煤矿数字化智慧矿山整体解决数据传输与集成数据处理平台

4.1XX煤矿数据传输平台 234.1.1管理网络 244.1.2工业以太环网（综合自动化网络） 26工业以太环网结构 26系统特点 27技术要求 27设备选型 29工业环网节点划分 30网络的管理与诊断 324.1.3接口标准 344.1.4服务器和磁盘阵列 36服务器选型及功能分配 36服务器的指标要求 37磁盘阵列的接入分配 37机房机柜布置 384.1.5网络安全系统 394.1.6网络行为管理系统 40路由功能 40防火墙功能 40防DDOS攻击 404.1.7工业以太环网主干光缆 414.2XX煤矿数据传输系统 424.2.1传输系统设计 424.2.2传输系统功能特点 424.2.3各监测监控网络和以太网的融合 444.3XX煤矿数据仓库、模型及软件平台的集成开发 464.3.1矿山数据仓库 464.3.2软件平台的总体架构设计 474.3.3软件系统与网络集成的总体架构设计 494.4XX煤矿专用GIS的开发和设计 514.4.1开发内容 514.4.2关键技术 524.5三维可视化平台的关键技术开发 554.5.1开发内容 554.5.2关键技术 554.6XX煤矿组态软件平台的设计 574.6.1功能设计 574.6.2软件平台系统设计 644.6.3关键技术 654.1XX煤矿数据传输平台管理网络能够通过企业信息网络平台传输数据、语音、视频信息；实现企业OA办公自动化、ERP系统、统一上网业务，实现与集团公司及省（市）级安全监察机构联网；支持Internet接入、自动化网络接入。具有“可扩展、可运营、可管理，并可持续发展”的能力。用于管理系统的服务器采用冗余连接至核心交换机，并通过光纤交换机接入磁盘阵列。安全系统设备通过1000M连接至核心交换机，对全网安全进行监测、控制和管理。全网通过安全系统连接至集团网络和Internet，如图4-1所示。工业环网由井下子网、地面子网、骨干环网组成，自动化监控主机以冗余方式接入核心环网交换机，并通过光纤交换机接入磁盘阵列。环网全部采用光纤连接，环上带宽1000M。工业环网经网闸实现与管理网络的可控连接，双向均为1000M接口。图4-1XX煤矿网络架构示意图4.1.1管理网络企业管理网络建设的目标：为办公自动化系统、安全生产管理的各应用系统提供网络交换平台，要求能够承载煤矿信息化系统中涉及的多媒体业务。1.企业网网络概述建立矿井内部信息高速网络平台，实现网络的集中管理，连接互联网络，同时做好外部网络和内部网络的病毒防范。2.企业网网络总体要求（1）高性能。（2）支持多种应用。（3）数据合理划分和VLAN应用。（4）内部网络高安全性。3.企业网网络功能要求（1）支持多种客户端如Web浏览器、移动设备和传统客户端，可运行在多种操作系统上，可访问多种不同的数据系统。（2）支持可伸缩的分布式事务处理，能够提供高级别的安全性、可靠性、可用性和数据完整性。（3）提供可扩展的运行环境，这一环境可用于基于组件的分布式解决方案的开发和部署。（4）可与企业数据库、事务处理系统和其他应用进行交互。（5）能够进行快速的业务集成，业务流程管理，符合现有成熟的应用集成规范。（6）网络要求以模块化、层次化为设计理念，采用三层、星型网络扑结构，网络核心使用千兆以太网交换机、双电源冗余，支持千兆骨干，百兆到桌面。（7）接入交换机采用光纤千兆双链路上行连接至核心交换机。XX煤矿目前只有联建楼的局域网络已经建成，洗煤厂办公楼、公寓楼、矿办公楼目前土建没有完工，没有管理网络。为满足XX煤矿信息化需求，XX煤矿局域网建设以模块化、层次化为设计理念，采用三层、星型网络扑结构，网络核心使用千兆以太网交换机、双引擎、双电源冗余，实现千兆骨干网，百兆到桌面。要求设计在矿办公楼机房设置2台核心管理网络交换机，互为冗余，产品选用国际知名品牌产品，满足中型网络企业用户的伸缩应用。在公寓楼、联建楼、洗煤厂办公楼等地设置汇聚交换机，各个楼层设置接入交换机。汇聚交换机与接入交换机构成XX煤矿企业管理网络系统。其它分散的信息点就近接入企业管理网络系统。管理网络采用星型结构，主干带宽1000M，接入层为100M接入，服务器与核心交换机以1000M接入。核心交换机采用双机冗余来提高性能和控制风险。采用网闸实现与工业环网的连接。管理平台中的物资管理系统、人力资源管理系统、财务管理系统、生产计划与调度管理系统、客户关系管理系统由集团统一布置，本方案不做具体介绍。

