煤机装备设计数据共享服务云平台

马鹏淘，丁 华

（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原 030024）

1 引言

随着大数据共享时代的到来，《煤炭工业发展“十三五”规划》明确提到要“加强煤炭集成创新，推动物联网、大数据、云计算等现代信息技术在煤炭行业的集成应用，服务煤炭生产、行业管理等工作”。煤机装备行业对数据共享的应用还处于尝试阶段，用行业数据指导决策、用制造业数据推动技术创新，将使大数据成为未来国内煤机装备制造行业持续健康发展的重要助推器。为了在大数据共享时代竞争中抢夺先机，国内外学者逐步开展数据共享研究［1−5］，构建规范化的煤机装备设计数据共享服务云平台是当前煤机装备领域的首要任务。目前煤机装备企业进行了数据中心信息化的建设，这些平台的建立在实现企业数据信息管理过程中起到了非常重要的作用。随着煤机装备制造业朝着智能化方向发展，目前科研人员已经设计出采煤机零件网络参数化CAD系统［6］、刮板输送机参数化CAE系统［7］、刮板输送机三维参数化设计系统［8］、采煤机数字化集成系统［9］，这些服务系统虽然为煤机装备企业和科研人员提供了一定的基础服务，但具有单一建设和单一应用的特点，缺乏对煤机装备全生命设计周期的策划，数据资源的合理使用，无法实现数据的高效利用，因此构建综合性数据共享服务云平台成为煤机装备企业智能化发展的首要任务。

针对主要煤机装备（即采煤机、掘进机、提升机和刮板输送机）设计数据共享需求，提出构建一种综合性数据共享服务云平台，开发了数据汇交模块、专题数据模块和应用服务模块供煤机装备领域人员使用，解决了单一建设、单一应用和数据零散分布的问题，达到了数据统一规划和系统综合应用的目标，提高了煤机装备设计数据共享化程度。

2 煤机装备设计数据共享服务云平台架构和系统功能设计

2.1 煤机装备设计数据共享服务云平台架构

煤机装备设计数据共享服务云平台架构分为五部分。其中，物理层处于架构最底层的位置，由服务器设备、存储设备和网络设备组成；云平台层处于核心位置，由分布式数据库和操作系统组成；服务层由环境服务、测试服务和应用系统组成，用户实名登录可进行在线操作应用服务进行设计产品；应用层由基础技术应用、专业技术应用和行业应用三部分组成，将平台所有服务功能提供给用户使用；用户层由设计人员、领域专家和管理员组成。

2.2 系统功能设计

针对主要煤机装备制造领域需求，平台开发了数据汇交、专题数据和应用服务三大主要功能模块。数据汇交模块提供汇交注册、汇交申请、数据上传与审核、数据发布等服务。专题数据模块对煤机装备企业数据进行数据挖掘、深度分析和分级分类等加工处理，形成煤机装备专题数据库。应用服务模块面向煤机装备的设计、分析、制造一体化过程，以专题数据库为基础，形成面向煤机装备的各个阶段提供共享服务的应用服务系统。煤机装备设计数据共享服务云平台功能，如图1所示。

图1 煤机装备设计数据共享服务云平台功能图Fig.1 Function Diagram of Data Sharing Service Cloud Platform for Coal Machinery Equipment Design

2.2.1 数据汇交模块

（1）汇交注册。在煤机装备数据汇交注册中，首先确认汇交数据申请者（个人或团队）具有自主知识产权，并且保证汇交数据的真实性，汇交注册人员包括个人实名注册用户、企业实名注册用户和科研单位注册用户。

（2）汇交申请。汇交注册人员按统一要求规范化整理拟汇交的数据，按要求拟定汇交数据说明文档，将汇交数据实体样例、数据质量承诺书、申请数据汇交凭证文档上传到平台，填写元数据，提交汇交申请。

