關于煤礦監測監控系統中數據集成的研究

胡孝保

【摘 要】煤礦監測監控系統在煤礦的安全生產中起著舉足輕重的作用，本文就煤礦監控數據集成中數據集成協議、數據集成方式、數據壓縮和數據彌補等問題進行探討并提出相應的解決思路。

【關鍵詞】煤礦；監測監控；數據集成

0.前言

在煤礦安全生產中，裝備礦井安全生產監測監控系統、可視等多功能的網絡管理系統，是提高礦井現代化管理水平，達到安全高效目標而不可或缺的舉措。煤礦監控系統作為礦井信息管理系統的一部分，主要用來監測井下的各類環境參數和工況參數，及時提供安全生產環節中的信息，通過對信息的分析做出安全生產決策，極大的提高了礦井的防災抗災能力。但監測監控中采集的大量的監測數據都沉睡在各個生產系統的主機中，未能發揮數據的應有作用，而即使有系統對其數據作了一定的分析和利用，但也只局限于其系統內部，無法針對全礦的各種數據進行綜合分析和利用。因此，建立開放且一致的數據共享平臺顯得尤為重要，而監控數據的集成則是該平臺的基礎和必要條件。煤礦監控數據集成是將煤礦現有在用的各個監控系統的數據通過一定的技術途徑集成到一個共享平臺（即煤礦監控數據中心）中，將原本分散于各子系統的數據按照標準的數據集成協議經轉換、采集、處理、存儲等多個環節，最后統一集中存儲于公共的基礎數據庫，從而將一個個數據孤島整合成一個煤礦監控數據中心。本文將就煤礦監控數據集成中數據集成協議、數據集成方式、數據壓縮和數據彌補等問題進行探討并提出相應的解決思路。

1.數據集成協議

由于各監控子系統由不同的廠家設計、研發，采用的技術和數據格式不盡相同。顯然，針對不同的系統、不同的廠家開發和設計相應的數據采集程序的方案較為復雜，工作量太大，因此，必須提出數據采集的標準協議，通過讓各監控子系統按標準協議提供數據，數據采集程序才能按照統一的格式采集各系統數據。

協議的制定需要考慮以下幾個方面的問題：

1.1 協議的適用性

協議內容應覆蓋不同系統各種類型的業務數據，確保各系統的所有數據都能集成進來，比如按模擬量、狀態量等分類定義數據描述信息等。目前，市場上采用的協議主要來源于原來安全監測系統的聯網協議，由于當初協議的制定只限于安全監測系統，存在一定的缺陷和遺漏。比如上面提到的適用性問題，原來安全監測系統中開關量只有開停2種狀態，而現在多需要支持故障狀態，變成了3種狀態，這樣，原有的協議就無法滿足要求。事實上，通過對煤礦大多數系統的研究和分析，3種狀態也不能滿足要求，為了使協議適應更廣泛的系統，協議中將開關量修改為狀態量，可以支持多種狀態的描述。

1.2 斷點續傳特性

由于集成的數據來自不同的應用主機，受應用主機穩定性、網絡連接可靠性等因素的影響，數據采集可能存在中斷現象。為保證數據的連續、可靠和準確，協議應支持斷點續傳特性，確保在應用主機或網絡連接恢復后，中斷期間的數據仍然能夠傳輸至煤礦監控數據中心。

目前，多數協議未考慮到斷點續傳問題，一旦發生網絡故障、采集程序故障等問題，就會丟失數據，影響數據的完整性。

1.3 協議的一致性

雖然監控子系統多樣，但采用的數據接入協議應一致，這既簡化了子系統廠家按協議提供數據，又便于煤礦監控數據中心的數據接入。

2.數據的集成方式

對不同的監控子系統所提供的數據集成方式也有所不同，目前常用的數據接入方式主要為OPC方式和文本文件方式。

2.1 OPC方式

OPC協議是開放的工業標準協議，用于不同系統間的數據交換，WinCC、Intouch、IFix等主流工控廠商的組態軟件都提供了標準的OPC數據訪問接口。OPC是基于微軟DCOM技術構建，數據傳輸效率較高，響應速度快，但由于DCOM的缺陷，針對OPCServer端的安全配置較為繁瑣，跨防火墻訪問也存在問題。為解決這些問題，也可以采用一些第三方產品，比如MatrikonOPC Tunneller、OPCDataHub等，可以實現跨防火墻訪問、DCOM零配置等，如圖1所示。

