（通信与信息系统专业论文）煤矿远程监测系统的研究与设计.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 煤矿远程监测系统的研究与设计 通信与信息系统 林瑜 卢建军 摘要 ( 签名) ( 签名) 煤炭作为我国的主要能源，在国民经济中占有重要地位，矿井安全是煤炭企业健康 有序发展的重要保证。针对目前矿井安全监测的现状及存在的主要问题，本文以亭南煤 矿为试点，设计了一种集信息采集、信息传输、信息处理和危险预测预报于一体的煤矿 安全生产远程监测系统。本系统由数据采集器完成井下现场数据的采集，中心服务器对 数据进行处理后，将数据发送到远程客户端，这样工作人员就可以全面、实时地对井下 工作状况进行监测和控制，满足了生产单位对矿井安全状态的监测要求。 本文阐述了系统总体的设计方案，提出基于c s 与b s 混合模式的结构模式。详细 设计了系统的软件方案，包括数据库的设计，软件功能模块的设计以及服务器端的设计。 同时，考虑到系统的网络结构与网络环境，研究了当前的数据缓存技术，提出了一种分 布式节点多级数据缓存模型，并将此模型应用到系统中，减轻了系统服务器的压力，大 大提高了系统的性能。然后采用d e l p h i 实现了系统c s 结构模式下的客户端，并对系统 实现过程中所用的关键技术做出了详细描述。本课题实现了系统监测点数据的实时显 示、历史数据查询、曲线绘制，故障统计、实时报警、安全管理、视频监视等功能。最 后对全文进行了总结，对课题的进一步研究提出了展望。 关键词：远程监测；数据缓存；数据采集；数据库 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o a lm i n er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：l i ny u i n s t r u c t o r ：l uj i a n ju n a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) a sam a j o re n e r g ys o u r c ei nc h i n a ，c o a lo c c u p i e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h en a t i o n a l e c o n o m y c o n s i d e r i n gm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs t a t u sq u oa n dt h ee x i s t i n gm a i np r o b l e m s ， r e g a r d i n gt i n g n a nc o l l i e r yo f s h a n n x ia st h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c t ，w ed e s i g n e dt h ec o a lm i n e r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hi n t e g r a t e sm o d e ms i g n a lg a t h e r i n gt e c h n o l o g y , s i g n a l t r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dr i s k f o r e c a s t t e c h n o l o g y t h es y s t e m ，c o l l e c t st h ef i e l dd a t ab yd a t ac o l l e c t o r , p r o c e s s e st h ed a t eb yc e n t r a l s e r v e ra n dt h e nt r a n s m i t st h em o n i t o r i n gd a t at ot h er e m o t ec l i e n t d e p e n d i n go nt h es y s t e m ， t h er e l a t e dw o r k e r sc a l lm o n i t o ra n dc o n t r o lt h ep r o d u c t i o ns i t u a t i o no fm i n e 1 1 1 es y s t e m s a t i s f i e st h ed e m a n d so ft h ec o a le n t e r p r i s e ，t h ep r o d u c t i o no ft h em i n ec a nb em o n i t o r e d c o m p l e t e l ya n dr e a l t i m e l y t h i