4.1.2工业以太环网（综合自动化网络）工业环网由井下子网、地面子网、骨干环网组成，环网全部采用光纤连接，传输速率为1000Mb/s。2台核心交换机，热备（提高性能和控制风险），用于连接调度中心服务器、工作站、网络安全设备及接入层网络设备等，服务器与核心交换机以1000M接入，并通过光纤交换机接入磁盘阵列。工业环网经网闸实现与管理网络的可控连接，双向均为1000M接口。工业以太环网结构地面核心交换机2台和地面的接入交换机8台组成地面环形网络，井上各子系统接入地面网络；地面核心交换机和井下的5台交换机组成井下环形网络，井下子系统接入井下网络；2个环网通过核心交换机进行汇聚，并通过核心交换机实现环间数据通信，构成XX煤矿完整的综合自动化网络平台。工业以太环网拓扑结构示意图如图4-2所示：图4-2XX煤矿工业网络架构示意图系统特点（1）主干冗余网采用单模光纤，具有1000Mb/s数据传输速率，提供足够的带宽。（2）具有丰富的软硬件接口，无缝整合各子系统。（3）具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT世界。（4）能在同一网络上运行不同的传输协议，能建立企业的公共网络平台或基础构架。（5）环网冗余，故障自动回复，网络重构时间＜300ms。（6）快速网络故障定位和诊断。（7）采用多种硬件、软件安全措施，保证了系统运行的安全性和可靠性。（8）支持VLAN技术，通过将网络划分为几个虚拟的子网，有效地减轻网络负荷。（9）全线产品采用工业级产品，确保了整个自动化系统长期连续可靠地运行。技术要求1.工业网核心交换机工业网核心交换机安装在调度指挥中心，在调度指挥中心与综合自动化平台设备构成整个综合自动化系统的核心，通过光纤环网与工业网节点交换机相连。工业核心网络交换机网络要求以模块化、层次化为设计理念，采用工业以太网、千兆带宽、环型技术组网。核心交换设备冗余，设备引擎、电源冗余。整个工业监控网络中，当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或网络设备发生故障时，整个网络实现快速自愈，并保证在300ms内恢复正常的通讯。核心工业交换机应具备以下性能指标：（1）模块化：设备可提供多个扩展性模块，支持强大的接口扩展能力。（2）网络路由：三层交换设备，实现整个网络各子系统间的三层路由及安全策略控制。（3）实现多种冗余：冗余环等，环-环之间耦合，引擎冗余、电源冗余，风扇冗余、热备交换机冗余。（4）端口：设备配置不少于4个千兆单模光接口、不少于20个千兆电接口；实现1000Mbit/s中心环网技术。（5）每台设备配置双电源模块。（6）支持虚拟局域网技术（VLAN），质量服务（Qos），多播过滤功能（IGMP），流量限制功能，模块可热插拔。（7）支持超级冗余换技术，保证任何一个主交换机出现问题,所有服务器和在线工作站可继续工作，环网重构时间严格小于300ms。（8）网络管理及实时故障诊断：支持WEB管理，SNMP协议，可实现远程实时在线故障诊断，当故障发生时，用户可在第一时间实现故障的诊断和定位。2.工业网节点交换机根据XX煤矿的实际地理情况和工业设备的布置情况，采用基于工业以太网为主的以太网构建矿井综合自动化网络硬件平台。综合自动化网络技术选用千兆工业环形以太网，通过国际知名品牌交换机的Hiper-Ring技术组成环网，构成调度监控中心网络的骨干冗余层，在矿井地面、井下各建立一个环网平台，矿井地面、井下环网分别与调度监控中心两台核心交换机连接，最终形成一个冗余工业千兆主干环形网的技术方案。设备选型采用国际知名品牌工业级核心交换机，地面环网接入采用国际知名品牌工业交换机（含至少2小时不间断电源）。井下网络节点设备应为防爆型，并应能实现输入输出信号为本质安全型信号，满足井下本质安全型系统利用本网络传输的需求。设备配置要求1、核心交换机2台核心交换机，安装在办公楼调度监控中心，每台包括：（1）核心交换机1台。（2）千兆20电口。（3）千兆单模4光口。（4）冗余电源。2、地面环网交换机8台地面千兆环网交换机每台包括：（1）一体化千兆工业交换机。（2）8个百兆电口。（3）2个千兆光口（节点交换机配置3个千兆光口）。（4）冗余电源。3、矿用隔爆交换机5台井下矿用隔爆千兆环网交换机，每台包括：（1）一体化千兆工业交换机。（2）8个百兆电口。（3）2个千兆光口（节点交换机配置3个千兆光口）。（4）防爆外壳1台。（5）矿用隔爆不间断电源箱1台；供电不少于2小时。工业环网节点划分核心交换机，安装在办公楼调度监控中心；地面环网接入交换机分别安装在主井提升机房、副井提升机房、洗煤厂、压风机房、变电所；井下环网接入分别安装在井下中央变电所、采区变电所、井下泵房硐室等。工业环网节点划分详见表4-1和表4-2。表4-1网络节点——地面交换机安装位置表编号设备名称规格子系统名称拟安装地点MAHX-1核心交换机4个千兆光口20个千兆电口安全监控系统矿压监测系统办公楼调度控制中心MAHX-2核心交换机4个千兆光口20个千兆电口工业电视系统井下人员定位系统办公楼调度控制中心DMJR-1接入交换机3个千兆光口8个百兆电口主副井提升监控系统主副井提升机房DMJR-2接入交换机2个千兆光口8个百兆电口压风监控系统压风机房DMJR-3接入交换机3个千兆光口8个百兆电口电力监控系统110KV变电所DMJR-4接入交换机2个千兆光口8个百兆电口通风监控系统通风机房DMJR-5接入交换机2个千兆光口8个百兆电口水处理监控系统水处理机房DMJR-6接入交换机2个千兆光口8个百兆电口锅炉房监控系统锅炉房机房DMJR-7接入交换机2个千兆光口8个百兆电口洗煤厂监控系统洗煤厂集控室DMJR-8接入交换机2个千兆光口8个百兆电口黄泥灌浆制浆站场地防火灌浆站系统注：（1）DMJR-1、DMJR-3两台交换机配3个千兆光口，2个是地面环网组网用，1个为与核心交换机级联组网用；（2）交换机的编号不代表实际的安装顺序。