（3）汇交审核。平台管理员对提交材料进行数据汇交审核，如审核通过，用户需提交后续完整的数据集。如果不通过，将由用户进一步完善材料。

（4）汇交入库。平台管理员将上传的数据进行分类整理入库管理，按共享协议发布供用户在线浏览和下载使用。

2.2.2 专题数据模块

煤机装备设计数据是指在煤机装备设计、分析、生产、运行、监测、优化、评价、研究工作中产生的海量数据。

本模块设计资料库包括常用的计量单位、物理常数、极限配合与公差值、表面粗糙度等设计资料；计算资源库包括煤机装备各零部件本身的数据和相应的计算公式；CAE分析库包括零部件的瞬态动力学分析、结构静力学分析、模态分析、疲劳分析等结果，分析数据包括前期处理信息、求解结果、后期处理过程信息和分析报告等；材料库包括材料的特性、使用要求、应用场景、物理和力学性能、疲劳极限、疲劳寿命等信息；企业产品信息库包含煤机装备各种产品的型号、基本参数、使用寿命、价格及生产厂家等信息；文献库提供有关煤机装备的全球优质学术资源，包含学术期刊、学位论文、会议文章等各种资源类型。

2.2.3 应用服务模块

应用服务模块面向煤机装备的设计、分析、制造一体化过程，集成CAD建模系统、CAE分析系统、优化设计系统等应用服务系统，这些应用服务系统以专题数据库为基础，面向煤机装备的各个阶段提供共享服务。

CAD 建模系统提供在线参数建模系统，用户只需输入新的驱动参数，就能够直接从库中调出所需模型；CAE分析系统提供煤机装备运动学、静力学、刚体动力学、刚柔混合动力学分析，以及关键零部件的结构强度、优化设计、结构模态和寿命预测分析；优化设计系统根据设计所需性能目标，构建目标函数，在符合给定的各种约束条件下，选出一种最优方案。系统整合了机构优化设计、机械零件优化设计、机械系统优化设计、结构优化设计、形状优化设计、可靠性优化设计、复杂系统优化设计等算法、原理、方法、方案、模型、软件、技术等信息，帮助设计者进行优化设计。

3 数据共享体系

3.1 “数据超市”理念的共享模式

煤机装备设计数据共享服务云平台的目的就是为用户提供方便快捷的数据查询和应用服务功能，让用户能够精准找到所需数据和便捷的操作综合性服务系统。以服务为核心的“数据超市”理念的共享模式就是收集和整理海量的煤机装备设计数据，通过共享云平台的数据汇交、专题数据和应用服务三大功能模块为用户提供数据汇交、数据查询下载和在线分析设计等服务。

煤机装备设计数据超市的技术体系包含五大块，即元数据汇交、存储、查询、访问和应用。这五大块以数据超市为中心，按照数据的输入−处理−输出的“数据循环”流程组织。“数据超市”理念的共享模式，如图2所示。

图2 “数据超市”理念的共享模式Fig.2 The Sharing Mode of "Data Supermarket" Concept

3.2 数据共享流程

针对主要煤机装备设计数据多源异构的特性，数据共享过程须经过平台管理员和同行专家的双重审核，保证数据的真实性、安全性和可靠性，如图3所示。煤机装备数据中心首先对汇交项目信息注册进行审核，信息不完善的给出意见进行修改完善。项目注册信息通过之后，汇交人员上传实体数据和元数据，数据中心根据上传数据类型，选择相对应数据类型专家进行审核，审核通过进行数据入库按共享协议发布，反之提出修改意见，汇交人员根据修改意见进一步完善。数据中心采用多重审核机制，能够保证数据的规范性和安全性，数据出现争议时可以追溯到来源。

图3 数据共享流程图Fig.3 Data Sharing Flowchart

4 关键技术

采用B/S（浏览器/服务器）的三层体系架构、利用C#语言、权限控制与配置文件加密、Ajax、Web Service数据传输等技术相互结合的方式，在Visual Studio.NET2010开发平台，完成对煤机装备设计数据共享服务云平台的开发，实现三大模块数据安全规范汇交、查询和下载、数据能够及时响应、页面局部刷新和应用系统快速分析设计等功能。

4.1 权限控制与加密技术

数据共享需要重点考虑的是安全性问题。此数据共享服务云平台采取权限控制和配置文件加密等相关安全措施，保证煤机装备设计数据在汇交、发布及共享过程中的安全，提升了用户访问数据库的安全性。

权限控制采取对用户角色和访问权限进行分类的方法。用户角色分为汇交用户、普通用户和平台管理员；访问权限分为数据增删改、数据发布、数据下载等。汇交用户和平台管理员的区别是前者只具备数据查看和上传权，不具备数据发布权。数据权限是由平台管理员制定的数据开发权限，包含完全共享、部分共享和自定义共享。其中完全共享是所有用户都可以查看下载数据；部分共享是项目还在进行中，待项目结项再进行完全共享；自定义共享是由数据汇交人员进行的指定单位和用户共享。采用权限控制的方法对用户角色和访问权限分类，确保各节点数据在共享过程中的安全性。配置文件加密是指将Web.config文件中的数据库类型、库名称、IP、用户名、密码等数据库配置信息以字典形式进行存储，用户访问数据库中的内容时先读取数据库配置信息，然后进行数据库连接，保证了数据的安全性。