st h e s i sd e s i g n e dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，a n da d o p t e dt h em i x e dm o d eo f c sa n db sa st h es y s t e ma r c h i t e c t u r e i td e s c r i b e dt h es o f t w a r es c h e m eo ft h es y s t e m ，w h i c h i n c l u d e sd a t a b a s es y s t e md e s i g n ，s o f t w a r ef u n c t i o n a lm o d u l e sd e s i g na n dt h ef u n c t i o no f s e r v e rs i d ed e s i g n m e a n w h i l e ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h en e t w o r kf r a m ea n de n v i r o n m e n t ， r e s e a r c h i n ge x i s t i n gd a t ac a c h et e c h n o l o g y , w ea d v a n c e dam u l t i - l e v e ld a t ac a c h em o d e lo f d i s t r i b u t e dn o d e ，a n da p p l i e dt h em o d e li n t ot h es y s t e m ，w h i c hc a r lr e l i e v et h et a s ko ft h e s e r v e r , a n di m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h es y s t e mg r e a t l y t h e n ，t h et e x tf i n i s h e dt h ef u n c t i o no f t h ec ss t r u c t u r ew i t l ld e l p h i ，a n dd e s c r i b e dt h ec r u c i a lt e c h n o l o g i e sw h i c ha r eu s e di nt h e s y s t e m t h ef u n c t i o n so f t h es y s t e ma r ei m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gd i s p l a y i n gr e c o r d so fc u r r e n t ， i n q u i r i n gh i s t o r yr e c o r d s ，d r a w i n gc u r v e ，c o u n t i n gf a u l tr e c o r d s ，a l a r m i n gi nt i m e ，s a f e l y m a n a g i n gs y s t e m ，v i d e om o n i t o re t c f i n a l l y , i ts u m m a r i z e dt h ew h o l et e x t ，a n dp r o p o s e d s o m ee x p e c t a t i o n st ot h es u b j e c t k e vw o r d s ：r e m o t em o n i t o rd a t ec a c h ed a t ac o l l e c t i o nd a t a b a s e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、 学位论文作者签名：求知霸日期：房一罗? 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师躲夕聋 7 年多月z 汨 i r v 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 煤炭工业在我国国民经济发展中有着举足轻重的地位，煤矿安全则是煤炭工业稳 定、持续、高速发展的根本保证。由于煤炭开采生产环境恶劣，生产过程复杂，受多种 自然灾害的威胁，煤矿事故频频发生，我国煤矿安全生产面临着非常严峻的形势，而广 泛应用信息技术是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段。 到目前为止，煤矿行业最为普遍的信息化技术的应用是“煤矿井下安全监控系统 ， 在煤炭安全规程中已经把配置该系统作为高瓦斯矿井从事煤炭生产的必备条件，一 些省份更进一步要求曾经发生过瓦斯事故、有瓦斯突出的煤矿也必须配备该系统。