0 引言

各大煤矿已经建立了六大保障系统，在安全生产、救援指挥等方面发挥了重要作用，但监控系统传感器数量有限，无法实现大样本数据感知；各类监控系统相对独立，传感设备之间没有共用，未实现数据共享和系统融合，无法实现紧急情况下的应急联动，对煤矿安全预警形成了制约。

国家在《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中对监控系统多系统融合提出了明确要求:一方面要促进安全监控新技术和装备的推广应用；另一方面要促进安全监控多元数据融合和信息共享，实现紧急情况下的应急联动，提高煤矿安全预警、预报水平[1-3]。国内相关研究院所相继在新升级的安全监控系统中对系统融合和应急联动进行了研究，并制定了2种融合方案:一种是研制煤矿井下融合分站或“一网一站”，在分站接口和通信链路上进行融合，使不同类型和不同接口的传感设备统一接入融合分站，进而通过以太网络与各自的监控主机通信[4-7]；另一种是研制地面计算机软件平台来实现融合。实际的软件融合应用中，有些融合软件平台是独立开发的，通过对相关监控系统、人员定位数据进行采集并建立关联规则，实现融合及与应急广播系统联动；有些融合软件平台是在监控系统软件中实现的，通过制定第三方融合协议，将人员定位系统数据、应急广播系统进行关联，进而实现融合与联动[8-10]。

实际上，在用的基于井下融合分站或“一网一站”的方案主要是研制一套综合分站，并将其当作数据中转机构。综合分站包含了不同类型系统的数据采集处理模块，在简化分站部署和布线、数据共网传输方面起到了一定作用，但数据采集处理还是相对独立的。在用的基于地面计算机融合软件平台的方案本质是在原监控系统软件基础上另外开发融合软件平台，通过制定规则对不同系统的数据进行二次集成。上述2种融合方案在技术途径上均缺乏统一考虑，没有真正意义上实现一体化融合。本文将重点介绍基于物联网的可融合性煤矿监控系统的设计方案及关键技术。

1 可融合性煤矿监控系统需要解决的问题

(1) 原始数据共享，即传感设备要实现网络化分布式监测与控制，采集的原始数据要能够被需要使用数据的各类系统所使用。目前，几乎所有煤矿监控系统的传感设备仍束缚在子系统中，只能为本监控系统独立使用，不对其他系统开放。若需要使用相同作业地点同一类型的传感设备数据，每类系统均需要单独再部署一套相同的传感设备，相应的线缆、供电设施也需要重新部署，增加了系统使用和维护成本，很大程度上限制了物与物相联。

(2) 作业现场传感设备数据即时交互、共享利用，即传感设备或数据采集装置本身需要具有数字化、智能化能力，除了可以将采集数据提供给本系统主机外，还需要具备与其他传感设备或数据采集装置实时交互数据的能力。如井下作业区域的安全程度是由多种环境因素决定的，目前的做法是将与作业区域相关的环境因素在地面进行集成，并通过建立数学模型进行关联分析，得出该作业区域的安全程度，并根据实际需要或安全规程要求采取必要措施(如报警或断电操作)，缺点是执行周期长，且当主干网络或监控主机发生故障时执行命令得不到保障。

(3) 各类监控系统产生的数据在应用层面应实现共享，可被其他监控系统识别。目前，在数据应用方面，由于传感设备采集的数据分别属于不同系统，且在数据识别、数据属性、位置信息、数据存储和数据表现方式等方面存在较大差别，难以实现融合。通常的解决方案是建立软件集成平台，通过制定数据描述和采集规范，将各类监控系统的数据按照相关规范进行转换，然后进行二次集成。通过长期应用，发现该方案的缺点是数据经过转换后在时间上有滞后，转换程序异常会导致软件集成平台不能正常使用，存储的数据与原系统数据不一致，图形展示平台需要重复绘制、配置，给监控系统日常运维带来不便。

