綜采作業規程編制系統的構建及其關鍵技術

李 偉, 朱海麗

(1.黑龍江科技大學 礦業工程學院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室, 哈爾濱 150022)

0 引 言

在數字化礦山建設過程中,我國礦山企業正逐步向環?；?、信息化、智能化方向轉型,以信息技術支撐新型煤炭行業[1]。煤礦作業規程作為煤礦三大規程之一,是煤礦生產管理過程中的核心環節,是現場生產及施工指導的關鍵依據[2]。作業規程轉為線上編制后仍然暴露出很多問題,有些地區煤礦作業規程編制粗糙,編制不清楚、不規范,內容不夠全面、規程舉措太片面,規程圖表較為凌亂[3],在管理階段不能很好地實現上傳下達,出現問題不能立刻責任到人,且審批時間長,不能真正實現辦公一體化,浪費了大量人力。編制的采煤作業規程不能有效指導現場施工,給煤礦安全、高效地組織生產帶來了困難[4]。通過應用系統可以起到規范編制內容、規范編制過程、規范管理流程、加強煤礦生產安全基礎管理工作的作用,是實現“管理規范化、工作標準化和辦公自動化”很好的技術管理平臺[5],因此,特提出了基于B/S架構前后端分離開發模式的采煤作業規程編制及管理系統設計方案。

1 作業規程編制與管理系統開發

1.1 總體結構

在整體架構設計時,按結構劃分為6層,如圖1所示。

(1)訪問層:煤礦人員以何種方式訪問系統,如PC端瀏覽器。

(2)表示層:供前端煤礦人員使用,用戶訪問系統實現數據獲取和數據輸入等功能。前端用戶輸入規程編輯所需參數,實現編輯以及接收生成的文檔。

(3)接口層:系統中前端與后端進行數據交互的中間層。

(4)Web層:Web服務器,處理請求,返回響應。

(5)服務層:后端業務及系統在運行時的記錄日志及后端所用技術框架。①規程編制子系統:用于專門編輯和修改作業規程,實現作業規程文檔的生成,通過輔助編輯庫實現編輯,借助智能手段實現智能化輸入,并根據煤礦實際條件補充安全措施。②作業規程管理系統:實現規程任務的管理、審批、貫宣,審批人員接收規程提出審批意見,規程執行后全礦人員學習貫徹。③權限控制臺:是對用戶設置必要的用戶資源訪問權,只允許合法用戶訪問且只能訪問被授權資源[6],鑒于煤礦用戶角色分類過多,在規程管理系統實現權限劃分及用戶管理較為復雜,特設計此控制臺進行菜單管理,也為后期實現編輯過程中的協同編輯技術提供幫助。

(6)數據層:后端框架與數據庫MySQL進行數據讀寫等操作。主要包括綜采面關鍵設備數據、規程編輯所需參數、審批管理數據、各種圖形庫表格庫、設備選型規則庫、注冊用戶數據、系統日志等管理數據。

1.2 開發方法

1.2.1 前后端分離開發模式

此設計基于前后端分離開發模式,前端使用Vue.js框架以及Element-UI組件進行界面設計,后端基于MVC 設計模式[7]、SpringBoot + Mybatis 框架實現業務邏輯[8]。實現前后端解耦,前端Nginx服務器負責控制頁面引用、跳轉路由,后端應用服務器Tomcat負責提供數據,加快整體響應速度[9]。其核心思想是前端HTML頁面通過Ajax調用后端的Restuful api接口并使用JSON數據進行交互[10]。

前后端分離會導致跨域問題[11],即阻止一個域的JavaScript界面去訪問另一個域的頁面。針對前后端口不一致引起的跨域問題,使用Nginx反向代理解決[12],搭建Nginx環境,修改配置文件nginx.conf,配置完成后Nginx服務器上所有的域名、協議、端口都是同源的,從根本上解決跨域問題。

1.2.2 軟件開發

前端采用微軟開發的輕量級開發編輯器Visual Studio Code,使用谷歌公司Chrome瀏覽器作為代碼調試工具,后端使用IntelliJ IDEA軟件開發,數據庫選用MySQL AB公司開發的MySQL進行數據持久化,前端頁面設計采用Element-UI組件庫設計。

1.3 功能模塊

將規程編制與管理兩部分化為一整體結構,作業規程編輯及管理系統可分為作業規程管理、審批管理、規程貫宣、系統管理及其他功能五個功能模塊。系統功能如圖2所示。

圖2 系統功能

2 關鍵技術

2.1 作業規程文檔生成及拼接技術

作業規程中最為核心的功能就是將在系統內編寫的作業規程按照標準自動生成文檔,一般是前端Javascript直接操作Word,但這種做法安全性較差[13]。本設計中采用在后臺生成Word文檔,一般是開源框架Apache POI解析操作HTML數據流,但POI的Jar包操作Execl文件技術成熟[14],對于Word文檔有所欠缺,因此,后臺以IO流來實現上傳下載,具體設計方法是,首先,建立作業規程的通用模板,在富文本框編輯器Tinymce填入模板,保存成HTML格式,然后,后臺通過字節輸出流OutputStream寫出數據到文本,在寫出前需先將模板關鍵字符全部替換完成,采用Replace()函數進行循環遍歷替換,最后關閉流即可。在模板設計上,文中采用兩端“+”作為分隔符號(也可以采用其它符號),比如“+回采位置+”形式來填充關鍵字符,方便后期讀寫文件流時可以正確替換。