连续 多年来，国家通过国债资金支持煤矿进行安全环境治理，许多资金用于煤矿的“煤矿井 下安全监控系统 的装备上，目前符合规程要求的高瓦斯矿井已经基本安装配备了“煤 矿井下安全监控系统，煤矿生产企业已经从观念上完全认同了“煤矿井下安全监控系 统”对于安全生产所起的保障作用【l 】。 我国煤炭安全监控技术应用较晚，1 9 8 3 至1 9 8 5 年，从欧美国家先后引进了数十套 矿井监控系统，如法国的g t t 6 3 4 0 、英国的m i n o s 系统、德国的t f 2 0 0 系统、美国 的s c a d a 系统等，装备了部分煤矿。通过消化吸收国外产品的精髓，从9 0 年代后， 我国一些研究单位结合我国煤矿的实际情况，研制开发出了一批具有较高水平的监控系 统。如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的k j 6 6 系统、煤科院重庆分 院的k j 9 0 系统、上海嘉利矿山电子公司的k j 9 2 系统、煤科总院常州自动化研究所的 k j 9 5 系统等。这些系统的主要特点是：测控分站的智能化水平进一步提高；具有网络 连接功能；系统软件普遍采用了w i n d o w s 操作系统。实践表明，安全监控系统为煤矿安 全生产和管理起到了十分重要的作用【2 1 3 1 。 由于煤矿监测技术是综合性技术，涉及到计算机、电子技术、通信、物理、化学、 电工等多种学科，功能复杂，技术难度高，所以，目前现有的监测系统仍存在着不同程 度的问题： ( 1 ) 监测信息只做简单处理，监控系统缺乏智能化，无法由监测系统进行危险性评价， 以获得最优安全生产方案。 ( 2 ) 监测信息网络化程度不高，有关科室人员不能在办公室实时浏览其监控信息。虽 然新型监控系统k j 9 3 、k j 9 5 较好地解决了利用计算机网络传输检测结果的问题，但是 监测的参数少，而且不能远距离、及时地把监控数据传给上级管理部门，给领导的正确 决策带来诸多不便。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 由于传感器数量少、设置地点不尽合理、设置时间滞后以及监测信息不够全面等 问题，目前还不能够完全依靠监测系统的信息进行安全生产管理工作，还大量地采用手 工传递和处理信息。 ( 4 ) 采用有线通信方式，井下布线密集，一旦发生线路断裂或其他相关事故，则可能 导致监控数据的丢失。 基于上述问题，建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化、 智能化的监测体系，通过监控系统和计算机网络对矿井安全生产情况进行实时监测和预 警分析，并优选安全生产方案，科学、合理的进行生产管理和事故预防工作，是现在化 矿井急需解决的重要问题。 1 2 项目背景 本论文基于目前煤矿安全管理现状，在研究国内外已有监测监控系统技术的基础 上，结合淄矿集团亭南煤矿安全信息监控网络系统的建设要求，力求从现场实际要求从 发，提出了煤矿远程监控系统的研究方案。通过建立煤矿安全生产监测网络，结合煤矿 安全管理，实现瓦斯等安全数采集、分析、报警、处理等信息完全共享，形成全方位快 速反应能力，加强煤矿安全监察机构和煤炭行业管理部门进行及时的监察和管理，提升 监管监察水平，逐步形成科学化、系统化、网络化的监察监管体系，减少瓦斯等重特大 事故的发生。 本论文参与的项目是，淄博矿业( 集团) 公司亭南煤矿与煤炭科学研究总院常州自动 化研究所、西安科技大学合作，参与国家高技术研究发展计划一8 6 3 计划煤矿数字化瓦斯 远程监测监控系统项目的建设与应用。将该项目计划的研究成果应用于煤炭企业。 淄博矿业( 集团) 公司亭南煤矿亭南煤业有限责任公司位于陕西省长武县境内，隶属 山东省淄博矿业集团。亭南煤矿地处陕西第二大煤田彬长煤田中部，位于长武县亭口乡 亭南村，亭南煤矿井田面积2 4 9 平方公里，煤层平均厚度8 2 9 米，地质储量3 9 8 8 3 力吨， 可采储量1 8 4 2 9 力 吨，煤质为低灰、低硫、低磷、高发热量、高挥发粉的优质动力煤。 亭南矿井自2 0 0 2 年1 0 月3 0 同举行奠基仪式进入施工以来，严格按照“六优、“七最”的 建设思路，经过广大建设者的艰苦努力，矿井建设的主体框架已经基本形成。地面竣工 建筑面积1 6 6 1 5 平方米，绿化面积5 0 0 0 0 平方米；煤井设计采用一对立井开拓全井田，井 口标高+ 8 5 6 3 m ，井底车场标高+ 4 5 5 m 。沿煤层走向布置三条大巷，全井田划分为四个 盘曲；采用单一倾斜长壁采煤法以综采放顶煤为主的采煤工艺，首采工作面长度1 2 0 m ， 推进长度1 0 0 0 m 。可实现“一矿一井一面”，年产煤1 2 0 万吨。截至2 0 0 5 年1 2 月底，矿井 地面生活及办公设施全面建成并投入使用，井下各大系统已全面建成并进入联合试运转 阶段。该矿是我国煤矿的典型代表，其现代化、网络化程度较高，为实现煤矿远程监控 系统的实施提供了充分的条件。 