煤机装备设计数据共享服务云平台.pdf

第8 期2023年8 月机械设计与制造Machinery Design&Manufacture285煤机装备设计数据共享服务云平台马鹏淘1 2,丁华 1,2（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原0 30 0 2 4;2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原0 30 0 2 4）摘要：针对煤机装备设计数据“信息孤岛”的现象，基于“数据超市”理念的共享模式构建了煤机装备设计数据共享服务云平台架构，分析了数据的输入-处理-输出的“数据循环”体系，设计了煤机装备数据汇交、专题数据和应用服务三大主要功能模块。利用C#.net、A j a x、W e b Se r v i c e 数据传输、权限控制和配置文件加密等技术，完成了煤机装备设计数据共享服务云平台的开发。应用实例表明，云平台界面友好，运行稳定，可实现煤机领域数据安全规范汇交、专题数据分级分类共享和应用服务系统高效分析与设计，为煤机装备企业提供科研、设计、制造、设备运行等设计数据支撑与服务。关键词：煤机装备；设计数据；共享；云平台；数据循环中图分类号：TH16Coal Machine Equipment Design Data Sharing Service Cloud Platform(1.School of Mechanical Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology,Shanxi Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment,Shanxi Taiyuan 030024,China)Abstract:Aiming at the phenomenon of“information island of coal machine equipment design data,the sharing mode basedon the concept of data supermarket constructs the cloud platform architecture of coal machine equipment design data sharingservice,analyzes the“data cycle”system of data input-processing-output,and designs the three main function modules of coalmachine equipment data interchange,thematic data and application service.The development of the data sharing service cloudplaiform for coal machine equipment design is completed by using technologies such as C.net,Ajax,Web Service data transmis-sion,permission control and profile encryption.Application examples show that the cloud platform interface is friendly and sta-ble,which can realize the convergence of data security norms in the field of coal machines,the sharing of thematic data classifi-cation and the efficient analysis and design of application service systems,and provide design data support and services for coalmachine equipment enterprises such as scientific research,design,manufacturing and equipment operation.Key Words:Machine Equipment;Design Data;Shared;Cloud Platform;Data Cycle文献标识码：AMA Peng-taol2,DING Hual-2文章编号：1 0 0 1-3997(2 0 2 3)0 8-0 2 8 5-0 41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来稿日期：2 0 2 2-0 6-0 8基金项目：国家自然科学基金专项项目（J1924025）；山西省科技基础条件平台项目（2 0 1 8 0 5D141002)；山西省重点研发项目（2 0 1 90 3D121064）作者简介：马鹏淘，（1 995-），男，山西汾阳人，硕士研究生，主要研究方向：煤机装备数据共享平台；丁华，（1 97 9-），女，山西太原人，博士研究生，教授，主要研究方向：现代机械设计，煤机装备云平台化方向发展，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286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。采煤机捆进机数据汇交专题服务库优化做计胖图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 CloudPlatform for Coal Machinery Equipment Design2.2.1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)汇交人库。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。马鹏淘等：煤机装备设计数据共享服务云平台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，用户只需输人新的驱动参数，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煤机装备科学数据共享服务平台设计、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、刮板输送机提升机应用服务第8 期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。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。数据使用者数据管理者角色管理、用户分级分布式数据数据目录服应用服务查询技术数据访间、煤机装备设计数据超市浏览、下载专题数据关系数据库图2“数据超市”理念的共享模式Fig.2 The Sharing Mode of Data Supermarket Concept煤机装备设计数据超市的技术体系包含五大块，即元数据汇数据生产者流量统计行为分析元数据安全文件数据务技术元数据汇交元数据审查元数据更新1XML本源数据库No.8Aug.2023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。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。个人实名注册用户上传实体数据和数据字典申请汇交凭证共享用户浏览和下载（按共享协议发布）图3数据共享流程图Fig.3 Data Sharing Flowchart4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、W e b Se r v i c e 数据传输等技术相互结合的方式，在VisualStudio.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，确保各节点数据在机械设计与制造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。