在實際項目中,在處理較大的文件時,常常將文件拆分為多個子文件進行處理,最后再合并這些子文件。在此設計上,由于需要將各個章節生成的文檔進行合并,使用Java后臺循環實現文檔合并,首先遍歷文件夾下所有的文檔,循環獲取每個文件的OPCPackage對象,使用OPCPackage將每一個文檔打開并且存儲起來,然后將其轉成字符串合并,再將字符串轉換成對應的XWPFDocument對象寫出即可。

2.2 文字及圖表處理技術

作業規程主要包含文字、公式和圖表。頁面設計中組件均來自Element-UI,文字以文本框輸入,長文本輸入需預先初始化該部分內容,關鍵字用*替代,在Input獲得焦點時觸發,用戶可按需修改。用Upload加載圖片,圖片是以地址格式存儲在數據庫上,圖片插入可以來自外部或利用CAD制圖軟件繪圖插入,但CAD軟件與此設計融合實現高精度復雜繪圖目前有一定的技術壁壘。在表格的處理上,Select選擇器實現下拉菜單展示,菜單內容由讀取后臺表格庫顯示,展示給用戶的表格是已完善好的,用戶打開表格后可以直接編輯。在公式處理上,同表格處理相似,彈框時會顯示相關公式,填入公式各項參數傳入后臺,通過后臺的Jep(JAVA表達式轉化器)將字符串形式的公式,配置對應的參數得到計算結果。但由于公式參數不定,處理時采用循環綁定實現參數自增。

2.3 關鍵設備選型

在規程編制階段,設備選型技術的實現能夠很好地為平臺服務,設備選擇不再以人工選擇為主,一般通過系統內部專家庫抉擇,后臺模擬人工,實現最優化選擇[15]。原理為用戶通過輸入地質條件參數,查詢數據庫中的設備庫和實例庫、規則庫,將庫建立聯系,通過檢索相似實例得出設備選型結果[16],當出現多種型號符合結果時,再進行人工抉擇。以采煤機選型為例,主要是實現滾筒式采煤機選型,采煤機主要技術參數包括滾筒直徑、生產率、截割速度、裝機功率等。頁面輸入參數,包括最大采高、最小采高、平均采高、煤層傾角、煤層硬度、工作面設計生產能力及風流中瓦斯平均濃度等。輸入完參數系統進行決策推理,得出匹配度最高結果,若不滿意,也可自行根據價格等因素篩選。

3 系統主要功能設計

3.1 規程編制子系統

子系統可細分為新建規程、編輯作業規程、輔助編輯庫、設備選型、生成作業規程五個模塊。開發技術路線如圖3所示。

圖3 編制子系統技術路線

(1)新建規程是指建立起作業規程的基本屬性信息,包含編輯人、規程名稱、編輯時間、開工日期、作業地點等。

(2)編輯作業規程即開始規程具體內容的編纂,按照文章的層次結構劃分章節,用戶編輯完后保存并生成Word文檔。

(3)輔助編輯庫是指在編輯過程中所用的庫,有圖形庫、表格庫、公式庫。

(4)設備選型是指利用案例機、學習機、推理機實現工作面開采設備一體化選型。以液壓支架選型為例,①架型確定:液壓支架的類型可分為支撐式、掩護式和支撐掩護式,用戶在瀏覽器上輸入老頂(基本頂)來壓顯現強度級別(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級)和直接頂類別(1類、2類、3類、4類),由系統對其進行后臺分析確定。②支護強度計算:采用實測統計法、頂板載荷估算法、老頂來壓步距法、放頂煤頂板結構分析法等分析額定支護強度,用戶需輸入巖石體積力、設計采高等相應方法的參數實現計算。③工作阻力計算:用戶輸入支架中心距、支撐效率、控頂高度及前邊計算的支護強度計算出工作阻力。④結構高度計算:用戶輸入煤層最小采高、最大采高、考慮周期來壓的下沉量、偽頂冒落的最大厚度,按照結構高度公式計算出液壓支架的最大高度、最小高度。⑤選型:按照計算出的架型、支護強度、工作阻力、結構高度參數查詢數據庫液壓支架參數表,選擇出符合條件的設備型號。⑥擇優:若選型結果不滿意,可按照其他因素自主選型。