2 1 绪论 1 3 论文结构与所做工作 本项目结合煤炭行业自身的特点，充分利用煤矿自身的信息资源，开发了煤矿远程 监测系统，能够将井下各种参数实时采集、实时监测并进行数据分析处理，建立基于煤 矿重大危险源风险预防和控制的煤矿安全生产监测、预警体系，提高各级煤矿安全生产 监督管理和监察执法能力，有效地消除煤矿生产过程中的不安全因素，从而减少或避免 煤矿瓦斯爆炸等重特大灾难的发生。 本监测系统包括现场煤矿端、中心服务器和客户端三部分，提供了实时数据查看、 历史数据查询、安全报警管理、数据分析、权限管理、系统管理、视频、地理信息等功 能。提将底层数据以及视频信息通过i p 统一集成到监控平台上，并以多种方式显示出 来，以供查询分析应用。系统开发的过程中主要应用了数据缓存，数据采集、传输以及 组件等相关技术。论文的主要工作如下： ( 1 ) 结合亭南煤矿实际情况，根据系统的功能需求，从网络架构、组网方案，系统体 系结构，系统模块功能等方面对系统进行了总体的设计。 ( 2 ) 根据系统的网络结构，提出了适用于系统的分布式节点多级数据缓存的模型。并 提出了解决缓存一致性的方法。 ( 3 ) 设计并实现了“煤矿远程监测系统 的数据库、服务器和客户端的具体业务功 能。 ( 4 ) 详细介绍系统实现中所用关键技术的原理及在系统中的应用。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 1 系统的框架设计 2 系统的设计 2 1 1 系统的功能需求 纵观我国煤矿事故的原因，大多数是由于井下瓦斯爆炸、闭气等原因引起。因此对 煤矿井下安全生产实行远程监测是有效预防事故的方法。根据需求调研得出，亭南煤矿 安全生产远程监测系统需要有如下的功能： ( 1 ) 数据采集与显示功能。监测系统能够根据要求从数据库中取得所需的信息并进行 相应的处理，同时把监测的数据实时的显示给用户，用户可以通过提供的目录，准确、 快速的找到相关设备的状态信息。 ( 2 ) 用户界面功能。界面是人与程序交互的起点，一个好的系统首先要拥有一个友善 的用户界面。系统的用户界面应该尽可能简洁和人性化，能够让使用者方便、轻松、舒 适的使用，系统提供的功能要完整明确易懂的出现在用户界面上。 ( 3 ) 视频功能。能够对重要的生产和安全场所进行视频图像监测。 ( 4 ) 数据查询统计功能。通过对历史数据的查询或历史故障的统计可以使我们更好的 做好预防措施。 ( 5 ) 安全功能。任何时候，系统的安全都是一个非常重要的方面，系统要能保护系统 中的信息安全，防止恶意破坏。不允许无权限的人观察到重要资料和进行有关操作。对 于系统中的使用者也要进行权限分级，重要的操作只能有特定的人员能够进行。 ( 6 ) 配置管理功能。配置管理用于监测对象、监测系统自身的增加、修改和删除管理。 例如用户管理、网络设置等。它应操作简单、方便直观且具有兼容性，可以在线进行配 置，不中断系统的运行。配置资料的录入要求简洁明了，易于理解和操作。 ( 7 ) 报警功能。当检测到某种危险信号或是当系统运行状态不稳定不合理时，系统要 能向管理人员发出报警信号。 2 1 2 系统的设计原则 根据亭南煤矿井下监测网络系统的技术需求和本项目设备技术特点，技术方案的设 计严格遵循以下几点原则： ( 1 ) 实用性：系统性能价格比高，易维护、易使用、运行费用低。能够最大限度满足 全省各级煤矿行业管理机构履行职责的实际需要。提供友好的用户操作界面，界面表达 形象化、直观化，操作步骤简洁化。 4 2 系统的设计 ( 2 ) 可靠性：系统采用高质量工业级的计算机设备、网络通信设备、数据采集终端， 使系统安全可靠性高，有足够的抗干扰能力。监控系统的可靠性高于任何被监控系统的 可靠性；不产生影响被监控设备正常工作的电磁干扰；被监控设备的故障不影响监控系 统的正常工作；前端设备具有良好的抗电磁辐射干扰能力，能够在复杂的电磁环境中正 常工作。 ( 3 ) 实时性：监控系统采用实时多任务操作系统、多线程编程技术及事件优先处理技 术。 ( 4 ) 开放性：监控系统采用标准的通信接口和统一的通信协议。监控系统能与各种智 能设备、各级网管计算机正常通信。监控系统具有丰富的系统开放资源和网络资源，具 有开放的网络通信协议，开放式数据库接口。监控系统的通信接口及协议均遵循行业标 准。 ( 5 ) 扩展性：系统采用模块化结构，具有足够的灵活性以适应不同规模的系统和不同 数量的监控对象的需求；能适应不断增加的扩展需求，当系统需要扩容时，只需增加终 端设备，不需要软件的更新。 ( 6 ) 可及性：监控系统具有支持本地和远程访问的能力。操作人员在本地或远端应均 能在计算机屏幕上观察到全部监控数据。 ( 7 ) 安全性：系统具有良好的安全管理功能，数据存储、检索、提取、发布和管理等 各个层面和角度都具有相应的安全机制。各级数据中心服务器支持双机热备份，保证历 史数据不丢失，瓦斯数据等监测不中断。数据中心可建立灾难恢复体系，能够及时的恢 复数据库。数据中心采用网络防毒技术，以防止计算机病毒的危害。在网络体系中设立 了防火墙，采用入侵检测技术，身份验证等手段保证网络体系的安全。 2 1 3 系统的网络架构设计 系统的整个网络架构如图2 1 所示。 从下图可知，系统自下而上可分为三部分。 