4.3WebService数据传输技术审核拒绝煤机装备设计数据来源广泛，具有多源异构、数据零散化、数项目信息注册提交注册元数据上传质量承诺书提交发布数据入库287平台管理员据格式多样的特性，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。数据负责人服务器端审核拍绝SOAP协议元数据库煤机领域专家Web Senic服务引菜实体数据库XML消息平台管理员图4WebService数据传输Fig.4 Web Service Data Transmission5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。刮板输送机科学数据共享服务系统数据发布tKeid.n4图5刮板输送机数据汇交界面Fig.5 Data Interface for Scraper Conveyor客户端专题数据应用服务数据汇交用户普通用户（煤机领域专家）平台管理员No.8288机械设计与制造数据中心管理员登录数据库，查看数据汇交申请，根据数据6结语的类型和数据说明确定选取参数化建模专家，通知外聘参数化建煤机装备设计数据共享服务云平台的构建，采用Ajax技术、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Web Service数据传输、权限控制和配置文件加密技术相结合的出审核意见，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在专题数据模块进行浏览和下载使用，达到数据从输人到输出的据的收集与汇交效率，而且提高了科研人员研发进度，为设计分共享目标。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5.2专题数据了煤机装备智能化发展步伐。专题数据模块作为汇交数据的共享端，为用户提供丰富的参考文献设计资源，保证了用户研发设计过程有据可依。本模块以刮板1 Gu Y,Grossman R L.Sector:A high performance wide area community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data storage and sharing system J.Future Generation Computer Sys-tems,2010,26(5):720-728.菜单栏材料库，进人材料库界面，此库以表格方式清晰的向用2 Marti Fraiz J,Queralt Calafat A,Gasull Moreira D,et al.Dataclay:A dis-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tributed data store for effective inter-player data sharing J.Journal of各种材料的密度信息，用户在下面的查询框里输人“大理石”点Systems&Software,2017(1310):129-145.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3王金凤.互联网环境下的工业设计数据共享平台设计 J.现代电子技果,如图6 所示。术,2 0 1 8(1 1):1 0 0-1 0 4.(Wang Jin-feng.Design of industrial design data sharing platform underInternet environment JJ.Modern Electronics Technique,2018(11):100-104.)4丁华，刘恒强，杨琨，等.基于云化QFD的采煤机服务型制造模型构建J.煤炭学报,2 0 1 9(2):6 1 8-6 2 7.(Ding Hua,Liu Heng-qiang,Yang Kun,et al.Construction of servicemanufacturing model of Shearer based on cloud QFD J.Journal ofChina Coal Society,2019(2):618-627.)5丁华，杨亮亮，杨兆建，等.数字李生与深度学习融合驱动的采煤机健康状态预测 J.中国机械工程，2 0 2 0(7)：8 1 5-8 2 3.图6 材料库的界面及查询结果(Ding Hua,Yang Liang-liang,Yang Zhao-jian,et al.Health state pre-Fig.6 The Interface and Query Results of the Material Librarydiction of shearer driven by digital twin and deep learningJJ.China Me-5.3应用服务chanical Engineering,2020(7):815-823.)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6郁峰，王学文，丁华，等.采煤机零件网络参数化CAD系统设计 J.机械设计与制造，2 0 1 5(2)：1 94-1 97.为例，平台以友好的图形界面引导用户输人所需的关联参数，远(Huan Feng,Wang Xue-wen,Ding Hua,et al.Shaerer parts network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parametric CAD syetem design JJ.Machinery Design&Manufacture,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2015(2):194-197.)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，7岳武涛，王学文，丁华，等.刮板输送机参数化CAE系统设计 J.机械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，设设计与制造,2 0 1 6(3)：1 7 9-1 8 1.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(Yue Wu-tao,Wang Xue-wen,Ding Hua,et al.Parametric CAE system-design of scraper conveyorJ.Mechanical Design&Manufacture,2016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(3):179-181.)化建模系统界面，如图7 所示。8程相文，张罗平.刮板输送机三维参数化设计系统研究与实现 J.机械设计与制造，2 0 1 6(9)：2 6 2-2 6 5.(Cheng Xiang-wen,Zhang Luo-ping.Research and implementation ofthree-dimensional parametric design system for scraper conveyor J.Mechanical Design&Manufacture,2016(9):262-265.)9丁华，杨兆建，王义亮.基于知识工程的采煤机数字化设计系统研究J.机械设计,2 0 1 1(4):1 5-1 9.图7 刮板输送机参数化建模系统界面(Ding Hua,Yang Zhao-jian,Wang Yi-liang.Research on digital designFig.7 The Interface of the Parametricsystem of shearer based on knowledge engineering JJ.Journalof Ma-Modeling System of Scraper Conveyorchine Design,2011(4):15-19.)Aug.2023