表都必须有编号和引用。表4-2网络节点——井下交换机设置位置表编号设备名称规格子系统名称安装地点JXJR-1矿用隔爆千兆交换机配3个千兆光口，8个百兆电口中央变电所监控系统中央水泵房监控系统主变电所JXJR-2矿用隔爆千兆交换机配3个千兆光口，8个百兆电口井下胶带机运输监控系统1#和2#中央大巷胶带机头变电所JXJR-3矿用隔爆千兆交换机配2个千兆光口，8个百兆电口盘区变电所监控系统顺槽皮带监控系统一盘区和二盘区变电所JXJR-4矿用隔爆千兆交换机配2个千兆光口，8个百兆电口井下综采面监测系统40101和40201综放工作面JXJR-5矿用隔爆千兆交换机配2个千兆光口，8个百兆电口盘区水泵房监控系统顺槽皮带监控系统盘区水泵房注：（1）JXJR-1、JXJR-3两台交换机配3个千兆光口，2个是井下环网用，1个为与核心交换机级联组网用；（2）交换机的编号不代表实际的安装顺序。环网交换机布置及各节点距离如图4-3所示。图4-3XX煤矿工业网络交换机布置图网络的管理与诊断由于煤矿行业的特殊性，大量设备被安装在井下环境，给我们对于设备的管理和诊断带来了不小的困难，所以如何建立一个可以统一管理的工业以太网系统，且方便与控制设备进行统一集成与诊断，这样对于在今后的维护工作中分清责任减少设备供应商间的协调难度都有着积极作用。系统网络管理软件界面。使用web方式对网络的简单管理以及OPC的应用。系统内使用的所有设备均支持SNMP、MIB、RMON协议，内置WEB页面管理平台，图形化操作。能够提供配置数据和网络软件的传送、升级和维护管理等功能。可提供网络流量与状态监测功能，并能生成统计、报告与分析，可进行性能调测。通过OPC方式可以方便的将设备状态集成到远程的管理平台中，提供二次开发的接口。SNMPTrap功能使得设备可以以事件形式将故障信息或状态改变的事件发送到相应的管理软件进行浏览。在配置更改或故障发生时，使用远程登录的方式，管理来对交换机的基本参数、冗余功能或VLAN等复杂设置进行更改。该方式操作较为简便，且根据交换机firmware的不断升级，该方式可以提供的管理内容将越来越丰富。使用管理可以完成如下功能：（1）设备配置的FTP/TFTP远程管理、Telnet/SSH连接。（2）BOOTP/DHCP地址分配。（3）SNMPTrap与故障报警邮件的发送接收设置。（4）系统日志查询。（5）ACL及相关安全设置控制。（6）冗余协议管理设置及RSTP协议设置。（7）VLAN划分。（8）静态路由设置。（9）OSPF/RIP动态路由设置。（10）IGMPSnooping组播设置。除此之外，当备件更换或常规维护时，可以使用远程配置备份与C-PLUG的方式对网络进行快速管理维护。4.1.3接口标准1.系统硬件接口方式煤矿有几十个监控监测子系统，根据控制点的分布、各子系统接口特点，数字化矿山建设采用以下四种接入方式。（1）上位机接入：有些子系统没有以太网接口，但有上位机，可以在该上位机上增加通信网卡支持，与附近的交换机进行物理上的网络联接。（2）PLC接入：有些子系统采用PLC进行控制，通过对PLC增加以太网模块，与交换机进行物理上的网络联接。（3）子网络接入：有些子系统自成网络，对外有统一的以太网接口，可以通过以太网接口与交换机进行物理上的网络联接。（4）扩展接入：有些子系统既没有以太网接口，也没有上位机，但系统支持RS485或现场总线，可增加一台接口转换设备，通过接口转换装置转化成以太网接口与交换机进行物理上的网络联接（对接口转换装置的技术要求：处理时间短，技术先进合理，满足快速指挥调度要求，要求画面监测显示与现场实际之间响应时间不超过1秒）。2.系统软件接口方式数字化矿山软件接口应与硬件同样重要，各子系统与采集服务器的数据通信有四种方式：OPC通信方式、驱动通信方式、DDE/NetDDE方式和自主开发方式。（1）OPC通信：如果该子系统具有上位机，并且上位机软件支持OPCSERVER，则可通过上位机软件的OPC方式进行通信。OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通信标准，OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。（2）驱动通信：如果组态软件支持该子系统的PLC的驱动，或者PLC有基于OPCSERVER的驱动，则可以通过组态软件直接与PLC通信进行数据交换。（3）DDE/NetDDE通信：DDE/NetDDE通信方式是一种标准的网络接口，是Windows操作系统提供的一种动态数据动态数据交换信息通信机制，它允许两个应用程序通过连续自动的交换数据来进行对话。由于基于DDE的数据通信不够稳定，因此在涉及到关键过程或关键设备的监控过程中，不推荐该通信方式。但由于DDE/NetDDE通信方式易于实现和使用，且成本低，在一些不重要的数据通信中可以考虑使用。（4）自主开发：对于以上条件都不满足的情况，由系统集成商进行开发。

