一种煤矿电设备数据综合管理系统设计.pdf

中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-78-两星推荐当前，我国能源消耗的主体依旧是煤炭资源，这与我国多煤、贫油、少气的能源储存现状是分不开的，为了解决资源短缺问题，近年来国家一直在鼓励发展新能源。但是，新能源的发展很难在短时间内看到成效，在未来很长一段的发展时期内，中国仍旧需要将煤炭作为能源利用的重要主体。在传统煤炭开采技术背景下，煤炭开采具有较强的复杂性，其安全性、工作效率均很难让人满意，对其进行智能化革新有助于提升煤矿的工作效率与工作质量。但是，煤矿智能化革新背后同样带来了煤炭行业数据量井喷问题，需要处理的数据不仅包括结构化数据、非结构化数据，其储存形式也大多以离散存储为主要方式，在实践中，将数据集中起来进行数据记录、分析的难度相对较大，对其进行研究具有一定现实意义。煤矿机电设备数据综合管理需求分析在进行智能化背景下煤矿机电设备数据综合管理系统建设之前，对需要处理的煤矿机电设备数据以及系统具体需求进行分析是非常必要的。煤矿机电设备数据综合管理数据分析煤矿机电设备数据管理系统需要处理的数据包括：（1）设备基础信息。在煤矿生产作业过程中，其内部存在大量的子系统以及电力设备，例如，在供电系统中就存在变压器、开关柜、互感器、电容器、电抗器等电力设备，在排水系统中存在压力传感器、水位传感器、电动阀门等电力设备，这些设备的运行状态均会对煤矿的正常生产造成一定影响，为了对其工作状态进行监督，需要对其型号、性能、运行参数等关键数据进行获取，这些数据即是设备基础信息，对于煤矿正常运行具有十分重要的价值与意义。（2）设备维护、试验、检修信息。在煤矿运行过程中，多种设备需要进行定期检修，例如，供电系统中的变压器、排水系统的球阀等，这些设备属于关键设备，在运行过程中一旦出现问题则会对煤矿整体运行造成严重的消极影响，因此通常需要对此类设备进行定期维护与检查。在维护、检查的过程中会产生大量信息，通过形成历史记录的方式对设备工作状态进行判断，以次来实现对故障点的精准定位，这些数据即是设备维护、试验、检修信息，对其进行有效管理有助于提升煤矿系统运行的稳定性。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种煤矿电设备数据综合管理系统设计曲英见曲英见山东立安工矿技术检测有限公司曲英见（1981），辽宁凤城，学士，安全工程师，主要从事电气设备检测检验。-79-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期两星推荐煤矿电设备数据综合管理需求分析机电设备数据管理系统功能需求如下：（1）新增记录录入功能。即通过系统录入各种信息，包括人员值班与交接班信息、设备巡检信息、故障信息、故障处理信息等。（2）检索数据功能。在实践中，煤矿电设备数据具有复杂性、多样性的特点，对于工作人员而言，进行数据查询具有较强的复杂性，因此，系统应当具有一定的检索功能，能够进行数据信息查询。（3）导出数据功能。系统应当具有数据导出功能，实现数据的导出与打印。机电设备数据管理系统非功能需求如下：（1）数据传输准确性。即数据能够在终端之间实现高效传递，并保证同一集团内部数据显示相同。（2）较强的存储性能。即系统应当具有较强的存储性能，能够有效应对数据库多人同时访问的情况。（3）查询操作简单、速度快。煤矿井下机电设备数量繁多，需要监控的数据数量也很多，因此，系统应当具有较高的工作效率，能够满足多设备下的高效查询工作。（4）较小的读写延迟。系统应当具有良好的读写延迟功能，这是保证基础数据完整、正确的重要前提，也是智慧煤矿建设的具体策略。系统开发策略在确定系统开发需求之后，就需要对系统开发策略进行确定，从根本上讲，系统开发是根据企业管理目标、内容、规模等具体情况，运用系统工程的方法，为企业建立信息化管理系统，其核心为应用软件系统设计与开发，一般被称为系统体系结构设计。在实践中，系统体系结构设计主要包括单用户体系结构、C/S 体系结构、B/S 体系结构、P2P 体系结构等。在本次研究中，系统体系结构件的建设对象为煤矿企业，具有分布广泛的典型特征，其建设需求包括便于上级部门管理、简化电脑荷载、降低升级成本、降低维护成本等，综合上述内容，决定采用 B/S 体系结构进行系统设计与建设。该设计方法的优势为，数据集中存放于总部数据库服务器，客户端不保存任何相关信息，在这一背景下，也不需要考虑数据安全问题。系统开发工具主要包括：（1）软件编程工具。决定采用.NET 框架为系统开发平台，使用 ASP.NET 未开发工具。（2）数据库管理系统。