煤矿监测数据远程传输系统开发

煤矿监测数据远程传输系统开发作者：***
来源：《现代信息科技》2020年第09期
摘要：煤矿安全监测系统的数据共享和煤矿专业技术人员的缺乏一直是影响数据综合分析、安全决策的难题。

中煤科工集团西安研究院有限公司利用先进信息技术，根据主要监测系统数据结构的特点和数据传输方式的特性，设计了Socket+FTP的数据传输方式，开发了煤矿监测数据远程传输系统，将主要监测数据实时传输到矿业集团或者第三方机构的数据中心，实现了数据共享，同时这样便可以充分利用矿业集团或者第三方机构的专业技术人员对监测数据进行综合分析和远程决策，缓解煤矿专业技术人员不足的问题。

关键词：监测系统;数据传输;数据共享
中图分类号：TD76;TP277 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0153-04
Development of Remote Transmission System for Coal Mine Monitoring Data
JIANG Xu
（Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group，Xi’an 710077，China）
Abstract：The data sharing of coal mine safety monitoring system and the lack of coal mine professional and technical personnel have always been the constraints of data comprehensive analysis and safety decision-making problems. Using advanced information technology，according to the characteristics of data structure and data transmission mode of the main monitoring system，Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group has designed the data transmission mode of Socket + FTP，developed the coal mine monitoring data remote transmission system，and transmitted the main monitoring data to the data center of the mining group or the third-party organization in real time，realizing data sharing. At the same time，it can make full use of the professional and technical personnel of the mining group or the third-party organization to carry out comprehensive analysis and remote decision-making of the monitoring data，so as to alleviate the shortage of professional and technical personnel in coal mines.
Keywords：monitoring system;data transmission;data sharing
0 引言
我国各大、中、小型煤矿都陆续安装了各类煤矿安全监控系统，安全监控系统已成为防止煤矿安全生产事故的重要技术手段[1]。

煤矿安全监控系统一般都是不同厂家独立建设，现有
规范标准不完备，兼容率低，系统设备在后期的维护和更新方面存在很多的不便，为进一步推进煤矿信息化带来困难[2]，系统之间信息的共享与互通互联还存在一定的缺陷，产生大量的“信息孤岛”，这种现状阻碍了煤矿业信息化的进一步发展[3]，使得专家在决策时因为掌握信息不全面，很难准确做出判断和决策[4]。

2015年丁恩杰[5]等从嵌入式智能信息传感技术、基于大数据的矿山安全生产云服务平台、安全性方面探讨了煤矿物联网可能的发展方向。

2017年袁亮[6]院士基于物联网、大数据等现代技术，提出了煤炭精准开采的科学构想，是在时间和空间上可以实现智能和少人（無人）安全准确挖掘的新模式和新方法，具有风险识别、监测和预警等功能。

王国法[7]院士提
出的智慧煤矿2025情景目标和发展路径中也提及用各类传感器和设备采集数据，应用各类通信技术传输数据，实现风险识别、监控预警、科学生产调度等。

这些都必然需要大数据处理的支撑[8]。

由于煤矿生产系统、地质情况的复杂性，要实现各类地质灾害的监测预警，往往需要多种物探监测手段，还要结合地质、钻探的信息进行综合分析，但是现有的技术手段等还无法实现全部自动分析，因此需要专业技术人员甚至专家进行综合分析和判断，但是煤矿往往缺乏这类型的人才。

因此，本单位建立一个煤矿监测数据传输系统，能够将各类监测数据传输到煤矿的上级部门或者矿业集团，由该单位组织人员进行数据的处理和分析，不仅仅可以缓解煤矿企业缺乏专业技术人员的问题，而且能够更好地发挥矿业集团技术人员或者专家的技术优势，对各类险情做出准确的判断，提高煤矿的生产效率，改善煤矿的安全生产状况。

1 国内煤矿安全监测系统现状
1.1 监测监控系统水平相对较低
现阶段，我国煤矿在监测监控系统的建设上以系统集成为主，信息利用程度上还处于比较低下的水平，系统之间缺乏互通互联，信息共享还存在一定的缺陷，致使信息碎片化，很难进行综合性的利用和分析，这种状况不仅仅使得很多信息化技术并没有真正地在煤矿领域发生作用，而且还阻碍了煤矿行业信息化程度的进一步提升[9，10]。

1.2 监测监控系统建设过程中缺乏统一标准
在多种多样监测监控需求引导下，很多厂家进行了产品厂商的推广，很多煤矿也初步建立了信息化网络，但是生产厂商在生产监测监控产品时，由于缺乏统一的标准指导，目前市场上出现了多种类型的监测监控产品，由于标准不一，这些设备在后期的维护和更新方面存在很多的不便，为进一步推进煤矿信息化带来困难[11，12]。