2 基于物联网的可融合性煤矿监控系统设计方案

煤矿日常安全生产管理主要涉及人、机、环三大类对象。根据煤矿监控系统多系统融合要求，需要实现井下有线和无线传输网络有机融合；鼓励新安装的监控系统采用井下融合方式，且在地面计算机软件平台上必须实现环境监测、人员定位、应急广播3个系统的融合，宜实现供电监控、视频监测、设备监测、车辆监测等系统的融合。对于监控系统，数据融合只是最基本环节，更重要的是要实现各类数据关联分析利用，并在必要时以监控系统为触发器，实现与人员定位、应急广播、视频监测、供电监控等系统的联动控制。

物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，其利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联、计算、处理，实现人与物、物与物之间的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。在监控系统数据融合过程中，物联网技术应用贯穿煤矿井上下。首先，在煤矿井下需要实现有线、无线网络有机融合，进而实现井下网络全覆盖，保证井下各类系统的末端感知节点能够实现互联；其次，所有感知节点应为数字智能型，需要有统一、唯一的识别码，并能遵守统一的数据交互规范，保证感知节点的数据可以通过采集装置被各类系统识别，同时，感知节点之间可通过采集装置实现互联互通；最后，感知信息传输到地面计算机后也需要实现数据共享,保证数据可根据需要被其他系统识别、利用,从而发挥大数据融合作用。通过物联网技术在3个层面的应用，充分发挥有线/无线、智能传感、数据规范化识别与交互、大数据分析等技术在监控系统融合过程中的作用。根据上述要求，结合《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中对监控系统多系统融合的要求，设计基于物联网的可融合性煤矿监控系统结构，如图1所示。系统井下部分主要由有线/无线网络、各类数字智能感知节点、执行机构、报警装置、无线感知节点、IP广播终端、融合分站、多业务融合网关等组成；地面部分主要包括系统软件融合主机。

图1 基于物联网的可融合性煤矿监控系统结构
Fig.1 Structure of coal mine fusion monitoring system based on Internet of things

2.1 井下数据融合

监控系统井下数据融合业务主要依托有线/无线网络、数字智能感知节点、融合分站、多业务融合网关、IP广播终端等，保证地面系统软件融合主机发生故障时能够正常运行，如图2所示。

图2 井下数据融合
Fig.2 Underground data fusion

所有底层感知节点、无线接收器、报警装置、执行机构进行统一编码，具有统一的标识方法，可供其他子系统识别，通过现场总线接入融合分站。无线感知节点通过无线网关，经现场总线接入融合分站。融合分站作为区域数据融合装置，为环境监测、人员定位、车辆位置监测、供电监控、设备监测等业务子系统提供相对独立的数据采集传输通道和业务处理单元，独立处理各业务子系统的业务逻辑，执行相应的控制指令。融合分站具有融合业务引擎功能，能够通过内置服务接口实时获取各业务子系统的数据驱动指令，将各类数据进行融合，通过接收地面系统软件融合主机上的多系统融合软件平台提供的融合业务或应急联动规则，将融合后的实时数据按需分发给对应的业务子系统，从而实现各业务子系统之间的数据交互与融合，在必要时执行相应的联动控制指令。对于IP广播，由于预先存储适量预案，融合业务引擎可根据相关规则来驱动区域内IP广播终端相应的预案播报。

由于融合分站只能作为局部区域的数据融合装置，无法满足跨区域业务子系统数据融合需求，所以井下还需设置多业务融合网关。该网关在煤矿井下作为边缘计算节点，可以融入多种边缘计算模型，用来调度、协调、联动相关作业区域的多台融合分站及相应的智能感知节点、执行机构、报警装置、IP广播终端，使得煤矿井下更大范围内的末端感知节点或执行机构之间可实现数据或指令的互联互通，并能与IP广播实现联动。

2.2 地面数据融合

煤矿井下利用物联网技术,通过融合分站和多业务融合网关实现多个业务子系统的数据融合和数据交互、联动控制，保证井下系统运行的独立性。为实现完整可融合性监控系统，还需要在地面对数据进行深层次融合，进而实现对各类数据的分类存储、分析挖掘、综合利用和一体化展示，并为智慧矿山提供统一、一致的数据源支撑。