决定采用 Microsoft SQL Server 2000 数据库管理系统，该系统在相关工作领域使用最为广泛。（3）图像处理工具。决定采用 Adobe Photoshop 作为图像编辑工具，采用 Macromedia Flash MX 作为网页动画制作工具。智能化背景下煤矿电设备数据综合管理系统整体设计设计思路根据上文中所提出的煤矿机电设备数据综合管理需求，可以确定总体设计思路。在本文中，整体设计思路如下：（1）框架本身的合理性与有效性。运行数据、监控视频数据和信息文档共同构成了矿井机电设备的信息框架，这些数据具有较强的复杂性，在使用过程中需要进行转换，为了保证数据集成的准确性，此平台需要具有数据的实时监控、管理、存储的基本功能，进而满足矿井机电设备的使用需求。（2）设计一个存储性能优越的数据库，为系统提供存储功能。（3）为了提升系统平台的实时性，需要保证数据管理平台能够与煤矿端各个服务器端口进行高质量连接。系统整体架构在上述设计思路指引下，本文决定采用 Hadoop 平台进行系统搭建，该平台集群建设工作只需要在原有设备的基础上搭建即可，不需要相关单位另行进行设备采购工作，只需要配备集群部署的计算机，并在其上方安装虚拟机进行集群搭建即可。Hadoop 平台具有较强的运算能力，不仅能够满足系统的数据存储需求，同时采用分布式计算功能，具有高效的数据处理能力。整个系统分为基于 OPC UA 协议的自动化设备数据采集、数据规范、Hadoop 平台、应用层四个主要部分。其中：（1）基于 OPC UA 协议的自动化设备数据采集。此部分的任务为各种数据的采集，包括但不限于压风数据、通风数据、排水数据等。（2）数据规范。此部分的任务包括数据抽取以及数据处理，对上层收集到的各种数据进行数据抽取，获得原数据，并进行数据处理，数据处理的具体方式为，使用XML 技术对元数据进行归类与清洗。（3）Hadoop 平台。该部分的功能为，首先，将一部分数据直接用于实时监控显示，其存储方式为 Redis，另一部分数据作为历史数据存入系统存储空间，使用 MapReduce 分布式计算对其进行数据特征值计算与异常点处理，最后，将计算完成后的数据存储到 HDFS 目录下。（4）应用层。主要包括状态监控、决策支撑功能。智能化背景下煤矿电设备数据综合管理系统具体设计策略自动化设备数据采集系统设计本文所设计的自动化设备数据采集系统基于 OPC UA协议实现。该协议提供两种机制解决不同的工业场合需求：（1）“客户端+服务器”模式。在此种模式下，OPC UA客户端能够直接访问其自身的特有功能，但存在拓展性差的缺陷。（2）“发布者+订阅者”模式。该模式拓展性较好，能够实现信息交换的“即发即弃”。在本文中所设计的自动化设备数据采集系统中，采用了西门子 WinCC 组态软件中的 OPC UA 协议完成数据采集工作，基于煤矿电设备数据管理需求，决定采用“客户端+服务器”模式以满足复杂数据处理。系统的总体结构如图 1所示。本地监控服务器通过以太网连接到工业网络，形成 C/S结构的本地数据采集监控系统。将采集后的数据上传到云服务器，并将数据进行结构化存储，随后，通过 Redis 存储设备数据进行实时数据传输。同时，在本煤矿中，单个煤矿采用 KEPServer 作为上位机 OPC 服务器，西门子 WinCC 组态软件作为客户机，中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-80-两星推荐。（2）采用 XML 文本的输出格式，同样以电机 A 相电压数据为例，其电压为 Ua，赋予数值为 data，这一数值不一定是真实显示的数值，可能是计算后得出的数值。（3）按照 的形式输出 MapReduce 计算统计结果，此时即结束整个数据特征提取工作。煤矿设备数据传输架构设计本文所设计的煤矿设备数据传输架构基于 Redis 实现。煤矿企业的风险性相对较高，出于安全生产的实际需要，对各个生产线、生产设备的工作参数进行实时监控是非常必要的，这是我国煤炭工业安全生产的必然要求。为了实现这一目的，在传统工作背景下，技术人员普遍会采用配置服务器、安装 OPC UA 协议数据采集程序、获取数据采集程序读取的数据、修改数据形式并存到指定目录、采用数据上传工具将 FTP 文件传输到上级数据管理中心、逆解析数据并保存到数据库中。此类技术在实践中存在结构复杂、数据量大、服务器损坏风险大、数据读取存在失败可能性等缺陷，对其进行优化是非常必要的。远 程 字 典 服 务（Remote Dictionary Server，Redis）在实践中具有高效数据缓存、分布式部署、支持多种交互模式等重要优势，与传统单机缓存机制相比，基于Redis 技术进行煤矿设备数据传输架构设计主要存在读写速度快、数据持久性高、交互模式丰富等重要优势。