综采作业规程编制系统的构建及其关键技术

李 伟, 朱海丽

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室, 哈尔滨 150022)

0 引 言

在数字化矿山建设过程中,我国矿山企业正逐步向环保化、信息化、智能化方向转型,以信息技术支撑新型煤炭行业[1]。煤矿作业规程作为煤矿三大规程之一,是煤矿生产管理过程中的核心环节,是现场生产及施工指导的关键依据[2]。作业规程转为线上编制后仍然暴露出很多问题,有些地区煤矿作业规程编制粗糙,编制不清楚、不规范,内容不够全面、规程举措太片面,规程图表较为凌乱[3],在管理阶段不能很好地实现上传下达,出现问题不能立刻责任到人,且审批时间长,不能真正实现办公一体化,浪费了大量人力。编制的采煤作业规程不能有效指导现场施工,给煤矿安全、高效地组织生产带来了困难[4]。通过应用系统可以起到规范编制内容、规范编制过程、规范管理流程、加强煤矿生产安全基础管理工作的作用,是实现“管理规范化、工作标准化和办公自动化”很好的技术管理平台[5],因此,特提出了基于B/S架构前后端分离开发模式的采煤作业规程编制及管理系统设计方案。

1 作业规程编制与管理系统开发

1.1 总体结构

在整体架构设计时,按结构划分为6层,如图1所示。

(1)访问层:煤矿人员以何种方式访问系统,如PC端浏览器。

(2)表示层:供前端煤矿人员使用,用户访问系统实现数据获取和数据输入等功能。前端用户输入规程编辑所需参数,实现编辑以及接收生成的文档。

(3)接口层:系统中前端与后端进行数据交互的中间层。

(4)Web层:Web服务器,处理请求,返回响应。

(5)服务层:后端业务及系统在运行时的记录日志及后端所用技术框架。①规程编制子系统:用于专门编辑和修改作业规程,实现作业规程文档的生成,通过辅助编辑库实现编辑,借助智能手段实现智能化输入,并根据煤矿实际条件补充安全措施。②作业规程管理系统:实现规程任务的管理、审批、贯宣,审批人员接收规程提出审批意见,规程执行后全矿人员学习贯彻。③权限控制台:是对用户设置必要的用户资源访问权,只允许合法用户访问且只能访问被授权资源[6],鉴于煤矿用户角色分类过多,在规程管理系统实现权限划分及用户管理较为复杂,特设计此控制台进行菜单管理,也为后期实现编辑过程中的协同编辑技术提供帮助。

(6)数据层:后端框架与数据库MySQL进行数据读写等操作。主要包括综采面关键设备数据、规程编辑所需参数、审批管理数据、各种图形库表格库、设备选型规则库、注册用户数据、系统日志等管理数据。

1.2 开发方法

1.2.1 前后端分离开发模式

此设计基于前后端分离开发模式,前端使用Vue.js框架以及Element-UI组件进行界面设计,后端基于MVC 设计模式[7]、SpringBoot + Mybatis 框架实现业务逻辑[8]。实现前后端解耦,前端Nginx服务器负责控制页面引用、跳转路由,后端应用服务器Tomcat负责提供数据,加快整体响应速度[9]。其核心思想是前端HTML页面通过Ajax调用后端的Restuful api接口并使用JSON数据进行交互[10]。

前后端分离会导致跨域问题[11],即阻止一个域的JavaScript界面去访问另一个域的页面。针对前后端口不一致引起的跨域问题,使用Nginx反向代理解决[12],搭建Nginx环境,修改配置文件nginx.conf,配置完成后Nginx服务器上所有的域名、协议、端口都是同源的,从根本上解决跨域问题。

1.2.2 软件开发

前端采用微软开发的轻量级开发编辑器Visual Studio Code,使用谷歌公司Chrome浏览器作为代码调试工具,后端使用IntelliJ IDEA软件开发,数据库选用MySQL AB公司开发的MySQL进行数据持久化,前端页面设计采用Element-UI组件库设计。

1.3 功能模块

将规程编制与管理两部分化为一整体结构,作业规程编辑及管理系统可分为作业规程管理、审批管理、规程贯宣、系统管理及其他功能五个功能模块。系统功能如图2所示。

图2 系统功能

2 关键技术

2.1 作业规程文档生成及拼接技术

作业规程中最为核心的功能就是将在系统内编写的作业规程按照标准自动生成文档,一般是前端Javascript直接操作Word,但这种做法安全性较差[13]。本设计中采用在后台生成Word文档,一般是开源框架Apache POI解析操作HTML数据流,但POI的Jar包操作Execl文件技术成熟[14],对于Word文档有所欠缺,因此,后台以IO流来实现上传下载,具体设计方法是,首先,建立作业规程的通用模板,在富文本框编辑器Tinymce填入模板,保存成HTML格式,然后,后台通过字节输出流OutputStream写出数据到文本,在写出前需先将模板关键字符全部替换完成,采用Replace()函数进行循环遍历替换,最后关闭流即可。在模板设计上,文中采用两端“+”作为分隔符号(也可以采用其它符号),比如“+回采位置+”形式来填充关键字符,方便后期读写文件流时可以正确替换。