4.1.4服务器和磁盘阵列服务器选型及功能分配网络服务器是网络管理、运行、信息存储、应用服务的中枢，随着企业应用的不断深入，对服务器系统的性能要求越来越高，按功能分置的服务器组成的群组是企业应用的主流。系统包括信息管理应用、自动化数据采集与控制、数据库等多种应用方向，其综合自动化系统的服务器具体功能划分如下：（1）SCADA服务器（数据采集和监控系统）：选用IBMX3850机型2台，双机冗余配置，安装企业级SCADA服务器软件，冗余布置。负责对所有子系统的数据采集、通讯、数据处理并传输到历史数据库服务器。（2）历史数据库服务器：选用X3850机型1台，安装实时历史数据库和自动化设备管理服务器，为授权的局域网和互联网用户提供高效的数据查询、设备及工艺运行状态浏览。（3）综合自动化集成平台服务器：选用X3850机型，1台，安装综合自动化集成平台、可视化平台、集成门户平台。负责多系统的自动化集成。（4）主数据库服务器：选用X3850机型1台，安装企业版数据库，为矿井信息化提供全面的数据库服务。（5）管理信息系统应用服务器：选用X3850机型1台，安装管理信息化平台软件以及各应用系统的服务器软件。安装三维可视化平台，为应用客户端提供服务支持。（6）WWW及电子邮件服务器：选用X3850机型1台，安装电子邮件服务器软件、FTP服务器软件、网络防病毒软件，安装企业对外公开的应用及交流系统，置于防火墙外，为内网及外网用户提供服务。服务器的指标要求IBM3850服务器，性能指标满足以下要求：（1）IntelXeon处理器，配置四核心CPU主频不低于2.6GHz，最大支持4颗CPU。（2）内存：不小于8GB。（3）硬盘：配置不小于2*146GSAS硬盘空间；配置RAID0、RAID1卡。（4）网卡：2*10/100/1000Mbps千兆以太网卡，双链路冗余连接网络核心交换机。（5）光纤通道卡：1*4GB光纤通道卡。（6）光驱：DVD/CD-RWCombo光驱。（7）电源：热插拔冗余电源。（8）安装方式：机架式安装。磁盘阵列的接入分配为保证自动化系统的安全可靠，要求分别为管理信息系统和综合自动化系统配置一台磁盘阵列，选用DS4700磁盘存储系统。DS4700配置：500G*6,4GBFCSingle-PortPCI-EHBA,6*4Gb短波模块，6*5mFiberOpticCableLC-LC，安装导轨。另配置1台SystemStorageSAN2498-B24光纤交换机。机房机柜布置XX煤矿调度机房已经建设，调度机房预留有布置机柜的位置，本方案设计在调度机房布置2台机柜，机柜布置图如图4-5所示。图4-5调度中心机柜布置图

4.1.5网络安全系统调度中心及机房是信息化系统的核心，承载着各种信息的集中和汇接业务，是自动化生产和管理的中心枢纽，其安全程度不仅关系着综合自动化监控网络的畅通，更关系到整个矿调度指挥系统和各应用系统的能否安全运行。应统筹制定网络安全策略，采用设备安全、网络安全、数据安全、联网安全等一系列软硬件安全措施，部署网络安全系统，保证综合监控及自动化网络与所有子系统的安全，保证综合监控及自动化网络与企业信息网络的安全隔离。结合实际的网络环境，针对非法入侵者采用的手段以及网络环境中存在的漏洞，建立一套网络安全防范系统，及时弥补系统中各个级别的漏洞，切断非法用户的入侵渠道，保证整个网络及所有子系统接入数据传输的安全性，保证矿井工业以太网络与计算机管理网络的安全隔离。本系统安全设计采用综合解决方案，即防火墙+防毒墙+防病毒软件+网闸+严格的管理制度五位一体的综合解决方案。配置中心机房的网管工作站（操作员站、工程师站）及移动管理终端3台，对各子系统进行显示、分析、处理、报警、控制等，实现图形化展示网络拓扑、全流程的故障管理、主动的网络监视、批量的设备配置备份。

