智慧煤矿信息实体构建方法与综采输送设备监测系统设计

赵国瑞

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

我国煤炭开采已经基本实现了机械化，现在正逐步将现代机械、自动控制、人工智能、大数据、地理信息系统等与矿山开发技术相融合，构建数字化矿山并研究智能化开采模式，已成为当前研究的热点和未来发展趋势。

信息获取作为智能化开采的重要基础和决策依据日益受到重视，然而煤矿井下数据类型繁多，一方面有些数据仍缺乏有效的传感手段，另一方面，已采集的数据也缺乏统一调配的标准和规范，信息互联互通存在障碍且调用效率低下，大数据分析无从谈起。以综采面输送设备(刮板输送机、转载机和破碎机)为例，目前采集的各类数据近百个，其数据类型、大小、采集频率、采集时间、附属对象千差万别，若数据“各自为战”、独立运用，一是浪费大量的计算资源，二是降低监控效率影像生产安全，三是难以充分挖掘数据的价值，难以对设备进行整体健康评价与维护，从而降低生产效率，提高维护成本。为此提出通过属性关联的方式构建关键“信息实体”，通过信息实体建立虚拟监控平台与实际设备和环境的虚实映射机制，通过关联推送的方式解决数据利用效率低和价值挖掘不充分的难题，并由此初步搭建了远程虚实映射监控系统。

1 信息实体构建与虚实映射方法

1.1 信息实体构建方法

所谓“信息实体”是根据目的需求将相关信息特征作为属性关联后构建的操作对象，其既可以是具体物理对象，也可以是功能对象或事件对象。信息实体所需的信息经特征提取后作为附属特征关联至信息实体的关联子集，关联子集通过初始数据分析构建，并可以通过关联度(更新因子)的动态计算进行更新。信息实体的构建方法如图1所示。

图1 信息实体构建方法

1.2 信息实体更新机制

信息实体构建后的更新主要依赖于两个方面：①控制、监测或故障诊断等的直接需求(显性需求)，将具有共同对象的特征归入一个子集，更新信息实体属性；②通过数据挖掘的方法进行隐性需求分析与挖掘，分析需求者偏好特征，对需求内容进行匹配和推送，然后计算信息与信息实体的关联度，根据计算结果确定是否更新现有信息实体数据库。信息实体匹配机制如图2所示。

图2 信息实体匹配机制

1.3 基于信息实体的虚实映射方法

基于信息实体的虚实映射主要通过数字孪生技术实现，信息实体在映射过程中起到了高速纽带的作用，区别与以往虚拟模型逐个调用数据并推理预测开采行为的方法，信息实体集合的是具有特定关联关系的特征集，并且从时间维度看已完成了时间维度的信息“切片”，因此基于信息实体的虚实映射方法更有利于物理世界和虚拟世界建立更加全面、精准和实时的连接，更有利于虚拟模型实时的推演和预测，也更有利于实现多智能体的协同。基于信息实体的虚实映射方法如图3所示。

图3 基于信息实体的虚实映射方法

2 综采输送设备虚实映射监测系统设计

2.1 综采输送设备远程监测系统分析

煤矿工作面输送设备远程监测系统(如图4所示)由三部分组成：井下综合监控系统、调度室监测平台和远程监测中心。井下综合监控系统实现在顺槽内就能够监测设备运行工况参数，并且能够配合矿方指定的工作面信息化系统集成商将工况参数上传至地面。调度室监测平台在整个系统中承上启下的关键作用，一方面，接受井下上传的数据，另一方面，将接收到的数据转发至监测中心。远程监测中心通过GPRS或互联网接收调度室传来的数据，实现存储、分析、web发布等功能。