数据采集部分主要完成井下应用系统的各类实时数据，如瓦斯浓度、温度、粉尘、 温度等参数的采集，主要是由煤矿工业监控网来完成，包括地面井下的传感器系统、数 据采集系统、工控p c 机系统、智能监控与预测维护软件系统、通信软件与硬件、监测软 件系统。本监测系统是把采集到的数据利用数据采集器接口把数据送入数据处理中心的 服务器中。底层数据采集和监控系统采用了单向数据传输技术，保证了各应用系统的安 全性。 数据处理中心可以看成系统的服务器端，数据处理中心不问断的接收数据采集器的 数据，并按照标准的规范进行统一的存储和管理，通过这样的处理将监测的数据统一在 i p 的平台上。数据处理中心同时动态的更新煤矿的井下g i s 信息，使远程的用户二维图 5 西安科技大学硕士学位论文 形的空间与本地用户保持一致。数据处理中心对于各类用户的请求，采用模块化和组件 化的方式进行业务和数据逻辑的处理，并将结果返回各类用户，提供各类问题的处理模 式。同时数据处理中心保留了各矿级单位的监测的历史记录和对于各类问题的处理结 果。 客户端 恤据哩幽 工 作 数据处理部分 i 应用服务器 厶 口 、 ： 、 监测监控应用服务器数据采集部分 r 数据采集器p _ 、i 据采集器 置建州 以太通信模块网络接u 设备 以太通信模块网络接几设备 工控网络- 1 。 。 t 控网络f 厂习f r _ j 业l 阻翮i 翻酮厂王f 1 = 业lr 瘸j i ： 控教 地面 i 提升| ”i 电递j 据库l 地面【提升j ”i 电税| ”i 据库l 井下 井下 工业总线 下业总线 i 监嗣i l 监测i l崮吖盎卜”j 监测i l 监测l l 测点 图2 1 远程监测系统的网络架构 客户端应用程序封装了用户图形化操作界面，不同用户的客户端封装的操作内容根 据不同的用户的业需求制定。实时监测的数据和井下g i s 空间的数据是联动的。 整个远程监测系统采用客户服务器、浏览器服务器模式将分布在不同地域的设备 6 奄 墙 瞅器自鼢凸 中 彩 2 系统的设计 监测资源连接在一起，从而实现煤矿安全生产远程监测的广域网络化。 2 1 4 系统组网方案的设计 从组网的角度来看，系统可分为井下和井上两部分。井下需要的监测系统有井下监 视点、井下电话、安全监测、采区变电所监测、采区水泵监测等。井上地面需要的监测 系统有主井提升监测、副井提升监测、变电站、消防泵、工业电视系统、矿井污水处理 系统等。 井下监测系统较为复杂，因为地形复杂，通信条件差，环境恶劣。为了监测的实时 性和可靠性，井下组网采用的是“现场总线+ 以太网”的方案。 这种网络的特点是：系统的通信建立在以太网、t c p i p 和现场总线的混合通信协议 之上，通过网关实现高速计算机网络以太网和相对低速现场总线的互联，以实现计 算机系统和现场仪表、设备的互联和互操作。当计算机向现场仪表、设备发送信息时， 它首先基于以太网和t c p i p 协议将信息发送给相应的网关，然后由网关根据现场总线协 议发送给相应的现场仪表、设备。反过来，当现场仪表、设备有信息发送给计算机时， 需要由网关作为代理，通过以太网矛i t c p i p 协议转发给相应的计算机。 但是整个制造业企业的网络是分层结构的，在最底层有用于传感器执行器的总线标 准，设备级有设备级的总线标准，控制级，系统级的通信总线已普遍采用工业以太网的 产品。可以将每个采用的总线标准的数据采集系统接入井下工业以太网，接口处采用网 关设备或策略。在以太网上通过以太网交换机将采集到的数据发送给相应的计算机，而 以前通过总线方式接入的控制计算机要通过以太网重新接入，就需要添加接口协议，例 如采用o p c 技术，可以改善网络结构的开放性和互操作性。如图2 2 所示。 图2 2 井下组网示意图 7 西安科技大学硕士学位论文 井上的监测系统相对简单，因为井上的地理环境和通信条件相对良好，因此工控网 络采用现场总线技术可以满足对数据的实时性和可靠性要求。煤炭企业局域网需要监测 的数据点不止一个矿井、一个监控系统，为了把多个矿井的井下和地面的监测数据安全 导入企业内部局域网，因此我们采用光纤环网的组网方案。 光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，基于光纤的数字通信有 很多的优点：高灵敏度和可靠性、传输质量好，是高质量通信网的首选；抗干扰能力强； 适合强磁场等恶劣环境下通信需求，支持多种带宽、多种业务、多种组网结构的通信。 环网有以下优点：适应重负荷应用环境；具有实时性能和优先权机制；环网的媒体 可以使用光纤；覆盖范围较大，可达数十公里。 具有双环结构的光纤环网技术具有带宽动态分配、统计复用、支持业务级别和公平 接入等特性，是当前光网络上传输数据包的一种优化技术。传统的以太网采用的是“尽 力而为”的传送机制，能够很好地适应数据业务的突发性传输要求，具有良好的扩展性； 缺点是无q o s 保证，保护倒换能力差。而光纤环网技术综合了千兆以太网的经济性、s d h 具有对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和5 0 m s 环保护和恢复等优点。采用由分组交 换节点组成的环型结构，相邻节点通过一对光纤连接。