智慧矿山安全生产管理系统设计

王雪妮，韩国锋

(1.杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100；2.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

我国煤炭资源储量十分丰富，截止至2019年，我国已探明煤炭储量达到1 145亿t，位居世界第3，占全球已探明储量的11%。在我国工业化发展进程不断加速的大背景下，国内工业生产对于煤炭资源的需求量也越来越大，全球煤炭产品市场约有35%的供给来自中国，因此国内煤炭的开发需求也相对较大[1-5]。然而，国内煤炭开采仍然普遍存在机械化水平偏低、信息化程度不足等方面的问题，无论是生产还是管理都过于依赖人工，安全管理措施不够规范，致使开采事故频发。为了进一步加强煤炭安全生产管理，国家煤矿安全监察局于2015年12月22日颁布了《煤矿安全规程》，对煤矿信息在安全生产管理方面的信息化水平提出了较为明确的要求，根据《煤矿安全规程》第489条的内容“安全监控和人员位置监测系统显示和控制终端、有线调度通信系统调度台必须设置在矿调度室，全面反映监控信息。矿调度室必须24 h有监控人员值班”。可见国家监管部门对于矿山开发的安全管理信息化建设工作给予了高度重视。因此，新形势下的采矿企业应当紧紧抓住当前我国信息化技术快速发展的历史机遇，将矿山安全管理信息数字化、网络化，提高智慧矿山的建设水平，为现场工作人员的施工安全提供更加充分的保障，坚决落实安全生产。

1 总体结构

1.1 系统总体架构设计

研究所设计的智慧矿山安全生产管理系统通过设置于矿井侧的各种传感器来采集数据，通过工业以太环网实现传感器与计算机之间的数据交互，利用计算机中的软件程序来转换并处理数据。智慧矿山安全生产管理系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体框架结构

智慧矿山安全生产管理系统主要由应用层、网络层和硬件层3部分组成。①硬件层指的是用于系统数据采集的各种硬件设备，比如视频监控设备、控制器设备以及用于温度检测或气体检测的各种传感器设备；②网络层指的是用来连接硬件层和应用层的数据传输装置，通过网络通信技术将硬件层所采集到的数据上传至Web服务器或应用层计算机设备并对数据进行处理。在《煤矿安全规程》的强制要求下，当前我国绝大多数矿井施工区域设置有工业以太环网，可实现1 000 MB以上的数据传输速率，可以满足该系统在数据传输方面的需求，智慧矿山安全生产管理系统无需再对网络层进行组织与设计；③应用层指的是对系统数据进行转换与处理的核心机构，该层次中的PC计算机、微型计算机以及Web服务器中均封装有负责不同数据处理项目的应用程序，可以将来自传感器的模拟信号转换为数字信号并加以计算，进而生成可供现场管理人员目测分析的文本、图像以及视频资料。

1.2 系统软件结构设计

研究出于系统可维护性和可扩展性2个方面的考虑，决定采用分层的体系架构建立智慧矿山安全生产管理系统，决定基于B/S架构对系统实施开发与设计[6-10]。在软件层面将智慧矿山安全生产管理系统划分为表示层、业务逻辑层和表示层数据访问层3个主要层次：①表示层指的是系统数据与业务的输出窗口，负责通过PC浏览器展示系统功能界面，实现该系统与操作者之间的信息交互；②业务逻辑层负责处理来自表示层的据请求，并从数据库中提取数据并加以分析，再将分析结果反馈给表示层；③数据访问层主要负责建立业务逻辑层与数据库之间的关联，整体系统的软件结构如图2所示。

图2 系统软件结构

智慧矿山安全生产管理系统表示层中的终端客户端程序采用HTML、JS、JSP等语言进行编写，控制层和业务逻辑层基于Java EE架构进行设计，数据访问层基于Hibernate对数据库数据进行管理，数据库则采用Oracle小型数据库。

2 系统功能设计

研究所设计的智慧矿山安全生产管理系统在功能层面由环境监控子系统、人员定位子系统、设备管理子系统、系统管理子系统4个模块组成，具体功能模块结构如图3所示。

图3 智慧矿山安全生产管理系统各功能模块结构

2.1 环境监控子系统的构成

以环境监控子系统为例，该子系统由数据查询分析、报警阈值设置、报警信息管理、传感器远程控制、传感器运行管理5个功能模块所组成，各模块的具体功能如下。

(1)数据查询分析。环境监控子系统下的数据查询分析功能具体涉及环境报警查询、抽放查询、开关量查询、模拟量查询等不同类型。模拟量查询又涉及模拟量统计、模拟量密采、模拟量日/月查询、模拟量断电、模拟量报警等功能。所涉及的开关量主要包括开关量日/月查询、开关量断电、开关量报警等。抽放查询主要负责抽放数据的查询，可按时间、设备类型、分站等基础信息进行查询；环境报警查询可按时间、监控指标、分站等基础信息进行查询。数据查询分析能够帮助用户通过一个或多个查询条件来获取矿山运维相关的历史数据，为矿山施工的安全管理提供数据指导。

(2)报警阈值设置。智慧矿山安全管理系统中设置有大量不同种类的传感器装置，当现场各环境参数达到一定数值的情况下，系统会自动发出警报。该系统中的报警阈值设置功能可以帮助管理者根据安全管理工作的具体需求为各个传感器装置设置报警阈值，并对报警阈值进行编辑、添加、删除等操作。