4.2 Ajax技术

由于煤机装备设计数据共享服务云平台拥有庞大的数据量，在数据传输和转换过程中受到网络带宽的影响，当用户浏览专题数据库和查询下载信息时，需要及时响应，在煤机装备设计数据共享服务云平台的专题数据查询和应用系统的分析与设计功能中使用了Ajax技术。Ajax采用异步传输数据的方式，根据用户需求向服务器发送定向请求，页面采用局部刷新，提高了数据传输效率，解决了数据传输和转换响应慢的问题。

4.3 Web Service数据传输技术

煤机装备设计数据来源广泛，具有多源异构、数据零散化、数据格式多样的特性，数据共享服务平台采用Web Service技术进行数据传输，解决了多源异构数据传输缓慢和系统的计算能力差等问题，实现了数据的高效率共享，如图4所示。

图4 Web Service数据传输Fig.4 Web Service Data Transmission

5 应用实例

5.1 数据汇交

数据共享的汇交过程以刮板输送机制造企业汇交三维模型数据为例，企业数据负责人登录刮板输送机共享系统进行实名汇交注册，点击数据发布菜单，根据填写规范将汇交数据上传至数据中心，并上传质量承诺书和申请数据汇交凭证文档。数据汇交发布界面，如图5所示。

图5 刮板输送机数据汇交界面Fig.5 Data Interface for Scraper Conveyor

数据中心管理员登录数据库，查看数据汇交申请，根据数据的类型和数据说明确定选取参数化建模专家，通知外聘参数化建模专家通过专属审核密码登录数据库，查看待审核的数据并给出审核意见，专家审核之后平台管理员查看专家审核意见作出数据处理决定，汇交数据不达标准的通知汇交用户进行修改完善，直至审核通过；审核通过的数据，平台管理员及时进行整理提交到专题数据中的CAD模型库，完成最后的发布，供其他用户在专题数据模块进行浏览和下载使用，达到数据从输入到输出的共享目标。

5.2 专题数据

专题数据模块作为汇交数据的共享端，为用户提供丰富的设计资源，保证了用户研发设计过程有据可依。本模块以刮板输送机专题数据模块下的材料库为例，用户点击专题数据左边菜单栏材料库，进入材料库界面，此库以表格方式清晰的向用户表达各种材料的信息，点击右边二级菜单栏的材料密度查看各种材料的密度信息，用户在下面的查询框里输入“大理石”点击查询便可得到大理石的密度信息。材料库的界面及查询结果，如图6所示。

图6 材料库的界面及查询结果Fig.6 The Interface and Query Results of the Material Library

5.3 应用服务

本模块以刮板输送机参数化建模系统机头部截轴变型设计为例，平台以友好的图形界面引导用户输入所需的关联参数，远程进行三维参数建模和三维变型的设计和控制服务。用户在三维模型客户端按照三维模型设计的步骤填入需要的参数，系统自动将该参数编制成三维参数建模文件命令批处理脚本命令文件，将设计器生成的脚本命令文件直接提交给三维模型的设计器，设计器自动开始执行命令批处理文件，完成模型的变型设计，将三维模型展现给客户供客户下载使用。应用服务刮板输送机参数化建模系统界面，如图7所示。

图7 刮板输送机参数化建模系统界面Fig.7 The Interface of the Parametric Modeling System of Scraper Conveyor

6 结语

煤机装备设计数据共享服务云平台的构建，采用Ajax技术、Web Service 数据传输、权限控制和配置文件加密技术相结合的方式，优化了应用服务系统扩充性及数据处理能力，实现了数据资源分级分类整合、汇聚和充分共享，通过领域专家和平台管理员双重审核机制，确保汇交数据能够及时准确安全共享，达到了数据有始有终的共享目标。该平台不仅提高了煤机装备设计数据的收集与汇交效率，而且提高了科研人员研发进度，为设计分析、故障诊断、可靠性分析、决策支持提供数据支撑和服务，加快了煤机装备智能化发展步伐。