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第 44 卷第 7 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol．44No．7 2016 年7 月 Coal Science and TechnologyJuly2016 基于云计算和物联网的煤矿安全动态诊断系统研究 曹允钦 山东能源枣庄矿业 集团 有限责任公司 田陈煤矿， 山东 滕州277523 摘要 针对目前煤矿信息化建设体制不健全， 安全管理决策方式落后等现象， 以田陈煤矿为研究对 象， 构建了煤矿安全动态诊断系统。该系统以云计算、 物联网、 数据挖掘技术为支撑， 综合集成采掘机 运通等专业、 人机环管四要素、 时间和空间、 历史和现势的在线以及日常业务数据， 基于动态三维虚拟 矿井平台， 对煤矿安全生产的各类信息进行展示、 分析、 推理， 挖掘历史数据中蕴含的模式和知识， 诊 断并概括现势安全状态， 分析潜在危害因子， 有效预测矿井灾害， 最终降低煤矿安全生产事故的发生， 实现煤矿安全管理的信息化。 关键词 云计算; 物联网; 煤矿安全; 动态诊断系统 中图分类号 TP391. 5; TD76文献标志码 A 文章编号 0253－2336 2016 07－0135－05 Study on dynamic diagnosis system of mine safety based on cloud computing and internet of things Cao Yunqin Tianchen Mine， Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Corporation Limited， Tengzhou277523， China Abstract According to the imperfect construction system of the mine ination， backward mine safety management decision making mode and other phenomenon， based on Tianchen Mine as the study object， a dynamic diagnosis system of the mine safety was established．With the cloud computing， internet of things and data mining technology as the support， the diagnosis system comprehensively integrated the on- line and daily business data of the mining and excavation machinery transportation， communication and other technology， the man－machine－ environment－management four factors， the time and space， history and present situation．Based on the dynamic 3D virtual mine plat， a display， analysis and inference were conducted on each ination of the mine safety production， the mode and acknowledge contained in the historical data were mined， the present safety status were diagnosed and summarized and the potential danger factors were analyzed．The mine disaster was effectively predicted， the safety production accident occurred in the mine was finally reduced and the mine safety man- agement ination was realized． Key words cloud computing;internet of things;mine safety;dynamic diagnosis system 收稿日期 2016－04－02; 责任编辑 杨正凯DOI 10．13199/j．cnki．cst．2016．07．023 作者简介 曹允钦 1966 ， 男， 山东菏泽人， 高级工程师， 硕士， 现任山东能源枣庄矿业 集团 有限责任公司田陈煤矿矿长。Tel 0632－4063046， E－mail tckj88 163. com 引用格式 曹允钦．基于云计算和物联网的煤矿安全动态诊断系统研究［J］．煤炭科学技术， 2016， 44 7 135－139． Cao Yunqin．Study on dynamic diagnosis system of mine safety based on cloud computing and internet of things［J］．Coal Science and Technology， 2016， 44 7 135－139． 