4.1.6网络行为管理系统网络行为管理系统采用数据包过滤的方式，对内外网络的交换数据进行必要的审查和过滤，能够有效的减低网络内部的安全风险。其中包括路由功能、轻型防火墙功能和防DDoS攻击功能。路由功能内置静态与动态路由功能，在网络接入环境中可以实现路由，从而协助用户达到节省投资简化管理的目的。防火墙功能通过建立访问控制列表（ACL），限制和管理内网用户和外网的访问请求，同时能够禁止外网用户到内部网络的病毒和黑客攻击。防DDOS攻击采用了数理分析统计的概率和随机过程概念，不基于特定规则的防DDOS攻击能够可防御各类DOS和DDOS攻击及其变种，如SYNFlood、UDPFlood、(M)StreamFlood和ICMPFlood、PingofDeath、Land、TearDrop、WinNuke等。保护内部主机和网络的安全和服务的连续性。另外，通过网络地址转换（NAT）功能，能够有效地隐藏内部的网络结构和内部网络地址，从而也提高了网络的安全性。4.1.7工业以太环网主干光缆工业以太环网主干传输通道全部采用单模光纤光缆，同时考虑到工业电视系统及矿井监测监控系统光缆的需要，地面主干光缆选用24芯，井下主干光缆选用48芯，分支光缆选用不少于16芯。地面选用单模GYXTW型光缆，采用管道敷设或电缆沟内敷设；井下采用MGTSV型标准矿用阻燃光缆，沿电缆挂钩敷设。矿井综合自动化系统所有线缆敷设要按照综合布线的原则统一规划施工，工业电视系统及矿井监测监控系统下井光缆与综合自动化网络下井主干光缆采用同缆不同芯的方式敷设。

4.2XX煤矿数据传输系统4.2.1传输系统设计XX煤矿综合自动化系统平台采用千兆光纤以太环网，根据矿各系统实际的物理分布特点，构建符合XX矿井特点的双环网（井下环网与地面环网）冗余的加树形分支的网络结构，实现多网融合通道共用，建立高速稳定的综合自动化网络通道。采用网闸+防火墙的硬件系统安全防护体系与网络防杀毒软件+VLAN划分+安全认证机制策略的软件系统安全防护体系，保证系统整体的安全性，通过千兆光纤环网，为系统所涉及的各个子系统及设备提供就近接入的网络接口，为系统远程集中监测监控提供畅通无阻的高速传输通道，并通过支线树形成网络的分支，为系统的扩容提供无限的空间。4.2.2传输系统功能特点1.工业以太网＋现场总线以1000M工业以太网为基础，解决就地控制存在的事故隐患，减少各设备之间相互脱节、无法充分发挥效率的缺点，系统由地面控制中心、现场分站、信息传输介质、网络通信接口的现场总线设备组成，以实现先进的、统一的自动化控制网络平台，使整个系统配置合理，信息共享，安全可靠，提高指挥效率和生产效率。2.实现功能（1）一芯光纤中同时传输语音、数据、视频等信号，实现三网合一的数据通信。（2）系统具有完整的网络管理功能，可以实现对设备的实时通讯状态的管理及故障报警功能，系统网络管理可以对每个设备进行各种参数的配置及状态报告，同时实现网络系统的双总线及环形结构冗余的自动及手动保护功能。3.环网冗余技术地面上要求高可靠的自动化控制网络均要采用网络冗余技术，矿井下环境条件恶劣，尤其是信道的故障率高，因此必须采用双环网冗余技术。此技术提高矿井自动化系统的可靠性，在物理上和逻辑上考虑到传输信道、管控服务器、调度主机、供电电源的冗余，确保传输通路、数据服务、监控工作站、供电电源的安全可靠。网络交换机须采用工业以太网交换机，有双电源冗余输入。4.异构系统的互联互通在网络级和串口级提供多种符合国际主流标准的接口方式，便于各种子系统的接入，实现最大限度的信息共享，能够集成不同厂家的硬件设备和软件产品，实现各系统间信息互通，并将各系统数据集成。5.先进的体系结构采用B/S模式设计三层网络体系结构，便于及时、准确地采集各个子系统的工况、生产和安全参数，方便管理层实时查询、分析和决策。应用系统采用当前公认的具有先进技术理念的三层或多层架构。遵循统一数据出口和统一数据入口的原则，通过统一的闭环式服务和共享机制，整合各业务应用系统。通过对上层应用服务的请求，调度下层业务逻辑及其相关业务系统的资源，完成以事件为驱动的工作流和数据流的运行。6.实时信息数据集成以网络平台为核心，将实时数据流按照统一数据标准集成起来，同时，针对统一平台开发各种综合应用，形成集成化、网络化应用。各种图形、图像、报表信息都必须通过Web的方式在任何一台终端统一浏览，统一界面。7.统一的数据仓库在集成化的数据管理中，所有的数据是在一个数据库中进行管理，数据一旦被输入，在整个系统中都可以使用。8.集成化的编程组态实现从设计、编程、硬件组态、测试到操作诊断和远程维护的全过程组态应用。所有的部件都可以有一个软件进行组态，采用统一化的图形界面和面向对象的设计，使用起来轻松自如；采用模块化的设计，使最终用户根据需要进行选择；采用统一的数据库，保证符号和变量在项目中的一致性，便于维护和提高效率。9.安全性充分考虑系统和数据的安全性。系统应具有较强的身份认证、授权、加密等机制、完善全面的事件日志、数据备份和病毒防护功能。4.2.3各监测监控网络和以太网的融合XX煤矿安全监测监控系统已经建设完成，软件平台只需在地面网络通过接口从系统数据库读取数据。后期待建的顶板压力监测系统、水文监测系统和煤层自燃（束管）监测系统等可以通过数据转换接口把分站监测数据通过整个网络平台进行上传，实现在线监测的数据实时监测。网络如图4-6所示。图4-6安全监测监控网络系统结构图