要在地面软件层面上实现一体化的多业务系统数据融合，首先要从统一架构、统一技术体系方面着手解决问题，彻底改变以前各业务子系统采用不同技术体系、“烟囱式”的系统软件开发模式，从底层开始保持架构和技术的一致性。为了保证各业务子系统既可独立运行，也可融合在一起运行，需要按照微服务架构来设计软件平台架构，支持独立部署和分布式部署，同时把各业务子系统的功能拆分成较细粒度的模块化组件，根据需要融合到软件平台架构中，在保持架构一致性基础上增强软件平台的可伸缩性。多系统融合软件平台架构主要包括协议解析(通信接入)层、应用服务层、数据发布层、人机交互层4个部分，如图3所示。

图3 多系统融合软件平台架构
Fig.3 Frame of multi-system fusion software platform

协议解析层主要通过以太网或RS485总线将不同的业务子系统传感设备接入多系统融合软件平台，并按照协议格式进行解析，按照系统编码转换成通用的数据结构，包括数据区和命令区。协议解析方式为协议驱动加载，第三方业务子系统只需将自己的数据协议解析封装成DLL(Dynamic Link Library,动态链接库)，输出标准的数据格式，即可通过驱动方式加载到多系统融合软件平台，进一步增强了软件数据采集的开放性。该平台同时支持OPC、Modbus等开放性协议的接入。

应用服务层主要负责按照业务逻辑对采集到的原始数据进行处理，并将处理后的业务数据，如环境监测数据、设备开停状态数据、设备故障/报警数据、人员/车辆位置数据、电源状态数据等放入业务数据服务区。这些数据通过订阅发布管理模块对外统一发布。应用服务包括公共服务处理和专用服务处理，针对监控类软件的共性业务(如离散数据处理、移动轨迹数据处理、设备故障/报警处理、电源管理等)提炼出公共服务处理模块，并针对人员/车辆定位等需要特殊处理的业务(如考勤管理、车辆上/下行识别等)设置专用服务处理模块，使得系统的业务处理进一步简化和高度融合化。结合融合配置要求，经过业务融合处理后形成的控制指令或通过APP发送的控制指令汇聚到指令数据区，按照优先级下发给现场设备，从而实现联动控制。

数据发布层根据系统融合复杂程度选用不同的发布方式。当只有单一系统时可选用专用接口，提高数据发布效率。内部接口可使用WCF技术，移动端接口可使用Web API(Application Programming Interface,应用程序编程接口)技术。当有多个业务子系统进行融合时，可选用消息总线方式进行数据发布，所有业务子系统将其数据接口通过企业服务总线进行注册，而多系统融合软件平台需要使用数据时，可通过查询服务管理查找需要的数据服务接口，从而快速实现多业务子系统数据融合。

人机交互层即人机界面，作为统一的Portal需要支持多业务子系统融合和单业务子系统独立部署，对于业务子系统融合数据可以桌面(Winform)、Web和移动APP的方式展示，展示手段包括GIS(矢量)“一张图”、报表、表格等，以适应不同查看需求。人机交互层还负责设置井下作业区域的各类报警联动规则，并将其下发到相应的井下融合分站和多业务融合网关。

在多系统融合软件平台中还需要提供基础设施和通用组件。这些组件属于共性的，对于每个业务子系统都适用，有助于提高融合软件平台的一致性。

2.3 多业务子系统之间联动

多业务子系统融合的主要目的是在必要时实现多业务子系统相互之间联动报警与控制，按照《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》要求，在瓦斯超限、断电等需立即撤人等紧急情况下，安全监控系统需要自动与应急广播、通信、人员定位等系统进行联动。为了保证地面系统软件融合主机在网络故障或自身故障时能够正常工作，需要将各业务子系统之间的联动规则通过地面系统软件融合主机设置后下发到井下融合分站和多业务融合网关中，实现局部区域或更大范围内的报警联动。由井下融合分站和多业务融合网关保存每次联动报警记录，并在网络正常时及时传输到地面系统软件融合主机。