对于企业监测系统来说，无论从 数据的可靠性和通信的传输速率，还是企业高带宽造成的资源浪费问题，光纤环网都是 最佳选择。 2 1 5 底层数据采集及通信方案的设计 本监控系统底层数据采集的主要完成：按照不同频率，从工业网络中不同的系统采 集数据；对于不同系统，将d d e 数据组织成系统表，连同网络共享文件用f t p 方式c o p y 到本地；对于本地数据采用行读取进行解析，并组织成数据库格式；调用各存储过程写 入到数据库中。数据采集流程如图2 3 所示。 图2 3 数据采集流程 亭南煤矿全矿井自动化系统目前共有1 4 个安全生产监测监控子系统。根据各个子系 统的控制范围、控制要求的不同而制定了不同的集成方案。基本采用o p cs e r v e r 、 d d e n e t d d e 的软件接口，及部分f t p 方式。所以，亭南煤矿底层的数据通信采用d d e 、 o p c 、f t p 方式 4 1 。 d d e 技术，o p c 技术及f t p 技术的原理以及在系统中的应用，在本文的第六章会 有详细的描述。 8 2 系统的设计 2 2 系统结构模型的设计 系统结构定义了应用程序的各个模块之间如何相互作用，以及每个模块负责执行什 么样的功能。选择合理的系统结构，是任何软件系统设计的首要任务。 系统结构模型经历了七、八十年代的集中式和九十年代的分布式计算模型的演变历 程。分布式计算模型主要指客户机j j 艮务器结构和w e b 计算结构，其目的是将计算工作 分摊到多部计算机中，减轻集中在单部计算机上运算负载以降低可能的风险。其中w e b 计算结构包括浏览器w e b 服务器结构和浏览器应用服务器数据库服务器三层结构【5 j 。 2 2 1 客户机, - t i 务器结构 随着通信技术、网络技术和数据库技术的发展，在8 0 年代中期出现了客户机h i 务 器( c l i e n t s e r v e r ，简称c s ) 结构，并且成为计算机技术的发展方向。其基本思想是：用 户通过应用程序向客户机提出数据请求，客户机通过网络将用户的数据请求提交给服务 器，服务器的数据库管理系统执行数据处理任务，然后把经过处理后的用户需要的那部 分数据，而不是整个文件，传输到客户机上，最后由客户机完成对其所需数据的加工。 这种计算模型的结构图如图2 4 所示。 服务器数据 客户端s q l 请求 库管理系统 图2 4c s 两层结构 c s 这种应用架构的前台客户机具有图形用户界面及一定的交互处理能力，并能完 成一些业务处理和流程控制任务。客户机通过发出s q l 请求来得到服务器的数据服务， 也可以通过调用服务器数据库中的存储过程来要求数据库完成一些业务处理。后台服务 器大部分是关系型数据库管理系统，用以提供数据服务和一部分业务处理( 存储过程) 功 能。客户机和服务器通过局域网连接，通讯协议是局域网协议( 当然后来基本上都支持 了t c p i p ) 。这种方式带来了当时理念上的全新冲击，首先中小企业不必购买价格高昂 的大型主机，而是可以用一些性价比高的符合开放标准的数据库服务器；其次是客户端 ( p c 机) 的图形用户界面输入方式和展现形式丰富，大大简化了系统的操作难度和对输出 结果的理解难度，降低了对使用者的要求这样也大大降低了企业构建业务系统的门槛， 使得企业可以采用性价比更高的方式来构建自己的应用业务系统。这种开放式架构具有 友好的用户界面、均衡的负载分配，比“主机终端”架构更好的处理能力、伸缩性和性 价比，因此当时众多企业都把自己的部门级和企业级的应用部分构建在客户机j j 艮务器的 架构上。由于这种架构中的客户端具有强大的处理能力，应用软件的大部分程序是运行 9 西安科技大学硕士学位论文 在客户端上的，所以也称为胖客户端。 随着应用的深入和规模的不断扩大，应用程序同趋复杂，两层c s 结构暴露出许多 问题【6 】：由于显示逻辑和事务处理逻辑部分均被放在客户端，使得客户端承受着双重任 务，从而变“胖了，而服务器端任务较轻，成为瘦服务器，从而形成一种“胖客户端 瘦服务器”( f a tc l i e n t t h i ns e r v e r ) 结构。负荷不均匀使得客户端的管理越来越困难，因 为如果系统升级，必须为所有的客户端一一升级。这不仅给应用软件的实现带来了不便， 而且软件维护费用也越来越高。此外，c s 结构所采用的软件产品大都缺乏开放的标准， 般不能跨平台运行。 当把c s 结构的软件应用于广域网时就暴露出更多的问题：由于客户端和服务器端 直接连接，服务器将消耗部分系统资源用于处理与客户端的连接工作，每当同时存在大 量客户端数据请求时，服务器有限的系统资源将被用于频繁应付与客户端之间的连接， 无法及时响应数据请求从而产生数据堆积，进而导致系统整体运行效率的大幅降低甚至 全面崩溃。而w e b 计算结构可以比较圆满的解决以上问题。 2 2 2w e b 结构 2 0 世纪9 0 年代中期，随着i n t e m e t 的广泛应用和普及，人们从i n t e m e t 上得到了方 便、快捷和更加多样化的信息，浏览器j j l 务器( b r o w s e r s e r v e r ，简称b s ) 结构就在这种 背景下产生了。