基于 Redis 技术进行煤矿设备数据传输架构设计策略如下：（1）煤矿段。主要包括采集层。执行第一项基础工作，即数据采集，其主要结构包括数据采集服务器、数据源。（2）传输层。包括 Redis 数据通道。（3）上级监管端。该层级包括服务层、应用层两个层次，其中，服务层为下级层级，应用层为上级层级。服务层的内容包括应用软件、基础软件、服务器、基础设备机房、计算机网络、安全设备，应用层的内容包括实时数据查询、设备运行记录查询、设备状态查看、报警记录查询。数据存储结构设计本文所设计的数据存储结构基于 HBase 实现。HBase数据库属于 Hadoop 平台中自带的数据库，不需要相关单位进行额外配置，从性质角度分析，该数据库属于非关系型数据库，在非结构化数据储存方面具有较为突出的优势。基于 HBase 数据库的数据存储流程如图 3 所示。根据图中内容可知，数据采集程序主要通过 OPC 服务器实现实时数据获取，通过一系列流程将最终数据存入历史数据库中，如果HBase数据库存储能力无法有效满足数据库存储需要，则会将部分数据转存到 Redis 中，在资源充足后会将这些数据再次转移到 HBase 数据库中，以保证数据完整性。系统综合功能设计系统的综合功能包括政府部门功能、行管处和后台管理功能等。以政府部门功能为例，主要包括：（1）煤矿安全。数据显示、信息查找。（2）数据统计。按时间段统计、全市总数统计。（3）数据分析。区域矿井分析、瓦斯等级高低、图 1 自动化设备数据采集系统基本结构图 2 MapReduce 分布式计算架构通过 OPC UA 协议实现联系与沟通，进而完成数据读取、数据显示工作。特征数据提取与清洗本文所设计的特征数据提取与清洗基于 MapReduce分布式计算实现。具体而言，MapReduce 分布式计算属于当前工业生产背景下，Hadoop 平台中的一个关键技术内容，其主要功能包括 Map、Reduce，其中，Map 表示映射函数 Mapper，Reduce 表示归约函数 Reducer。其具体数据处理思路如下：（1）Map 阶段。这是数据处理的第一个阶段，经过处理后的元数据在映射函数的作用下进行过滤、转换等，实现数据的初步处理。（2）Reduce阶段。这是数据处理的第二个阶段，该阶段需要对数据进行规模收缩，在归约函数的作用下进行聚合，最后获得最终的数据处理结果。MapReduce 分布式计算架构如图 2 所示。MapReduce 数据特征提取步骤如下：（1）采用 XML文档技术对数据进行规范化处理，单项数据独自占据一行作为一条记录，以电机 A 相电压数据为例，输出格式为-81-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期两星推荐矿井生产能力、关停矿井信息。（4）公文处理。查看公文、撰写公文、收发公文。（5）短消息。查看消息、撰写消息、收发信件。（6）系统管理。发布与管理行业动态、回收站管理。（7）个人信息。密码修改、个人信息维护、修改登录名。（8）办公工具。电话簿。系统实现为了提升研究质量，决定对部分功能的系统实现策略进行分析，本节以政府部门功能方面的煤矿安全模块为例进行综合分析。根据上文内容可知，煤矿安全模块主要包括数据显示、信息查找两方面内容。数据显示。主要包括：（1）各行政区域显示。即在一块屏幕上显示系统覆盖的所有行政区域，在选择行政区域后能够显示煤矿的详细信息，选择煤矿后可以显示单个矿井的关键信息，单个矿井的关键信息主要包括基本信息、矿长信息、特种作业人员信息、工人信息等，以特种作业人员信息为例，其基本内容如表 1 所示。（2）数据查询。可以通过关键词进行相关信息查询，系统内部设置五个固定关键词，包括矿井、矿长、职工、安全资格证、矿长资格证，点击相关选项可以在一定程度上缩小信息查询范围，提升信息查询质量与效率。表 1 特种作业人员信息信息详情瓦检员电钳工绞车司机放炮员安检员人数（人）114684缺培人数达标达标达标1达标结语纵观全文，在当前时代背景下，煤矿机电设备的复杂性逐渐增强，数据的处理难度同样与日俱增，本文结合Hadoop 平台中的各种技术，设计了煤矿设备数据综合管理系统，在实践中具有一定的应用价值。相关单位在实践中可以结合自身实际工作需要，在自身机电设备的基础上，适当参考本文的研究内容进行煤矿设备数据综合管理系统建设，相信能够在一定程度上提升煤矿企业内部的数据共享质量，进而增强部门协作、数据处理、数据存储质量，为我国能源安全提供一定技术支持。图 3 基于 HBase 数据库的数据存储流程