3 可融合性煤矿监控系统关键技术

3.1 主数据技术

主数据是指企业内各类系统间需要共享的数据，其将系统间最核心、最需要共享、最需要被各系统重复使用的数据进行统一构建，并以服务方式提供给需要使用数据的各类系统，保证数据在各系统之间的准确一致性[11-12]。主数据反映了对象的基础特征，包含不易变化、长期共享的全局型数据，以及动态变化、定期共享的全局型数据。

可融合性煤矿监控系统涉及的系统较多，包括安全监控系统、人员定位系统、电力监控系统、车辆监测系统、设备监测系统等。相同的对象属性(包括传感器的单位、传感器唯一识别码、传感器实时监测值与状态、人员所在部门、人员及车辆时空位置、设备安装地点、人员作业区域、用户权限等)可能会在不同系统中同时应用，在非融合性监控系统中，因各系统是异构系统，对于相同的对象属性会有不一致描述，且数据信息不够全面，在融合时需要重新翻译、补充。在可融合性监控系统中，必须对这些需要在各系统中共享的数据进行统一管理，在数据集中集中建立、集中维护，而每个系统只需要选择使用即可，无需单独建立。在系统数据集中只需将主数据与相关数据建立起关联关系，即可保证信息的一致性。

3.2 消息服务总线技术

消息服务总线是一种通信工具，用于构建基于面向服务架构(Service-Oriented Architecture, SOA)解决方案时的基础架构关键部分，可以在异构环境中交互消息与服务等，实现跨应用程序间的消息传递，且能够对总线范畴内相关服务进行注册命名和寻址、监控管理，确保通过消息服务总线连接的业务子系统之间的消息准确交付[13-15]。

监控类业务子系统可以运行在1台计算机上，也可以分布式运行在多台计算机上，由于均采用SOA，所以只需将处理好的数据通过接口发布即可。通过消息服务总线，各业务子系统将各自需要发布的数据或需要接收的指令通过接口注册到消息服务总线上，由消息服务总线进行统一监控和管理。多系统融合软件平台通过查找总线上的接口，获取各业务子系统的数据或将指令传递给业务子系统，从而实现监控类业务子系统一体化数据融合。

3.3 “一张图”模式展示技术

目前，不同厂家或同一厂家不同研发团队研发的监控系统软件在图形展示方面采用的技术不同，导致用户需要对各类监控系统软件的图形进行维护，大大增加了用户的维护工作量，而“一张图”模式能够有效解决这一难点。

“一张图”概念来自国土资源领域。针对数字化煤矿研究中存在的图形一致性难点，行业学者做了大量研究，并取得了良好的应用效果。目前已实现将地质、测量、通风、采掘、生产动态等多源数据融合，在此基础上集成环境、工况、人员等动态监控数据，并能够使各类数据之间产生关联[16-18]。

由于GIS专业性较强，数据量大，成本高，且有成功的应用案例，本文主要研究轻量级矢量化“一张图”。该图可以毫无损失地转换煤矿现有CAD图，后期可在此基础上进行动态维护，保持“底图”的一致性。在图形编辑模式下，可先无损导入CAD图形，并在图形基础上将各类监控对象拖拽到“底图”相应位置，后台服务根据需要将不同类型业务子系统的对象绑定到不同图层，实现对象编码、系统编号、坐标等信息的统一管理；在图形监控模式下，通过从数据发布层实时获取数据和状态，对相关对象的状态进行实时更新，从而实现多系统数据在“一张图”上的融合。

4 结语

分析了煤矿多系统融合现状和可融合性监控系统需要解决的问题，介绍了一种基于物联网的可融合性煤矿监控系统设计方案。通过在井下和地面分别对各类业务子系统数据进行融合，既保证了井下融合系统运行的独立性,又能够在地面对各类业务子系统数据进行分类存储、分析挖掘和综合利用，还能为智慧矿山提供统一、一致的数据源支撑，从而实现监控系统一体化融合与应急联动。

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