1.3 监测数据分析专业人员缺乏
对微震、矿压等监测数据的分析需要结合岩层的运动结构、采动应力场的分布、突水试验监测数据等多种信息才能综合分析做出判断，专业性、综合性较强，需要多专业技术专家综合决策，然而在煤矿的实际应用当中缺乏相应的专业技术人员[13，14]。

2 煤矿监测数据远程传输系统设计
煤矿监测系统种类繁多，数据类型多样，但是大多数监测数据结构简单，只有少部分数据结构复杂，本文分别选取微震、视电阻率以及光栅光纤数据进行研究，并设计了数据传输系统。

2.1 系统网络拓扑
图1为系统的网络拓扑图，其中煤矿监控中心处于一个局域网中，数据中心处于一个局域网中，为了尽量减少对安全监测系统的改造，数据中心的数据传输服务器需要一个公网IP，以便任何一个矿上的监控系统只要能够连接到公网即可实现数据传输。

2.2 系统体系结构
系统软件和监测系统的接口应该在监测系统的数据存储与管理层中，在平台中将监测系统称为交互对象，整个平台软件共分为四层，系统软件体系结构如图2所示。

3 监测数据传输设计
3.1 监测数据传输方式
应用系统之间通过网络传输数据的方式主要有以下三种。

3.1.1 Socket通信方式
Socket（套接字）是一个抽象层，是最简单的交互方式，是典型C/S（客户机/服务器）交互模式。

服务器提供服务，通过IP地址端口进行服务访问，应用程序可以利用它进行数据的发送或接收，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。

其中传输协议可以选择TCP或UDP协议，服务器与客户端约定了请求报文格式和响应报文格式。

3.1.2 FTP文件共享服务器方式
FTP（File Transfer Protocol，文件傳输协议）是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用TCP传输，FTP允许用户通过与另一主机相互通信，从而实现对文件的增加、删除、修改、查看、传送等操作。

对于大数据量的交互，采用这种文件的交互方式最适合不过。

3.1.3 共享数据库方式
共享数据库集成方式通常把多个应用需要共享的数据存储在一个共享数据库中，制定统一的数据结构从而满足不同应用的集成需求。

但是在共享数据库方式中，多个应用程序可能频繁地读取和修改共享数据库中相同的数据，这会造成对数据的访问压力加大，成为一个性能瓶颈。

3.2 监测数据传输选取
监测数据的传输主要分为三个阶段：从煤矿井下到煤矿监控中心，从煤矿监控中心到数据传输平台、从数据传输平台到用户终端。

这三个阶段，第一阶段由煤矿监测系统完成，本系统主要负责第二、三阶段的数据传输。

本系统需要传输的数据主要分为三类：监测系统基础数据、监测数据初步处理结果、监测原始数据，表1对这三类数据在第二阶段从数据量、实时性、系统结构和传输方式方面进行比较。

在第二阶段从煤矿监控中心到数据平台的过程中，监测系统基础数据和监测数据初步处理结果数据量不大，但是对实时性要求较高;监测系统软件大都采用C/S结构，而且各类监测系统的数据结构不统一，存储方式复杂，为了传输的可靠性，在传输此类数据时决定采用Socket 方式，利用TCP/IP协议。

监测原始数据的数据量很大，但是对实时性要求不高，可以采用FTP方式传输数据。

如表2所示，在第三阶段从数据平台到用户终端的过程中，监测系统基础数据和监测数据初步处理结果数据量都保存在数据库中，而且数据结构一致性较好，同时为了使用户访问简单，决定采用HTTP协议，用户通过浏览器就可以方便地访问平台的数据，但是在下载监测原始数据时由于数据量较大，采用FTP协议可以提高传输效率。

4 系统软件的实现
系统软件比较复杂，涉及C/S结构、B/S结构，还有数据库管理系统，C/S结构软件采用Visual C++开发平台，B/S结构软件采用Eclipse开发平台，数据库采用SQL Server数据库管理系统。

4.1 数据传输模块实现
微震数据传输模块作为TCP客户端，根据IP地址和端口号连接数据传输服务器，服务器连接成功后即可将微震监测系统中需要发送的监测数据和修改后还没有发送的系统基础数据一一发送给服务器，为了减少数据库的访问量，减小数据库压力，无论新的监测数据生成还是系统基础数据的修改，都要发送消息给微震数据传输模块，数据传输模块从数据库中读取数据然后发送，微震数据传输模块主界面如图3所示。

视电阻率、光栅光纤和水文监测数据传输模块的开发与微震数据传输模块类似，只是数据传输格式需要根据给系统的特点进行定制。

1.1 监测监控系统水平相对较低
现阶段，我国煤矿在监测监控系统的建设上以系统集成为主，信息利用程度上还处于比较低下的水平，系统之间缺乏互通互联，信息共享还存在一定的缺陷，致使信息碎片化，很难进行综合性的利用和分析，这种状况不仅仅使得很多信息化技术并没有真正地在煤矿领域发生作用，而且还阻碍了煤矿行业信息化程度的进一步提升[9，10]。