4.3XX煤矿数据仓库、模型及软件平台的集成开发利用矿山开采、地理信息系统、空间数据仓库发展的最新技术，研究元数据库、数据模型、数据结构、专业分析等模型，设计满足煤矿重大危险源识别、预测和预警的矿山专用软件平台，完成专业数据的分析和处理，实现系统与监测监控设备、其他应用软件系统信息的共享。4.3.1矿山数据仓库1.制定元数据标准和煤矿信息资源目录体系包括对煤矿日常生产技术管理及重大危险源识别、预测、预警全过程数据集的描述；对数据集中分类标准的描述；对各数据项、数据来源、数据所有者及数据序列等的说明；对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性等；对数据转换方法的描述；对数据库更新、集成方法等的说明。2.海量空间数据仓库的构建基于图层的海量空间数据分类管理。根据地质、水文、通风、采矿、综合自动化、在线检测等行业规范，构建具有相同属性要素的同类空间实体的图层分类标准，并实现相应的数据动态管理。基于图层的实体分割线性八叉树索引。具体实现就是每个图层建立一个空间线性八叉树索引，即把每个图层作为立体索引空间，并计算包围实体的区域所在八叉树的标识。利用这些标识，结合系统的状态参数，过滤相关图形实体，从而达到减少计算量，提高系统运行速度的目的。空间数据仓库的构建。空间数据仓库主要由空间数据库和空间元数据库组成。前者主要是图形库、图像库、属性库以及专业模型库(如地测模型库、通风模型库、采矿设计模型库、决策支持模型库)的组织、管理、综合分析和事务处理等；空间元数据库是完成空间数据库组织、管理、分析等元数据的组织与管理，同时还有专业应用GIS程序元数据库和空间服务的元数据库。空间数据库引擎的设计和开发。采用COM规范进行接口的设计，对关系数据库（如Oracle、SQLServer）进行接口封装；采用IOCP技术实现并发操作；GIS客户端程和服务器端缓存技术研究，使检索、编辑操作效率最大化；数据传输格式的设计，采用二进制数据+ProtocolBuffer表现数据来传输，这将保证数据量足够小的前提下能够对数据进行解释；客户端空间算子的设计。4.3.2软件平台的总体架构设计根据重大危险源识别、预测、预警和煤矿生产实际情况以及信息技术的最新发展，我们把集成数据处理平台分为三大部分，总体框架参见图4-7。图4-7集成数据处理平台的总体框架1.基础数据处理平台分为GIS平台和组态软件平台。前者主要处理与重大危险源识别、预测、预警有关的空间数据和属性数据，后者主要完成与在线检测、监测监控、数据可视化等有关的数据处理。2.面向矿山的建模和动态数据处理主要完成地质体、巷道的几何建模，检测设备的动画建模。3.空间数据仓库主要完成海量数据的存储。4.3.3软件系统与网络集成的总体架构设计系统是在网络环境下集地测、通防、监测监控、调度、采矿等专业于一体的系统，系统支持海量数据存储、专业分析、资料管理、综合业务信息查询和发布、矿井信息统一监测的信息化平台。系统是一个典型的多部门、多专业、多层次管理的围绕采矿活动数据变化管理的空间信息共享与Web协作平台，如图4-8所示。三层客户/服务器结构（数据库层、应用服务层和用户界面层）是目前处理大型系统的具有高可伸缩性的分布式计算模式。它将整个系统按数据库、业务逻辑（包括应用服务器、WEB服务器等）、和用户界面三层功能进行组织。其中用户界面仅处理用户的输入、数据的采集、以及分析、查询、统计等结果的显示；业务逻辑处于数据库管理系统与用户界面之间，起到对数据库查询、更新、统计、分析、计算、发布等作用；数据库管理系统用于处理系统中元数据的管理、数据表的管理、存储、数据安全以及事务处理的功能。这种计算模式适用于庞大的基于网络的系统应用，具有很强的伸缩性，适应于煤矿生产管理系统，可作为该系统的主体计算模式和系统结构。实现该计算模式各层间遵从统一的分布式计算协议是非常重要的，这些协议包含分布式计算平台、COM、标准的TCP/IP和HTTP协议以及用于共享的NFS系统。这些层可能位于系统网络中的不同或者统一物理机器上，他们之间的访问是透明的。图4-8系统平台体系结构

4.4XX煤矿专用GIS的开发和设计4.4.1开发内容煤矿专用GIS着眼于打造新一代煤矿信息化地理信息系统基础平台，其研究内容主要包括：（1）理论方面。针对煤矿行业的需求，特别是煤矿行业空间数据复杂、活跃、动态变化等特点，基于GIS空间数据模型方法，研究面向对象的一体化实体数据模型、支持多源数据集成的空间数据引擎，以及可扩展的二三维可视化引擎等理论方法。（2）系统架构方面。结合目前IT行业在分布式、云计算等网络服务技术方面的新发展、新趋势，煤矿专用GIS重点研究桌面、服务一体化的地理信息系统基础平台方案，即基于统一GIS内核的煤矿地理信息系统桌面平台以及网络服务平台。桌面平台方面，主要以二维图形技术为基础，为煤矿行业提供计算机辅助制图、计算机辅助决策、空间专业数据管理等方面的支持。