(5)生成作業規程是將各章節Word文檔進行整合,合并成一個文檔。

3.2 作業規程管理

(1) 任務管理

規程任務管理可以表現為對規程的查詢瀏覽,可通過填入編輯人或者規程編號等模糊信息進行查詢,也可以實現規程的增刪改以及內容的修改。

(2)審批管理

審批人員進入系統后會看見需審核的作業規程信息,經過審批員的下載后,輸入審批意見,實現在線審批和會簽。在審批時是由多方部門聯合審批,實現快速審核,審批完成后自動轉換作業規程狀態(審核或未審核)。

(3)規程貫宣

這部分主要是規程學習及考核,當規程制定完成后,可供全礦人員進行學習誦讀并對下井人員進行培訓考試,考試合格者可下井作業,不合格者再重新進行培訓學習。

3.3 系統管理

系統管理包括用戶管理、角色管理、系統維護及規程維護。角色管理是對人員角色進行劃分,根據角色劃分相應的權限,以便后期分配相應可視界面。用戶管理能夠設置包括用戶名、密碼、所屬角色和所屬部門等使用系統用戶的信息。角色管理與用戶管理二者的實現依賴于權限控制臺的引入。系統管理是系統定期數據備份、更新和維護。規程維護下又分為模板、設備、表格、公式維護,隸屬管理員權限,例如公式維護是建立相應的公式庫,在表格里實現對公式的增刪改。

3.4 權限控制臺

訪問控制技術是保證Web服務組合增值應用安全性和可靠性的關鍵技術,也是實現保密性、完整性的主要方式[17],煤礦系統的用戶復雜多變,角色繁多,想實現不同角色頁面不同絕非易事,例如要實現的協同編制,就需要一個部門一個用戶編制人員,因此引入此控制臺,將完整規程劃分為幾部分,每一部分都由不同的技術人員編纂,最后經系統將生成的各個文檔進行整合。在角色權限及用戶管理時集成通用權限控制臺,通過接口將二者聯系起來,在控制臺內主要實現用戶管理、應用管理及權限管理等功能,該控制臺有權限分配直觀、擴展性強、操作便捷等優點。用戶管理是對煤礦人員管理,實現用戶的增刪改查,用戶主要可分為管理員、煤礦工人(普通用戶)、工程技術員(編輯人員)、各部門審批(審批人員)四類角色;應用管理是對接入的組織機構進行管理,當前為煤礦采煤作業規程編輯與管理系統;權限管理則是根據角色分配權限,角色不同權限不同,角色不同可視頁面不同:①編輯人員登錄時,主要顯示規程編制部分。②審批人員可進入審批模塊對各規程填寫審批意見審批。③普通人員主要學習規程內容及考核,考核通過則下井作業,④管理員則是會對一系列表格進行維護等。

4 系統實現

4.1 規程編制

新建作業規程界面是規程編制的第一步,主要包含規程的基本信息,如編號、煤礦名稱、作業地點、施工隊組等。規程編制頁面中,左側展示規程具體章節,右側展示用戶需要填寫的內容。以第1章第4節地質構造為例,用戶點擊該模塊后,右側展示頁面,此頁面較為簡單,主要填寫是否含有斷層、褶曲及其他因素影響,對礦區地質構造簡要闡述,當含有褶曲時,就會彈出包含褶曲詳細信息的富文本編輯器,內置表格是在表格模板維護時就已建立,只需完善表格保存即可。規程編制界面如圖4所示。

圖4 規程編制界面

4.2 設備選型及管理

關鍵設備選型以液壓支架為例介紹,液壓支架的選型設計主要是確定支架類型、支護阻力、支護強度和結構高度范圍,按照綜采采煤工藝進行液壓支架的選型設計,圖5為液壓支架選型界面。

圖5 液壓支架選型界面

圖6 設備管理界面

設備管理以采煤機為例,右邊欄會顯示已添加好的所有采煤機型號及參數,表格尾部的操作按鈕可以實現增刪改,此頁面的設計是為后期的設備選型鋪墊,完善設備庫,存儲設備參數。此作業規程系統設計包含的所有的管理類頁面均如同此頁面,不再贅述,設備管理界面如圖 6所示。

5 結 論

(1)提出了一種作業規程編制及管理系統設計方案,前端使用Vue框架,后端基于MVC設計模式以及SpringBoot + Mybatis框架,構建規程編制子系統和規程管理子系統。規程編制子系統主要負責規程的編制問題,利用便捷方式實現參數化輸入;規程管理子系統主要負責實現規程的審批和學習,并實現對于各種規程的自身管理,使作業規程規范化、標準化。權限控制臺的引入實現了采煤作業規程設計的菜單設置和角色管理。

(2)作業規程文檔生成及拼接技術闡明在設計過程中如何生成單個作業規程,文字及圖表處理技術解決了如何對規程中主要內容進行處理,這兩個關鍵技術并用才使得設計實現。

(3)利用案例機、學習機、推理機實現工作面開采設備一體化選型,建立完備的專家庫,通過輸入各項參數實現設備選型,為用戶編輯規程實現智能化輸入提供幫助。