在b s 结构中，把原来在客户机一侧的应用程序模块与显示功能分开， 将它放到w e b 服务器上单独组成一层，客户机上统一采用易于操作的用户界面一浏览 器。通过把负荷均衡地分配给了w e b 服务器，客户机变“瘦”了，从而使系统更具有 可控性，给系统维护带来了极大地方便。将系统地应用程序集中到服务器端，而无需开 发客户端程序，服务器上所有应用程序都可以通过w e b 浏览器与数据库连接实现访问 w e b 数据库的功能，不仅统一了用户界面，而且实现了跨平台操作。b s 结构地最大特 色在于为用户提供良好地信息查询界面。w e b 服务器把各种形式地信息，如文本、图像、 声音和视频等紧密地集成在一起，用户只需要提出自己地查询要求，具体到哪个地方、 如何取回信息都由w e b 服务器自动完成。实现w e 服务地通信协议是h t t p ( 超文本传输 协议) ，它定义了h t t p 地通信交换机制，h t m l ( 超文本标记语言) 用来描述w 曲上发布 地信息，浏览器通过解释执行h t m l 文件显示图文并茂地信息，向用户提供良好地信 息查询界面。确切地说，b s 结构是在传统c s 结构地基础上发展起来的适用于分布环 境的新型网络计算模式，人们常常称之为三层c s 结构模型。b s 结构把c s 结构的服 务器端进行细化，分解为一个w e b 服务器和一个或多个数据库服务器【7 j 。三层的b s 模 型如图2 5 所示。 1 0 2 系统的设计 h t t p 请求 s q l 请求 w e b 浏览器w e b 服务器 数据库服 务器 、 h t m l 结粜s o l 结果 图2 5b ，s 三层结构 第一层是表示层，即w e b 浏览器层，是用户与系统之间交互信息的界面。它的主 要功能是提供可视界面，检查用户输入的数据，显示系统输出的数据。用户在客户端使 用浏览器由统一资源定位器c o r l ) 指定w e b 服务器地址，并提出服务申请w e b 服务器对 用户身份进行验证后根据用户的申请用h t t p 协议把所需的文件资料传送给用户，客户 端接收文件资料，并显示在浏览器上。 第二层是功能层，即w e b 服务器层，w e b 服务器完成客户的应用功能。功能层是 应用的主体，是表示层与数据层的逻辑桥梁。它包括了应用中全部的业务处理程序。它 的任务是接受用户的请求，如果请求的是一般的静态页面，则在服务器文件系统找到所 需的页面作为最终结果返回给用户。如果用户请求是内嵌在服务器端执行的脚本语言的 程序调用，则启动相应的服务程序，动态生成页面返回给用户。当w e b 服务器得到的 请求是含s q l 语句的程序时，由该对象组件负责处理页面中内嵌的s q l 语句，访问数 据库并返回处理信息，将结果处理成标准的h t m l 文本，返回给浏览器用户。在后两 种请求中，w e b 服务器首先需要执行相应的扩展应用程序或其它相关程序，建立与数据 库系统的连接，向数据库服务器提出数据处理申请，然后等数据库服务器将数据处理的 结果提交给w e b 服务器，再由w e b 服务器传送回客户端。 第三层是数据层，即数据库服务器层，主要利用数据库服务器完成数据的存储和管 理功能。它的任务是接受w e b 服务器对数据库操纵的请求，实现对数据库查询修改、 更新等功能，把运行结构提交给w e b 服务器。 c s 和b s 是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术。c s 是美国b o r l a n d 公司 最早研发，b s 是美国微软公司研发。但是b s 计算模式与c s 计算模式相比具有以下 特点【8 】【9 1 ： 第一，硬件环境不同。c s 一般建立在专用的网络上，小范围里的网络环境，局域 网之间再通过专i - jj 艮务器提供连接和数据交换服务。b s 建立在广域网之上的，不必是 专门的网络硬件环境，例如电话上网，租用设备，信息自己管理，有比c s 更强的适应 范围，一般只要有操作系统和浏览器就行。 第二，对安全要求不同。c s 一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力 很强。一般高度机密的信息系统采用c s 结构适宜，可以通过b s 发布部分可公开信息。 b s 建立在广域网之上，对安全的控制能力相对弱，面向是不可知的用户群。 第三，对程序架构不同。c s 程序可以更加注重流程，可以对权限多层次校验，对 西安科技大学硕士学位论文 系统运行速度可以较少考虑。b s 对安全以及访问速度的多重的考虑，建立在需要更加 优化的基础之上比c s 有更高的要求。 第四，软件重用不同。c s 程序不可避免的要做整体性考虑，构件的重用性不如在 b s 要求下的构件的重用性好。b s 对应的多重结构，要求构件具有相对独立的功能。 能够相对较好的重用。 第五，系统维护不同。系统维护在软件生存周期中，开销大，相当重要。c s 程序 由于其整体性，必须整体的考察，处理出现的问题以及系统升级难，如果出现问题可能 是再做一个全新的系统。b s 构件组成方面构件个别的更换，实现系统的无缝升级。