图4 综采输送设备远程在线监测系统

2.2 综采输送设备信息实体构建

根据监测系统初始运行状态构建综采输送设备初始信息实体如下：

InforE={类型，参数1，参数2，…参数n}

每一信息实体对应一个数据条，不同时间切片的数据条构成一个信息实体库，实验初期构建的信息实体库包括平行机头电机库、机尾电机库和垂直机头电机库等，具体如下：

1)平行机头电机信息实体：平行机头驱动器电流和电容电压，平行机头电机速度，平行机头绕组1和绕组2温度，平行机头电机轴承A和B温度，平行机头电机冷却板和电抗器温度，平行机头PTC温度和IGBT状态，平行机头减速器油位，平行机头减速器油温，平行机头减速器冷却水压力，平行机头减速器冷却水流量，平行机头减速器冷却水温度，平行机头减速器输入轴温度，平行机头减速器输出轴温度，平行机头链轮左轴承温度，平行机头链轮右轴承温度，平行机头油缸压力。

2)机尾电机信息实体：机尾驱动器电流和电容电压，机尾电机速度，机尾绕组1和绕组2温度，机尾电机轴承A和B温度，机尾电机冷却板和电抗器温度，机尾PTC温度和IGBT状态，机尾减速器油位，机尾减速器油温，机尾减速器冷却水压力，机尾减速器冷却水流量，机尾速器冷却水温度，机尾减速器输入轴温度，机尾减速器输出轴温度，机尾链轮左轴承温度，机尾链轮右轴承温度，机尾油缸压力。

3)垂直机头电机信息实体：垂直机头驱动器电流和电容电压，垂直机头电机速度，垂直机头绕组1和绕组2温度，垂直机头电机轴承A和B温度，垂直机头电机冷却板和电抗器温度，垂直机头PTC温度和IGBT状态，垂直机头减速器油位，垂直机头减速器油温，垂直机头减速器冷却水压力，垂直机头减速器冷却水流量，垂直机头减速器冷却水温度，垂直机头减速器输入轴温度，垂直机头减速器输出轴温度，垂直机头链轮左轴承温度，垂直机头链轮右轴承温度，垂直机头油缸压力。

4)转载机电机信息实体：转载机驱动器电流和电容电压，机尾电机速度，转载机绕组1和绕组2温度，转载机电机轴承A和B温度，转载机电机冷却板和电抗器温度，转载机PTC温度和IGBT状态，转载机减速器油位，转载机减速器油温，转载机减速器冷却水压力，转载机减速器冷却水流量，转载机速器冷却水温度，转载机减速器输入轴温度，转载机减速器输出轴温度，转载机链轮左轴承温度，转载机链轮右轴承温度，转载机油缸压力。

5)破碎机信息实体：减速器油位，减速器油温，减速器冷却水压力，减速器冷却水流量，减速器冷却水温度，减速器输入轴温度，减速器输出轴温度，链轮左轴承温度，链轮右轴承温度，油缸压力。

6)历史运行时间信息实体：设备累计运行小时，设备累计运行分，设备累计运行秒。

2.3 基于信息实体的监测系统开发

基于信息实体的监测系统与传统监测系统最大的不同在于信息调用的机制和处理方式不同，体现在软件开发上主要是后台数据库和系统架构的变革，前台界面则原理上一样。

2.3.1 监测系统交互界面设计

开发的监测系统主要包含五个画面：主画面、实时工况、历史数据查询、报警阀值设定和报警信息查询。

主画面。动画显示刮板输送机、转载机运行动作，实时显示机尾、平行机头、垂直机头和转载机的电机电流、转速等工况，指示灯指示通讯和工况异常的状态。

实时工况。实时显示输送设备传动部(平行机头、垂直机头、机尾、转载机和破碎机)的详细工况，包括：减速器(油温、油位、输入轴温度和输出轴温度)、冷却水(压力、流量和温度)、链轮(左、右轴承温度)、油缸压力和变频电机工况，指示灯指示异常的工况数据。

历史数据查询。包括报表查询和曲线查询两种方式。报表查询：点击“配置报表”，用户可自行配置报表属性、时间属性和报表变量。曲线查询：用户可自行配置显示曲线、显示时间等曲线参数。