圖1 Matr ikonOPC T unneller 產品示意圖

2.2 文本文件方式

各監控子系統根據約定的數據集成標準協議，生成相應的文本文件，集成方讀取和解析文本文件，將數據采集到煤礦監控數據中心。

文本文件方式的優點在于協議容易理解，各監控子系統廠家容易編寫出相應的數據轉換程序，生成的文本文件可以直接閱讀，便于問題的排除和區分。而其缺點主要是由于通過磁盤文件來交換數據，數據的傳輸效率較差。

3.數據的壓縮

隨著煤礦生產監測系統的不斷完善和增多，產生的監測數據也越來越龐大，如果沒有高效的數據壓縮技術，建立煤礦監控數據中心將比較困難。由于生產過程實時數據都是秒級甚至毫秒級數據，如果采用傳統的直接采集存儲方案，將會占用大量的存儲空間，大大增加存儲成本并極大地影響系統處理效率。生產過程的原始測量數據中包含大量的冗余和不相關信息，在保留過程特征信號的基礎上剔除冗余和不相關信息，就可以實現數據壓縮。數據壓縮的本質是數據變換，它是在壓縮比和信號保真度或逼近誤差之間尋求一種折衷的方法。過程數據壓縮方法基本分為3種，即分段線性方法、矢量量化方法及信號變換法。而分段線性方法又包括矩形波串法、向后斜率法、SDT（Swing Door Trending，旋轉門）法及PLOT法。

由于過程數據大多是緩慢變化的數據，采用分段線性化的方法可以很好地表示歷史數據的變化趨勢，在工業過程中應用最多的是SDT方法，它的突出優點就是算法簡單、執行速度快。國外知名的實時數據庫PI以及部分組態軟件廠家iFix等都基于該算法來進行數據的壓縮處理。

4.數據的彌補

在數據集成的過程中，可能存在各種原因引起數據丟失情況，比如現場傳感器故障、監控子系統主機故障等，為了給數據分析提供完整的數據，需要考慮數據的彌補機制。

彌補的途徑和方法如下：

（1）通過前后關聯傳感器的數據以及數據之間的關聯模型，推算出相應的缺失值。比如工作面瓦斯，可以根據上隅角或回風流瓦斯之間的關聯模型來進行推算，而該數學模型可以通過正常情況下一段時間內的歷史數據，分析和建立兩者之間的數學關系，為數據的彌補提供依據。

（2）通過傳感器過去的值以及相關設備的運行狀態，推算出相應的缺失值。根據缺失數據時間段的設備運行狀態以及其它相關參數，在該數據歷史數據中尋找類似的現場狀況下的數據。比如工作面瓦斯濃度，其影響因素主要有采煤機的開停、風速等，那么類似環境下的歷史數據則可以彌補缺失的瓦斯濃度數據。

5.結語

煤礦井下是一個特殊的工作環境，有易燃、易爆可燃性氣體和煤塵。監控系統作為預防和防止煤礦爆炸等災難性事故起到了不可替代的作用，井下作業人員生命有了更高的安全保障，減少了國家財產和設備的損失。

【參考文獻】

[1]魏洪新.OPC技術在工業控制領域的應用研究[J].河北煤炭，2009（1）：22-23，56.

[2]孫繼平.煤礦安全生產監控系統聯網[J].工礦自動化，2009（10）：4-7.