在实际项目中,在处理较大的文件时,常常将文件拆分为多个子文件进行处理,最后再合并这些子文件。在此设计上,由于需要将各个章节生成的文档进行合并,使用Java后台循环实现文档合并,首先遍历文件夹下所有的文档,循环获取每个文件的OPCPackage对象,使用OPCPackage将每一个文档打开并且存储起来,然后将其转成字符串合并,再将字符串转换成对应的XWPFDocument对象写出即可。

2.2 文字及图表处理技术

作业规程主要包含文字、公式和图表。页面设计中组件均来自Element-UI,文字以文本框输入,长文本输入需预先初始化该部分内容,关键字用*替代,在Input获得焦点时触发,用户可按需修改。用Upload加载图片,图片是以地址格式存储在数据库上,图片插入可以来自外部或利用CAD制图软件绘图插入,但CAD软件与此设计融合实现高精度复杂绘图目前有一定的技术壁垒。在表格的处理上,Select选择器实现下拉菜单展示,菜单内容由读取后台表格库显示,展示给用户的表格是已完善好的,用户打开表格后可以直接编辑。在公式处理上,同表格处理相似,弹框时会显示相关公式,填入公式各项参数传入后台,通过后台的Jep(JAVA表达式转化器)将字符串形式的公式,配置对应的参数得到计算结果。但由于公式参数不定,处理时采用循环绑定实现参数自增。

2.3 关键设备选型

在规程编制阶段,设备选型技术的实现能够很好地为平台服务,设备选择不再以人工选择为主,一般通过系统内部专家库抉择,后台模拟人工,实现最优化选择[15]。原理为用户通过输入地质条件参数,查询数据库中的设备库和实例库、规则库,将库建立联系,通过检索相似实例得出设备选型结果[16],当出现多种型号符合结果时,再进行人工抉择。以采煤机选型为例,主要是实现滚筒式采煤机选型,采煤机主要技术参数包括滚筒直径、生产率、截割速度、装机功率等。页面输入参数,包括最大采高、最小采高、平均采高、煤层倾角、煤层硬度、工作面设计生产能力及风流中瓦斯平均浓度等。输入完参数系统进行决策推理,得出匹配度最高结果,若不满意,也可自行根据价格等因素筛选。

3 系统主要功能设计

3.1 规程编制子系统

子系统可细分为新建规程、编辑作业规程、辅助编辑库、设备选型、生成作业规程五个模块。开发技术路线如图3所示。

图3 编制子系统技术路线

(1)新建规程是指建立起作业规程的基本属性信息,包含编辑人、规程名称、编辑时间、开工日期、作业地点等。

(2)编辑作业规程即开始规程具体内容的编纂,按照文章的层次结构划分章节,用户编辑完后保存并生成Word文档。

(3)辅助编辑库是指在编辑过程中所用的库,有图形库、表格库、公式库。

(4)设备选型是指利用案例机、学习机、推理机实现工作面开采设备一体化选型。以液压支架选型为例,①架型确定:液压支架的类型可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式,用户在浏览器上输入老顶(基本顶)来压显现强度级别(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级)和直接顶类别(1类、2类、3类、4类),由系统对其进行后台分析确定。②支护强度计算:采用实测统计法、顶板载荷估算法、老顶来压步距法、放顶煤顶板结构分析法等分析额定支护强度,用户需输入岩石体积力、设计采高等相应方法的参数实现计算。③工作阻力计算:用户输入支架中心距、支撑效率、控顶高度及前边计算的支护强度计算出工作阻力。④结构高度计算:用户输入煤层最小采高、最大采高、考虑周期来压的下沉量、伪顶冒落的最大厚度,按照结构高度公式计算出液压支架的最大高度、最小高度。⑤选型:按照计算出的架型、支护强度、工作阻力、结构高度参数查询数据库液压支架参数表,选择出符合条件的设备型号。⑥择优:若选型结果不满意,可按照其他因素自主选型。