(3)报警信息管理。该功能具体涉及报警级别设置以及相应的管理功能，该功能模块下的页面会展示出系统内所有的报警信息，可以提供报警历史查询、报警处理以及详情查看等服务。用户点击“报警处理”按钮即可弹出“处理单”内容，无法实施在线处理的报警项目则会自动弹出“故障单”内容。在报警级别设置中，用户可以根据报警项目的轻重来设定级别以及相应的处理方式，系统支持界面弹出、声音报警以及短信报警等多种报警方式。

(4)传感器远程控制。该功能可以帮助用户在线调整传感器设备运行参数，并将调整结果上传至各传感器所在的网络节点，进而设置或更改传感器参数，进而实现对于传感器的远程控制，比如控制命令重发、下发结果查看以及控制命令下发等。

(5)传感器运行管理。该功能负责在线监控传感器设备当前的运行状态，获取传感器运行参数，对于无法上传数据的传感器则仅向系统上报其网络状态，即判断传感器是否在线，可实现传感器运行状态的在线查询和运行状态查询等。

2.2 查询分析模块的静态模型设计

本次研究通过类图描述的方式来对数据查询分析模块的静态模型进行设计，阐述该功能模块中各类以及接口之间的关系。由于数据查询分析模块功能较为复杂，因此仅以警阈值功能为例来阐述设计方案。

本次研究所设计的智慧矿山安全管理系统中报警阈值功能主要涉及传感器阈值信息的编辑、添加以及删除功能。在功能类图设计方案以AlarmThresholdMgrAction定义为总控制类，于表示层定义AlarmThresholdAction类，具体包括delAlarmThresholdInfo()删除方法、modifyAlarmThresholdInfo()编辑方法以及addAlarmThresholdInfo()添加方法，在系统界面中将queryAlarmThresholdInfo()定义为报警阈值信息的查询方法。在数据库操作方法方面，将在数据访问层中定义AlarmThresholdDao类，将报警阈值实体对象定义为AlarmThresholdBean类，基于Hibernate框架下的配置文件建立数据库中的报警阈值和实体对象之间的映射关系，在实际操作过程中，用户通过AlarmThresholdBean类就可以实现对于数据库的操作，完整的类图设计方案如图4所示。

图4 报警阈值功能

2.3 查询分析模块的动态模型设计

仍然以报警阈值功能为例，用户进入报警阈值功能界面后手动输入报警阈值信息，激活表示层中的addAlarmThresholdInfo()类获取用户所输入的数据，同时检验该数据的有效性，经由接口将数据传输给业务逻辑层，由该层的addAlarmThresholdInfo()逻辑方法对数据进行处理并将经过处理的数据传输给数据访问层，通过该层中insertAlarmThresholdInfo()方法操作实体类AlarmThresholdBean 中所建立的映射关系，在数据库表中插入报警阈值信息，通过returnAlarmThresholdInfo()返回添加结果，最后通过表示层中的showAlarmThresholdInfo()将添加结果展示出来，数据查询分析模块的动态模型设计如图5所示。

图5 数据查询分析模块动态模型

3 数据库设计

研究所设计的智慧矿山安全生产管理系统设置有大量传感器，在运行过程中会生产大量数据需要数据库加以存储与管理。这些数据有助于管理人员组织施工现场的安全生产，也有助于工程师实时观测现场状况，为确保传感器数据能够及时响应命令，应当重点做好系统数据库设计工作，智慧矿山安全生产管理系统所使用的数据库硬件型号为Oracle 11g，负责对系统数据进行管理与存储。

(1)操作员信息表。该表负责管理操作员基本信息，以角色编号roleID、部门编号deptID为外键，以操作员编号opID为主键，具体设计方案见表1。

表1 操作员信息

(2)环境监控预警阈值信息表。该表负责管理环境监控预警阈值信息，以报警模板编号atID为外键，以记录编号ewtID为主键，具体设计方案见表2。

表2 环境监控预警阈值信息

(3)短信报警模板信息表。负责管理短信报警信息，以模板编号atID为主键(表3)。

表3 短信报警模板信息

(4)CO采集数据信息表。负责管理来自传感器的CO数据，以测点号mID为外键，以记录编号coID为主键(表4)。

表4 CO采集数据信息

(5)设备故障信息表。负责管理设备故障信息，以设备故障处理单编号efhID、设备编号eID为外键，以设备故障单编号eflID为主键(表5)。

表5 设备故障信息

4 系统功能实现

研究所设计的智慧矿山安全生产管理系统基于Java EE架构进行开发(图6),并通过该平台下的MyEclipse工具来进行软件开发。

图6 数据查询分析界面显示效果

该软件开发工具不仅可以实现代码的编写、发布、调写等功能，同时还完美支持Hibernate、Spring、Struts、HTML、CSS、JSP等其他系统开发工具。开发环境：操作系统为Windows Server 2019 NT10.0；数据库管理系统Oracle 11g；开发语言为Java；软件开发平台为MyEclipse 2020.9.16/CodeMix3；其他工具：Photoshop CC 2019、Tomcat 8、Java 1.8等。以环境监控子系统中的数据查询模块为例，该模块可提供模拟量统计、模拟量密采、模拟量日/月查询、模拟量馈电异常、模拟量断电、模拟量报警等功能。该功能模块下的主界面中部显示各测点号监测实时数值，左侧显示功能导航树型菜单，右侧显示各分站实时状态。

5 结语

此次研究建立了一套以Java EE为主要架构的智慧矿山安全生产管理系统，并详细介绍了该系统的软、硬件结构与数据库设计方案。根据《煤矿安全规程》的具体要求，提出了该系统的功能结构方案。根据Windows Server 2019 NT10.0下的实际操作显示结果，研究所设计的智慧矿山安全生产管理系统思路明晰且数据显示完整，对于矿山施工现场的安全管理工作具有一定的辅助作用。