0引言 我国煤炭资源丰富， 煤矿安全是我国安全生产的 重中之重， 煤矿安全监测系统是一个综合系统工程， 涉及到人员、 设备、 生产环境和管理四大要素的相互 影响和联动， 需要综合采煤、 掘进、 机电、 运输、 通风、 地测和防治水、 调度、 分选、 运销等诸多环节和专业的 信息。如何采用信息化技术、 数据分析技术， 改变煤 矿安全管理分析与决策的模式， 实现煤矿安全管理的 信息化、 现代化 ［1 ］， 已成为众多科技人员关注的重点。 纵观煤矿信息化建设近 10 余年的进展， 目前煤炭企 业建设的诸多管理信息系统还停留在以系统集成为 主的生产过程和流通过程数字化、 信息化层面上， 采 用传统的管理方式， 这导致了一系列问题， 如矿井各 531 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2016 年第 7 期煤 炭 科 学 技 术 第 44 卷 专业之间信息系统割裂， 数据和设备孤岛无法支持多 信息维度的综合决策分析， 数据可视化及分析手段匮 乏， 无法支持综合决策分析， 综合决策分析缺乏时空 维度的支持， 无法同时满足煤矿安全生产的事务性和 即时性要求 ［2－3 ］。从这些问题可以看出， 建立煤矿安 全动态诊断系统势在必行。因此， 急需设计出能够实 现综合集成煤矿现有的管理信息系统和监测监控系 统的新型系统， 根据煤矿安全生产的各类规范、 规程、 标准构建煤矿安全分析决策的综合数据库和专家知 识库， 并通过日常业务系统收集的事务性数据以及监 测监控系统上传的实时性数据， 按照专家库模型对当 下煤矿生产状态进行分析计算， 动态诊断已经发生的 问题及其原因， 动态预测未来可能发生的问题及其后 果， 最终给出解决方案和处理措施， 而基于云计算和 物联网的煤矿安全动态诊断系统能较好地建设满足 这些功能的信息系统， 实现煤矿安全管理决策工作的 信息化和常态化 ［4 ］。 1云计算和物联网理论技术及应用 1. 1云计算 煤矿安全诊断系统需要管理和及时处理煤矿安 全生产以及在线监测方面的海量数据， 为了保证系 统性能、 访问效率以及后续扩展性和伸缩性， 系统需 要配置部署在具有强大性能的硬件平台上。目前流 行的云计算技术是依托于互联网的一种计算方式， 依据自身的具体需求向计算机及相关设备提供共享 硬件级的软件资源。以借助网络实现相互连接的资 源为基础， 构建相应的计算资源池， 并实行统一化管 理， 根据用户实际需求向其提供服务。云计算是通 过网络提供可伸缩的廉价分布式计算能力， 在云计 算环境下， 数据是通过分布式方式进行存储的， 以便 实现较高的可用性及经济性。按照内容它可以分为 基础设施云 Iaas 、 平台云 Paas 、 软件云 Saas 3 个层次。基础设施云主要面向底层硬件整合， 而 平台云和软件云主要是基于企业需求而建立的业 务整合。云计算的快速发展基于虚拟化技术、 数 据密集型计算发展的结果， 通过分布式计算、 存 储、 数据管理以及互联网技术， 为用户提供云计算 与云存储功能， 具有高可靠性与高可扩展性［5－7 ］。 云计算的出现并快速发展， 一方面是虚拟化技术、 数据密集型计算等技术发展的结果， 另一方面也 是互联网发展需要不断丰富其应用必然趋势的体 现［8 ］。 1. 2物联网 物联网是继计算机、 互联网之后世界信息产业 的第 3 次浪潮， 是新一代信息技术的重要组成部分， 是在计算机互联网的基础上通过融合全球定位技 术、 无线射频技术、 红外线技术来实现远程监控和管 理， 并进行信息交换和通信， 实现对物品的智能化识 别、 定位、 跟踪、 监控和管理的网络［9 ］。它是以感知 为目的， 实现人与人、 人与物、 物与物全面互联的网 络， 是泛在传感器网络的延伸。物联网具有 3 个鲜 明的特征 部署海量的多种类型传感器， 技术的重要 基础和核心仍旧是互联网， 具有智能处理的能 力 ［10 ］。物联网的实质是拥有感知、 计算和通信能力 的微型智能传感器及以其为节点形成的传感网， 是 传感网技术在社会生产与生活过程中的具体实现， 利用云计算、 模式识别等智能技术， 扩充其应用领 域 ［11－14 ］。矿山物联网是要实现对真实矿山整体及 相关现象的可视化、 数字化及智能化， 将矿山生产建 设过程、 安全管理等综合信息全面数字化， 实现矿山 安全生产过程的动态协同控制［15 ］。 2煤矿安全动态诊断系统 煤矿安全动态诊断系统， 是以云计算、 物联网、 数据挖掘技术为支撑， 以行业、 集团、 矿井制定的各 类安全生产规程和规范为依据， 结合综合自动化、 在 线监测 水、 火、 瓦斯、 顶板等 以及煤矿安全生产日 常获取的动态数据和历史数据， 基于动态三维地质 模型和虚拟矿井平台， 对煤矿安全生产的各类信息 进行展示、 分析、 推理， 挖掘历史数据中蕴含的模式 和知识， 诊断并概括现势安全状态， 预测未来安全形 势， 实现煤矿安全生产的动态诊断和辅助决策。利 用煤矿安全综合数据库中的基础数据、 实时监测数 据以及事务性数据， 根据煤矿安全动态诊断专家知 识库进行评估、 推理和演绎， 分析煤矿安全生产现状 与趋势、 预测未来， 并针对煤矿应急现象做出科学合 理的响应对策和处理措施［16 ］。煤矿安全动态诊断 系统主要功能包括 煤矿安全状况评估打分， 煤矿安 全问题推理解释， 诊断任务配置与管理， 基于三维虚 拟矿井可视化平台对接入的在线监测数据、 业务管 理数据以及评估打分和推理分析结果进行显示。 2. 1煤矿安全动态诊断系统功能模型 建设煤矿安全动态诊断系统， 目标是各类用户 可以从不同角度和范围对煤矿的安全状况进行评估 和分析。 