(5)生成作业规程是将各章节Word文档进行整合,合并成一个文档。

3.2 作业规程管理

(1) 任务管理

规程任务管理可以表现为对规程的查询浏览,可通过填入编辑人或者规程编号等模糊信息进行查询,也可以实现规程的增删改以及内容的修改。

(2)审批管理

审批人员进入系统后会看见需审核的作业规程信息,经过审批员的下载后,输入审批意见,实现在线审批和会签。在审批时是由多方部门联合审批,实现快速审核,审批完成后自动转换作业规程状态(审核或未审核)。

(3)规程贯宣

这部分主要是规程学习及考核,当规程制定完成后,可供全矿人员进行学习诵读并对下井人员进行培训考试,考试合格者可下井作业,不合格者再重新进行培训学习。

3.3 系统管理

系统管理包括用户管理、角色管理、系统维护及规程维护。角色管理是对人员角色进行划分,根据角色划分相应的权限,以便后期分配相应可视界面。用户管理能够设置包括用户名、密码、所属角色和所属部门等使用系统用户的信息。角色管理与用户管理二者的实现依赖于权限控制台的引入。系统管理是系统定期数据备份、更新和维护。规程维护下又分为模板、设备、表格、公式维护,隶属管理员权限,例如公式维护是建立相应的公式库,在表格里实现对公式的增删改。

3.4 权限控制台

访问控制技术是保证Web服务组合增值应用安全性和可靠性的关键技术,也是实现保密性、完整性的主要方式[17],煤矿系统的用户复杂多变,角色繁多,想实现不同角色页面不同绝非易事,例如要实现的协同编制,就需要一个部门一个用户编制人员,因此引入此控制台,将完整规程划分为几部分,每一部分都由不同的技术人员编纂,最后经系统将生成的各个文档进行整合。在角色权限及用户管理时集成通用权限控制台,通过接口将二者联系起来,在控制台内主要实现用户管理、应用管理及权限管理等功能,该控制台有权限分配直观、扩展性强、操作便捷等优点。用户管理是对煤矿人员管理,实现用户的增删改查,用户主要可分为管理员、煤矿工人(普通用户)、工程技术员(编辑人员)、各部门审批(审批人员)四类角色;应用管理是对接入的组织机构进行管理,当前为煤矿采煤作业规程编辑与管理系统;权限管理则是根据角色分配权限,角色不同权限不同,角色不同可视页面不同:①编辑人员登录时,主要显示规程编制部分。②审批人员可进入审批模块对各规程填写审批意见审批。③普通人员主要学习规程内容及考核,考核通过则下井作业,④管理员则是会对一系列表格进行维护等。

4 系统实现

4.1 规程编制

新建作业规程界面是规程编制的第一步,主要包含规程的基本信息,如编号、煤矿名称、作业地点、施工队组等。规程编制页面中,左侧展示规程具体章节,右侧展示用户需要填写的内容。以第1章第4节地质构造为例,用户点击该模块后,右侧展示页面,此页面较为简单,主要填写是否含有断层、褶曲及其他因素影响,对矿区地质构造简要阐述,当含有褶曲时,就会弹出包含褶曲详细信息的富文本编辑器,内置表格是在表格模板维护时就已建立,只需完善表格保存即可。规程编制界面如图4所示。

图4 规程编制界面

4.2 设备选型及管理

关键设备选型以液压支架为例介绍,液压支架的选型设计主要是确定支架类型、支护阻力、支护强度和结构高度范围,按照综采采煤工艺进行液压支架的选型设计,图5为液压支架选型界面。

图5 液压支架选型界面

图6 设备管理界面

设备管理以采煤机为例,右边栏会显示已添加好的所有采煤机型号及参数,表格尾部的操作按钮可以实现增删改,此页面的设计是为后期的设备选型铺垫,完善设备库,存储设备参数。此作业规程系统设计包含的所有的管理类页面均如同此页面,不再赘述,设备管理界面如图 6所示。

5 结 论

(1)提出了一种作业规程编制及管理系统设计方案,前端使用Vue框架,后端基于MVC设计模式以及SpringBoot + Mybatis框架,构建规程编制子系统和规程管理子系统。规程编制子系统主要负责规程的编制问题,利用便捷方式实现参数化输入;规程管理子系统主要负责实现规程的审批和学习,并实现对于各种规程的自身管理,使作业规程规范化、标准化。权限控制台的引入实现了采煤作业规程设计的菜单设置和角色管理。

(2)作业规程文档生成及拼接技术阐明在设计过程中如何生成单个作业规程,文字及图表处理技术解决了如何对规程中主要内容进行处理,这两个关键技术并用才使得设计实现。

(3)利用案例机、学习机、推理机实现工作面开采设备一体化选型,建立完备的专家库,通过输入各项参数实现设备选型,为用户编辑规程实现智能化输入提供帮助。