在平台架构上，设计并实现全组件式的平台无关的核心GIS模块，在此基础上设计开发“插件式”的地测、通风、水文、机电、设计等专业应用模块，用以满足用户灵活多样的个性化定制需求。服务平台方面，主要根据SOA（Service-OrientedArchitecture，面向服务的体系结构）思想，采用最新的网络技术、WebGIS技术等相关行业技术，在与桌面平台相同的GIS核心模块基础上，设计并实现面向分布式网络的企业级应用，如行业图形、属性数据管理，以及专业功能应用相关的万维网服务发布等。4.4.2关键技术1.面向对象的煤矿一体化实体数据模型通过对煤矿行业需求的分析和把握，将提出以“实体模型”的面向对象思想来解决煤矿行业复杂的空间数据建模问题，从支持“实体”的基本属性扩展、几何形态扩展、关系约束扩展等几个方面全面实现专业实体复杂多变的需求，并支持其他复杂专业数据模型、算法的引入和实现。在具体实现技术上，将引入“参数-动作-约束”的机制，在实体对象原有几何特征的基础上，扩展其动态变化的特性，以及对实体间变化的约束和关联。2.基于空间数据引擎的煤矿多源数据集成存储方案针对煤矿领域多专业、多部门的特征，在数据管理方面提出支持“多源”数据集成空间数据引擎方案。在数据使用的层面，设计封装一系列抽象的空间数据访问接口，基于共同的数据接口向上层的桌面平台、服务平台提供数据访问服务；在数据存储的层面，根据具体的物理数据源，实现上层的抽象数据访问接口，将具体数据源的差异封装在数据源内部，从而剥离两大平台对数据源的具体依赖，提供统一的数据服务支持。煤矿专用GIS将实现对多种专业文件源的数据引擎，关系数据库数据引擎，以及符合标准规范的网络服务源数据引擎。3.可扩展的插件式可视化引擎作为平台性的专业基础地理信息系统平台，为了解决多种客户端的可视化需求，煤矿专用GIS设计并将实现插件式的可扩展可视化绘制引擎。基于煤矿地理信息系统平台核心模块，将为空间实体提供“数据-显示”分离的机制。在该机制下，实体数据通过专门的解析通道转换为可供渲染、显示的元胞单元，可视化引擎通过支持统一的元胞绘制接口实现实体数据的可视化显示。在桌面平台下，煤矿专用GIS设计并实现GDI（window）、D2D二维绘制引擎，以及基本的D3D三维绘制引擎；在服务平台下，采用通用的GD渲染引擎，实现图形、图像的多层次可视化绘制。4.全组件式的桌面平台设计煤矿专用GIS设计实现桌面、网络服务统一的煤矿地理信息系统基础平台，两大平台基于共同的核心组件模块，包括数据模型模块、数据存储模块、可视化模块、空间图形算法模块、煤矿专业应用模块等。在开发技术上，上述模块采用标准C++技术，采用平台无关的开发策略，从而为上层平台的统一提供支持。在Windows桌面平台方面，基于各个公共核心组件模块，封装标准的COM组件，基于此开发可自由扩展、配置的全组件式桌面应用软件。5.面向分布式网络的服务平台设计基于SOA思想，煤矿专用GIS设计面向分布式网络的服务平台，提供集群化的煤矿网络服务端，满足行业对网络环境下信息化的管理和应用。服务平台设计主要包括三个方面，一方面是客户端，包括“强功能型”的IE专用ActiveX插件，以及通用的“轻量型”JavaScript组件；另一方面是Web服务器扩展，也即为了响应Http服务请求，对IIS、Apache等Web服务器的扩展，使之能接收并转发地理信息处理请求；第三方面就是应用服务器开发，即真正处理各种服务请求的服务器，包括管理服务器、数据服务器、应用服务器等。服务平台的开发仍以GIS基础平台GIS核心为基础，包括前面提到的数据模型、数据存储、可视化等模块。应用服务端是整个服务平台的核心。服务端实际上就是一个或多个分布的服务器，包括主服务器、Service服务器和数据服务器，其中主服务器也可以称为管理服务器，主要是负责整个服务端的管理、维护，以及客户请求的接收等；Service服务器则是真正的应用服务提供者，负责处理特定类型的请求，并返回结果；数据服务器是用于部署数据源，为主服务器和Service服务器提供空间数据。煤矿专用GIS在设计过程中重点研究解决网络连接、IO模型、线程池、同步处理、消息封装、负载均衡等多种技术难点。

4.5三维可视化平台的关键技术开发三维可视化平台是一系列专门为服务煤矿领域生产应用而设计的三维产品体系。与传统的可视化软件相比，该平台提供了更为强大的实体编辑和建模功能，更为丰富的三维渲染方式，并在三维对象模型、空间数据引擎、分布式网络系统、专业应用支持等方面有了全新的突破。4.5.1开发内容（1）设计架构三维可视化渲染引擎，提供强大的三维可视化功能，渲染出优质的虚拟场景画面。（2）建立三维场景编辑平台，实现对模型对象的交互式创建、编辑、导入导出、复制、删除、动画合成等功能。（3）建立煤矿井上下开采环境建模系统，实现地表工业广场、地下巷道、地层、钻孔的三维数据建模和三维可视化。（4）建立基于网络的煤矿远程监测监控系统，监测监控井下人员与设备位置、重点区域、通风、压力、瓦斯等安全监测数据。