报警阀值设定。设定各工况参数的上限或下限。油位需设定上限和下限，温度、压力和流量只需设定上限。

报警信息查询。详细显示工况及监测平台异常状态。

2.3.2 程序设计

软件流程和工作线程流程分别如图5、图6所示，利用connect()向服务器端发起连接，利用WSAGetLastError()获取错误信息，若连接成功或错误信息为WSAEISCONN，则终止循环；利用自定义消息UM_SEND和消息响应函数OnSend()实现信息实体数据发送。在OnSend()中，利用GetData()生成要发送的随机数据数组，共83个元素，其中第1和2的数据为信息实体名称和数据个数，第3～83元素为信息实体数据集；利用send()发送数据，WSAGetLastError()获取错误信息，若有错误，则关闭套接字并重新创建套接字。

图5 软件流程

图6 线程流程

2.3.3 重要的自定义函数

线程入口函数ThreadProc实现自动判断网络是否断开、网络断开重连和发送数据的主要功能。UM_SEND消息响应函数OnSend完成响应线程入口函数SendMessage发送的自定义消息UM_SEND，完成信息实体数据获取、处理和发送的任务。GetData函数随机生成发送的数据。后期煤矿工作面输送设备远程在线系统在某一矿具体实施时，只需针对实际，与实际数据库对接即可。

3 综采输送设备虚实监测系统模拟实验

为方便开发和测试，搭建了系统实验平台如图7所示。实验平台由模拟井下防爆计算机、模拟井下工业以太网、模拟调度室监测平台和模拟远程监测中心4部分组成。

图7 综采输送设备远程监测系统模拟实验示意图

1)防爆计算机是井下综合监控系统的主机，井下综合监控系统通过它向地面发送数据。采用个人计算机和Modbus网关(ETH001)模拟防爆计算机，计算机和网关通过串口相连。将ETH001接入模拟工业以太网可模拟与调度室监测平台联调。

2)用网线连接两台D-Link交换机(DES-1005D)模拟井下工业以太网。模拟地面交换机接入远程监测中心局域网，以便测试通过互联网方式实现虚实映射监测。

3)采用个人计算机和WG-8010型GPRS DTU模块模拟调度室监测平台，两者之间通过串口相连。

4)采用一台路由器、一台交换机、一台个人计算机、一个网络视频摄像头、一台视频服务器和观摩室大屏显示系统模拟远程监测中心。路由器WAN口接入远程监测中心局域网，计算机与LAN口连接，交换机也与路由器LAN口相连，网络摄像头IPC和视频服务器NVR分别接入交换机。

个人计算机用作I/O服务器、数据库服务器和web服务器。I/O服务器和web服务器具有对外数据通信的功能，它们必须具有公网IP。端口映射能够将局域网IP映射到公网IP上，使局域网计算机具有对外数据通信功能。为了能够在外网或内网的任一台计算机上看到监控视频，视频服务器NVR需做端口映射。

利用实验平台模拟了井下工作面→地面调度室→远程监测中心的实际情况，基于实验台开发的系统专用软件完全可以直接应用到工业性试验中。工业性试验时，只需采用服务器和工控机替代个人计算机，移植系统软件；基于该实验台，开发相关专用软件后，即可进行功能测试。

实验室运行结果表明：利用该系统，可以在监测中心对工作面输送设备的运行工况进行在线监测和报警功能；可以在监测中心建立长期完善的输送设备运行工况参数历史数据库，进行历史工况进行分析和查询；可以通过互联网，以用户登录方式，浏览系统发布的输送设备运行工况参数。

4 结 语

研究了智慧煤矿信息实体构建方法，设计了综采输送设备虚实映射监测系统。系统可以为矿业集团、煤机装备制造厂家提供大数据支撑，有效保障设备稳定运行和煤矿安全生产，可以为建设煤炭行业两化融合标志性平台提供技术支持。