631 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 曹允钦 基于云计算和物联网的煤矿安全动态诊断系统研究2016 年第 7 期 1 系统功能结构。煤矿安全动态诊断系统具 有向各类用户提供三维虚拟矿井平台访问、 在线和 业务管理数据接入与查询展示、 煤矿安全状况评估 打分、 煤矿安全问题推理分析以及诊断任务管理配 置五大功能 ［17 ］， 煤矿安全动态诊断系统功能如图 1 所示。 图 1煤矿安全动态诊断系统功能框图 Fig. 1Functional block diagram for dynamic testing system of coal mine safety 2 煤矿安全动态诊断系统的体系结构。煤矿 安全动态诊断系统的总体框架结构如图 2 所示。 图 2田陈煤矿安全动态诊断系统的总体框架 Fig. 2Overall framework for safety dynamic diagnosis system of Tianchen Coal Mine 煤矿安全动态诊断系统从逻辑上分为前端表现 层、 中间应用逻辑层和后台数据源层。其中， 前端表 现层是客户端应用程序， 即煤矿安全动态诊断系统， 中间应用逻辑层包括一系列功能组件， 后端数据源 层包括综合数据库、 煤矿安全专家知识库以及数据 访问层。根据三层体系结构， 煤矿安全动态诊断系 统需要建立 2 个数据库、 3 个前端用户应用系统、 1 个云计算平台。其中， 2 个数据库分别是煤矿安全 综合数据库和煤矿安全知识库 ［18 ］。煤矿安全综合 数据库， 用于管理和维护煤矿各类诊断对象的内容 和状态， 煤矿安全知识库则管理和维护诊断的知识 和规则。 2. 2煤矿安全动态诊断系统界面框架 煤矿安全动态诊断系统的界面整体框架如图 3 所示， 整个界面框架包括诊断模块、 三维可视化模块 和二维可视化模块 3 个方面。 图 3田陈煤矿安全动态诊断系统界面整体框架 Fig. 3Overall framework for safety dynamic diagnosis system interface of Tianchen Coal Mine 2. 3云计算平台设计 云计算是通过网络提供可伸缩的廉价分布式计 算能力。在云计算环境下， 软件能够与虚拟化为核 心的云计算平台有机结合， 适应运算能力、 存储能力 731 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2016 年第 7 期煤 炭 科 学 技 术 第 44 卷 的动态演化; 能够满足大量用户的使用， 包括海量数 据存储、 处理能力; 能够基于互联网提供软件的应 用 ［19 ］。 根据实际需求以及硬件环境， 笔者从基础设施 和软件应用 2 个层次上建立煤矿的云计算平台， 包 括基础设施的虚拟化、 软件应用的服务化。 1 基础设施的虚拟化。煤矿基础设施虚拟化 平台， 采用 Hyper－V 虚拟化软件系统将后端多台服 务器资源整合成 1 台逻辑服务器， 并在该逻辑服务 器基础上划分出 Web 服务器、 应用服务器和数据库 服务器 3 个虚拟机资源， 面向外部提供各类服务， Hyper－V 虚拟化云计算平台架构如图 4 所示。煤矿 安全动态诊断系统、 煤矿安全综合管理系统、 煤矿安 全知识库管理系统部署在 Web 服务器上， 中间层应 用服务组件部署在应用服务器上， 综合数据库和知 识库部署在数据库服务器上。 图 4 Hyper－V 虚拟化云计算平台架构 Fig. 4Architecture for Hyper－V virtualization cloud computing plat 2 软件应用的服务化。煤矿安全动态诊断系 统从逻辑上分为前端表现层、 中间应用逻辑层和后 台数据源层。其中， 数据源层， 对数据、 知识、 元数 据、 算法模型等信息进行存储、 组织和管理， 并对外 通过数据访问层提供一致高效的数据访问服务。中 间的应用逻辑层， 调用数据访问层提供的数据服务 进行复杂的业务逻辑处理， 如煤矿安全状况评估计 算、 安全规则的逻辑推理等， 并将这些业务逻辑处理 功能封装成一系列的组件， 包括三维虚拟环境集成 组件、 数据接入 ＆ 查询组件、 统一数据访问组件、 统 一知识访问组件、 安全状况评估组件、 规则推理组件 等， 对外部表现层提供功能组件服务。 软件应用服务化是指将数据源层提供的数据访 问服务、 中间应用层提供的各类组件服务， 均以 Web services 的形式封装， 这些 Web 服务部署在虚 拟化的应用服务器中对外提供服务［20－21 ］。 3结论 1 充分利用煤矿生产过程中积累的历史信息 与实时安全监控数据， 利用数据挖掘理论与技术， 对 煤矿生产的安全状态进行动态分析， 发现影响煤矿 安全生产的因素与模式， 实现了煤矿安全生产决策 的方法与形式， 达到了动态性与可视化的目的。 2 针对基于专家知识库的煤矿安全诊断的目 标， 需要利用煤矿安全综合数据库中的基础数据、 实 时监测数据以及事务性数据， 根据煤矿安全动态诊 断专家知识库进行评估、 推理和演绎， 分析煤矿安全 生产现状与趋势、 预测未来， 并针对煤矿应急现象做 出科学合理的响应对策。 参考文献 Ｒeferences ［ 1］孙彦景， 左海维， 钱建生， 等．面向煤矿安全生产的物联网应用 模式及关键技术［J］．煤炭科学技术， 2013， 41 1 84－88． Sun Yanjing， Zuo Haiwei， Qian Jiansheng， et 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