系 统维护开销减到最小，用户从网上自己下载安装就可以实现升级。 第六，处理问题不同。c s 程序可以处理用户面固定，并且在相同区域，安全要求 高的需求，与操作系统相关，应该都是相同的系统。b s 建立在广域网上，面向不同的 用户群，分散地域，这是c s 无法作到的，与操作系统平台关系最小。 第七，用户接口不同。c s 多是建立在w i n d o w 平台上，表现方法有限，对程序员 普遍要求较高。b s 建立在浏览器上，有更加丰富和生动的表现方式与用户交流，并且 大部分难度减低降低了开发成本。 2 2 3b s 、c s 混合模式 本文在系统设计时，在考虑了系统结构的各方面要求的基础上，结合两种结构的优 缺点，选择了将c s 的成熟技术与b s 的先进技术相结合的体系结构。 c s 与b s 混合软件体系结构的优点是外部用户不直接访问数据库服务器，能保证企 业数据库的相对安全。企业内部用户的交互性较强，数据查询和修改的响应速度较快， 在煤炭企业内部网上实现数据的传输安全性高、速度快，服务器上数据库数的维护方便， 使用c s 结构具有较大的优势。其他人员主要需要浏览功能多一些，所以采用b s 的体系 结构较合理。c s 与b s 的相结合的系统体系结构图如图2 6 所示。 图2 6c s 与b s 结构混合模式 本系统的设计模式是：集团内部网中的主机，可以选择c s 或b s 任何一种模式来访 1 2 2 系统的设计 问数据库服务器；同时系统管理员通过c s 来完成对数据库的维护，一些高度机密的信 息也只能通过c s 来访问。b s 部分主要完成信息发布和监测功能。i n t e r a c t 用户访问数据 库时要先经过公司内部网的防火墙，然后通过内部网访问w r e b 服务器，再通过中间件来 访问数据库服务器。该解决方案把b s 和c s 这两种软件体系结构进行了有机的结合，扬 长避短，有效地发挥了各自的优势。同时，因外部用户只需一台接入i n t e m e t 的计算机， 就可以通过i n t e m e t 查询井下监测情况，无须做太大的投入和复杂的设置，这样也可以使 一些网络环境不佳的地方的用户使用系统。 2 3 系统的软件模型及功能模块设计 2 3 1 系统的模型设计 系统的软件设计分为三个部分：煤矿端、中心服务器和客户端部分。模型如图2 7 所示。 客户端 ： 中心服务器 f 煤矿端 图2 7 系统软件模型 煤矿端部分方面负责采集各个现场控制节点的运行状况数据，并经过汇总、预处理 之后传递给中心服务器。包括井下的传感器系统、数据采集系统、工控p c 机系统、智能 监控与预测维修软件系统、通信软件与硬件系统、监控软件系统。 中心服务器部分是一个中介系统，一般主要由w 曲服务器、应用服务器和数据库服 务器组成。它主要功能是接受煤矿端发送的实时数据，将数据存入后台数据库，同时负 责与煤矿端和客户端进行交互，以实现远程监测的目的。 客户端部分主要对中心服务器的请求，接受发送的实时与历史数据，根据不同的需 要进行显示，主要完成对实时、历史数据的查询、统计图表以及实时与历史曲线的生成。 2 3 2 系统的模块功能设计 根据亭南煤矿的具体需求，煤矿远程监测系统分为六大功能模块：系统管理、实时 信息、历史数据、参数设置、视频、g i s 模块。具体结构如图2 8 所示。 1 3 西安科技大学硕士学位论丈 图2 8 系统功能模块结构图 各模块的功能描述如下： ( 1 ) 系统管理模块 主要完成系统的用户管理和密码修改的功能，管理员可以增加、修改、删除用户， 在给用户分配用户名和初始密码后，用户可自行更改密码。结构如图2 9 所示。 ( 2 ) 实时信息模块 具有单矿、多矿多点定位监测功能，实时显示各监控设备状态，完成传感器的实时 数据显示，当用户进入系统时出现的第一个界面即为实时数据显示界面，该数据是实时 刷新的，并根据当前传感器的状态以不同颜色显示数据。当有报警数据时，进行闪烁显 示。进入该模块可以进行传感器的实时信息查询、异常数据统计等，数据可以以表格或 曲线的方式显示。结构如图2 1 0 所示。 图2 9 系统管理结构图图2 1 0 实时信息模块结构图 ( 3 ) 历史数据模块 该模块主要完成传感器历史数据的查询、显示等功能以及历史故障的查询统计。其 中历史数据可以以表格或曲线的形式显示。故障统计提供三种方式的统计，可以以季度、 1 4 2 系统的设计 月、日三种不同的方式进行统计。结构如图2 1 1 所示。 图2 11 历史数据模块结构图 ( 4 ) 参数设置模块 该模块完成参数设置。网络通信状况的查看，包括数据巡检时间、通信状态、井下 数据通信更新状况等；网络的设置包括t c p i p 的设置和u d p 的设置；下发通知即用户可 以向某个煤矿下发各种通知；通知查询可以查询某个时间段内的某个煤矿的通知状况并 可以打印。故障报警设置即设置故障信息报警间隔、报警数量等；巡检间隔时间即设置 煤矿的巡检时间间隔。结构如图2 。1 2 所示。 ( 5 ) 视频模块 此模块完成视频的接入及关闭功能。通过本系统，即可调用矿井的实时视频画面， 将视频数据统一到i p 平台中，可以更直观的看到煤矿的实时画面。结构如图2 1 3 所示。 图2 1 3 视频模块结构图图2 1 2 参数