（5）建立空间数据分布式存储与远程监控三维可视化集成与发布平台，实现数据集成、设备控制、过程仿真等功能。4.5.2关键技术 1.分布式海量空间数据存储技术不同于二维图形平台，三维平台需要处理的空间数据和影像数据要比一般二维图形大的多，普通的本地文件存储方式已经无法满足需求。利用三维空间数据的分布式存储引擎能够高效地对图形图像数据进行存储、管理和查询操作。2.三维模型数据库技术三维模型数据库技术是通过空间数据引擎存储和管理所有三维模型，提高常用设备模型的使用效率，可以进行重复利用，同时也减轻了系统内存开销。用户可以方便地对模型进行交互式操作，搭建三维虚拟场景。3.三维组件技术现有二维地理信息系统组件技术已近很成熟，但在三维平台的开发中，组件式的开发仍然不是很成熟。在虚拟矿井平台体系的设计中，充分考虑了三维组件技术的应用，采用多层次开发规则，一方面提高平台二次开发效率；另一方面可以开放标准组件通用接口，提供网络支持。4.GPU图形渲染技术通常情况下，三维可视化引擎大多是通过固定管线渲染进行工作的，这种方式不能充分利用显示设备的作用，而GPU图形渲染技术能对显示设备进行指令编程，充分利用图形芯片处理器的作用改进渲染管线，能极大提高渲染效率和画面效果。5.三维场景渲染LOD技术在大范围三维场景漫游情况下，即使剔除视域之外的实体对象，平台所承载的三维渲染对象的数目仍然很大，并且空间几何数据和纹理图像占用的系统资源也很庞大，成为三维可视化的技术瓶颈。LOD技术采用“分级分块”的原理，可以减少每一帧渲染的空间数据和图像数据，为系统减负，能有效改善三维平台的实时渲染效果。4.6XX煤矿组态软件平台的设计4.6.1功能设计1.组态软件平台主界面主界面是CS的主界面，通过调入本地的图片或图形，在背景图上加载动画图元，通过实时数据库的数据驱动来控制动画图元的动画显示并同时显示监测监控数据。（1）组态方案的设置保存与载入=1\*GB3①调入位图或LFM图形及三维图形在CS主界面中调入位图或者GIS图形作为背景图，位图可以是BMP，JPG，GIF等标准格式的图像文件，也可以是LFM格式的图形文件或者是三维图形或其它GIS格式的图形（二维或三维）。见图4-9～图4-11。图4-9载入位图为背景图图4-10载入GIS图形为背景图图4-11载入巷道、地层三维背景图=2\*GB3②在图上布置动画实体在背景图上布置动画实体，动画实体来源于动画实体库。实体的位置保持在本地的组态方案中。如果背景图是真实坐标的矢量图形如XX的图形，那么保存的动画实体的坐标就是真实坐标。如果背景图是示意图等图片，保存的动态实体的坐标位置只是相对于背景图的位置，不是真实坐标。=3\*GB3③将动画和实时数据库监测点关联配置筛选条件从实时历史数据库中提取实时监测点，并列出图中的动态图元列表，通过设置实时监测点和动态图元的对应关系，将图上的动态图元和数据库中的实时监测点进行绑定。见图4-12。图4-12在背景图上布置设备信息=4\*GB3④保存组态方案将背景图信息、显示的动态图元信息、动态图元与监测点的对应关系以及图元的位置信息保存到组态方案文件中。（2）实时数据的设置与显示通过筛选条件指定要显示的实时数据，然后手动确定要显示的具体实时监测数据，这样既可以配置显示全部数据，也可以配置显示需要重点观察的数据，可以保持成方案，同样也是可以在本地主窗口中打开，或者是在新窗口中打开。见图4-17所示。图4-17实时监测数据（3）历史曲线方案的设置保存与载入常规历史曲线横轴表示时间，纵轴表示数值，随着时间数值上下波动形成的一条曲线。可以通过筛选条件确定监测数据组，确定要显示历史曲线的监测点组。在打开的历史曲线主界面中可以方便的选择查看其他备选监测点的曲线。也可以保持成不同的方案供必要时快速切换查看。见图4-18。图4-18常规历史曲线2.报表组态功能的设计不同生产矿井的开采技术条件和管理模式具有或多或少的差异，报表的格式并不是固定不变的，他随着需求的变化发生变化，这就要求开发灵活的报表数据处理功能。（1）报表组态结构描述=1\*GB3①服务器端服务器端包括数据服务器和WEB服务器。数据服务器为数据中心，所有数据存储在数据库中，数据库是实时数据库、ORACLE数据库或SQLSERVER数据库等。WEB服务器是BS的服务器，支持BS用户的访问。=2\*GB3②客户端客户端是与报表绘制模块集成到一起，以报表绘制功能模块为主要数据录入界面，包含机构管理、用户管理、角色管理、模板管理、报表填报、综合查询、流程定制等功能，所有数据保存在数据库中，客户端不保留数据。=3\*GB3③BS端BS端用户可以直接用WEB浏览器进行报表的填报、浏览、输出和打印等，并可以处理业务流程。图形的上报和浏览，在矢量图上显示监测点，显示监测曲线。（2）报表组态主要核心技术和功能描述=1\*GB3①模板定制在煤矿专用地理信息系统平台开发类似于Excel的报表模板定制或绘制功能，并建立报表内容与数据库之间的逻辑关系