1.2 监测监控系统建设过程中缺乏统一标准
在多种多样监测监控需求引导下，很多厂家进行了产品厂商的推广，很多煤矿也初步建立了信息化网络，但是生产厂商在生产监测监控产品时，由于缺乏统一的标准指导，目前市场上出现了多种类型的监测监控产品，由于标准不一，这些设备在后期的维护和更新方面存在很多的不便，为进一步推进煤矿信息化带来困难[11，12]。

1.3 监测数据分析专业人员缺乏
对微震、矿压等监测数据的分析需要结合岩层的运动结构、采动应力场的分布、突水试验监测数据等多种信息才能综合分析做出判断，专业性、综合性较强，需要多专业技术专家综合决策，然而在煤矿的实际应用当中缺乏相应的专业技术人员[13，14]。

2 煤矿监测数据远程传输系统设计
煤矿监测系统种类繁多，数据类型多样，但是大多数监测数据结构简单，只有少部分数据结构复杂，本文分别选取微震、视电阻率以及光栅光纤数据进行研究，并设计了数据传输系统。

2.1 系统网络拓扑
图1为系统的网络拓扑图，其中煤矿监控中心处于一个局域网中，数据中心处于一个局域网中，为了尽量减少对安全监测系统的改造，数据中心的数据传输服务器需要一个公网IP，以便任何一个矿上的监控系统只要能够连接到公网即可实现数据传输。

2.2 系统体系结构
系统软件和监测系统的接口应该在监测系统的数据存储与管理层中，在平台中将监测系统称为交互对象，整个平台软件共分为四层，系统软件体系结构如图2所示。

3 监测数据传输设计
3.1 监测数据传输方式
应用系统之间通过网络传输数据的方式主要有以下三种。

3.1.1 Socket通信方式
Socket（套接字）是一个抽象层，是最简单的交互方式，是典型C/S（客户机/服务器）交互模式。

服务器提供服务，通过IP地址端口进行服务访问，应用程序可以利用它进行数据的
发送或接收，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。

其中传输协议可以选择TCP或UDP协议，服务器与客户端约定了请求报文格式和响应报文格式。

3.1.2 FTP文件共享服务器方式
FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用TCP传输，FTP允许用户通过与另一主机相互通信，从而实现对文件的增加、删除、修改、查看、传送等操作。

对于大数据量的交互，采用这种文件的交互方式最适合不过。

3.1.3 共享数据库方式
共享数据库集成方式通常把多个应用需要共享的数据存储在一个共享数据库中，制定统一的数据结構从而满足不同应用的集成需求。

但是在共享数据库方式中，多个应用程序可能频繁地读取和修改共享数据库中相同的数据，这会造成对数据的访问压力加大，成为一个性能瓶颈。

3.2 监测数据传输选取
监测数据的传输主要分为三个阶段：从煤矿井下到煤矿监控中心，从煤矿监控中心到数据传输平台、从数据传输平台到用户终端。

这三个阶段，第一阶段由煤矿监测系统完成，本系统主要负责第二、三阶段的数据传输。

本系统需要传输的数据主要分为三类：监测系统基础数据、监测数据初步处理结果、监测原始数据，表1对这三类数据在第二阶段从数据量、实时性、系统结构和传输方式方面进行比较。

在第二阶段从煤矿监控中心到数据平台的过程中，监测系统基础数据和监测数据初步处理结果数据量不大，但是对实时性要求较高;监测系统软件大都采用C/S结构，而且各类监测系统的数据结构不统一，存储方式复杂，为了传输的可靠性，在传输此类数据时决定采用Socket 方式，利用TCP/IP协议。

监测原始数据的数据量很大，但是对实时性要求不高，可以采用FTP方式传输数据。

如表2所示，在第三阶段从数据平台到用户终端的过程中，监测系统基础数据和监测数据初步处理结果数据量都保存在数据库中，而且数据结构一致性较好，同时为了使用户访问简单，决定采用HTTP协议，用户通过浏览器就可以方便地访问平台的数据，但是在下载监测原始数据时由于数据量较大，采用FTP协议可以提高传输效率。

4 系统软件的实现
系统软件比较复杂，涉及C/S结构、B/S结构，还有数据库管理系统，C/S结构软件采用Visual C++开发平台，B/S结构软件采用Eclipse开发平台，数据库采用SQL Server数据库管理系统。

4.1 数据传输模块实现
微震数据传输模块作为TCP客户端，根据IP地址和端口号连接数据传输服务器，服务器连接成功后即可将微震监测系统中需要发送的监测数据和修改后还没有发送的系统基础数据一一发送给服务器，为了减少数据库的访问量，减小数据库压力，无论新的监测数据生成还是系统基础数据的修改，都要发送消息给微震数据传输模块，数据传输模块从数据库中读取数据然后发送，微震数据传输模块主界面如图3所示。

视电阻率、光栅光纤和水文监测数据传输模块的开发与微震数据传输模块类似，只是数据传输格式需要根据给系统的特点进行定制。