可靠性和可控性考虑，为监测矿山生产设备参数和气体环境参数，并实现甲烷超限报警、断电和安全控制等功能，主要通过实时流协议进行数据采集。智能化矿山选用RTSP 协议传输音视频数据[20]。RTSP 报文由开始行、首部行和实体主体3 个部分组成。

在音视频数据的请求报文中，开始行为请求行。RTSP 请求报文结构如图9 所示。请求行包括方法、URL、版本和CRLF，首部行包括首部字段名、键值和CRLF。

图9 RTSP 请求报文结构Fig. 9 Request message structure of RTSP

RTSP 响应报文结构如图10 所示。在响应报文中，开始行为状态行，而首部行结构与RTSP 请求报文相同。

图10 RTSP 响应报文结构Fig. 10 Response message structure of RTSP

5 应用场景

根据智能化矿山感知数据、文本数据和音视频数据采集方式不同，本节描述这3 种数据在不同应用场景中的采集过程与感知数据融合共享与互联互通的示例，旨在进一步指导矿山规范应用。

5.1 矿山数据采集方式

为实现矿山数据采集系统与操作执行层（设备层）间的数据交换与数据共享，根据目前矿山设备、技术应用情况和未来技术发展方向，宜采取设备直接采集方式、协议转换采集方式、系统中转采集方式[21]，如图11 所示。

图11 矿山数据采集的应用场景Fig. 11 Application scenarios of mine data collection

设备直接采集方式主要用于系统控制器支持标准以太网通信协议（如Modbus TCP、OPC UA 等）的子系统，采用控制器以太网接口就近直接接入矿山工业以太环网，实现数据直接采集。

协议转换采集方式主要用于通过系统控制器提供总线接口（如Modbus RTU、CAN、Profibus）的子系统，通过设置接口转换设备，将总线式接口转换为标准以太网通信接口，就近接入工业以太环网实现数据采集。

系统中转采集方式主要用于控制器不对第三方设备提供标准接口但具有上位机或服务器的子系统，宜采用与上位机或服务器通信的中转方式，实现数据采集。

5.2 矿山数据采集与传输过程

基于智能化矿山数据分类标准，为实现数据由设备端传输至上层应用，本节针对不同类型数据，描述其采集、传输过程，明确采集不同数据的流程和步骤，为实现智能化矿山数据融合共享奠定基础。

5.2.1 感知数据

感知数据采集、传输过程如图12 所示。具体过程：现场设备或第三方系统根据应用层协议及配置信息，选择连接驱动和配置参数；连接数据服务端并监测连接状态；发送采集指令并监测发送是否异常；接收返回数据并监测接收是否异常；按照应用层协议要求解析并格式化数据；数据治理平台连接到数据库，并进行标准化处理，供业务系统使用。

图12 感知数据采集、传输过程Fig. 12 Collection and transmission process of perception data

5.2.2 文本数据

文本数据采集、传输过程如图13 所示。具体过程：由第三方厂家把工业设备采集到的数据以文件格式（xml，txt，json）上传到服务端；系统通过采集系统连接到服务端，下载服务端的文件到本地服务器；读取、解析、格式化本地文件，把数据插入数据库中；数据治理平台连接到数据库，并对数据进行标准化处理，供业务系统使用。

图13 文本数据采集、传输过程Fig. 13 Collection and transmission process of text data

5.2.3 音视频数据采集

音视频数据采集、传输过程如图14 所示。具体过程：现场设备根据实时流协议及具体配置信息，连接驱动和配置参数；连接数据服务端并监测连接状态；发送采集指令并监测发送是否异常；接收返回数据流并监测接收是否异常；数据治理平台连接到数据库，并对数据进行标准化处理，供业务系统使用。

图14 音视频数据采集、传输过程Fig. 14 Collection and transmission process of audio-visual data

6 结论

1） 矿山设备厂商接口协议不兼容，不同协议的转换规则不明确，在很大程度上阻碍了智能化矿山一体化进程，无法真正实现数据融合共享。制定智能化矿山通信接口与协议规范，规范化数据采集、传输、协同共享过程中的接口方式和通信协议，明确不同协议之间的转换规则，可为矿山智能化建设过程中数据的采集与传输提供指导，有利于实现矿山企业内部或矿山企业与矿端管控平台、矿端数据中心等数据交换和共享。

2） 研究了智能化矿山通信接口与协议规范体系，旨在实现国家矿山监管部门、省级矿山监管部门、集团公司和矿山企业之间的数据共享、互联互通，以及通信接口与协议的规范化、标准化，从而加快矿山智能化建设进程，提高智能化建设质量。