CN111049936B - 煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法以及联动智能网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法以及联动智能网关，采用数据交换格式JSON进行描述，融合联动配置信息；智能网关，包括独立网关和虚拟网关两种，根据所述的融合联动配置信息，连接各测点算子。本方法采用自我描述性语言生成的融合联动关系，具有算术、逻辑、延时等复杂嵌套运算规则，有力支撑了井下各类复杂融合联动控制模型的建立。本发明融合联动配置逻辑方法，把各业务传感节点、执行机构、报警装置、人员位置和应紧广播等有效的组织和关联在一起，解决井下多系统融合联动的问题。

Description

煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法以及联动智能 网关

技术领域

本发明涉及多系统联动控制方法，尤其涉及一种煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法以及联动智能网关。

背景技术

2016年，国家煤矿安全监察局科技装备司发布的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》提出了多系统融合和应急联动控制的功能，要求促进安全监测监控多元融合和信息共享，提高煤矿安全预测预警水平，解决井下系统之间相互并存、独立所带来的成本、管理、维护、安全、数据共享等诸多问题。其中的2条要求如下：

1)支持多网、多系统融合

实现井下有线和无线传输网络的有机融合、监测监控与GIS技术的有机融合。

多系统的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。鼓励新安装的安全监控系统采用井下融合方式。在地面统一平台上必须融合的系统：环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统，也应融入。其它可考虑融合的系统：视频监测、无线通信、设备监测、车辆监测等。

2)应急联动

在瓦斯超限、断电等需立即撤人的紧急情况下，可自动与应急广播、通信、人员定位等系统的应急联动。

方案发布后，很多厂家在新升级的安全监控系统中,主要提出了2种系统融合方法，一种是研制地面计算机软件平台，软件平台通常在监控系统软件中实现的，通过制定第三方融合协议，将人员定位系统数据、应急广播系统进行关联，通过地面发送指令进而实现融合与联动，缺点是执行周期长，且当主干网络或监控主机发生故障时执行命令得不到保障。另一种是研制煤矿井下融合分站或“一网一站”，在分站接口和通信链路上进行融合，使不同类型和不同接口的传感设备统一接入融合分站，进而通过以太网络与各自的监控主机通信，缺点是这种形态上的融合分站都只是起了一个数据转发的功能，逻辑上各自监控系统相对独立，数据仍束缚在子系统中，未实现数据共享和系统融合，无法实现紧急情况下的应急联动，对煤矿安全预警形成了制约。

参考文献：

王启峰.煤矿安全监控多系统井下融合方法[J].工矿自动化，2017，43(2)：7-10.

汪丛笑.煤矿安全监控系统升级改造及关键技术研究[J].工矿自动化，2017，43(2)：1-6.

贺耀宜，王海波.基于物联网的可融合性煤矿监控系统研究[J].工矿自动化，2019，45(8):13-18.

发明内容

本发明第一个目的是提供一套煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法，本方法采用自我描述性语言生成的融合联动关系，具有算术、逻辑、延时等复杂嵌套运算规则，能够进行更复杂的多层次逻辑运算，且易于阅读和扩展，有力支撑了井下各类复杂融合联动控制模型的建立。

具体为：采用数据交换格式JSON进行描述，融合联动配置信息：

model数组，包括logic数组，target数组；logic数组的每个元素为运算对象，运算对象里包含point算子、delay延时时间、operation运算符3个元素，作为运算对象前后连接，组合成数学公式，

运算对象有3种类型：真实测点算子、常数项、嵌套算子，其中嵌套算子相当于一个算数中的括号，内部又可包括测点算子、常数算子、嵌套算子；运算符为二目运算符，使用第2个运算对象中的运算符，即整个数组中，忽略了首个运算对象的运算符；

输出＝P1>(P21+P22+P23)|P3(1)

“>”前一个测点结果大于等于本测点结果；“+”前一个测点结果加上本测点结果；“|”前一个测点结果逻辑或上本测点结果；P3结果检测持续n秒参与公式运算；y结果控制目标输出，输出形式包括目标所在设备名称、目标所在设备IP网络地址和port端口号、目标所在设备编号、目标编号、控制协议名称/语音文件名；公式(1)中P1为常数算子；P2为嵌套算子，运算符”>”，包括P21、P22、P23；P22、P23逻辑或运算符”+”；P1、P2无延时；P3为测点算子，运算符为逻辑或，延时时间为n秒。

更进一步，测点算子包括ID数据源属性、action操作符、value比较值；

ID数据源属性包括测点所在分站网络IP地址、测点所在分站网络端口号、测点所在传感器地址、测点多参数地址以及测点类型，测点类型包括模拟量和开关量；测点算子内部计算结果放在如公式(1)中进行层级计算；

action操作符包括模拟量测点值大于等于analog、模拟量测点值大于analog、等于测点值、开关量测点值取反、模拟量测点值加上analog、模拟量测点值减去analog、模拟量测点值乘以analog、模拟量测点值除以analog；analog为模拟量比较值、switch为开关量比较值；测点算子根据数据源属性获取的测点值与模拟量比较值运算得到内部结果。

本发明的第二个目的是提供一种煤矿井下多系统融合联动智能网关，分为独立网关和虚拟网关两种，根据配置信息，把各业务传感节点、执行机构、报警装置、人员/车辆位置和应紧广播等有效的组织和关联在一起，由实际或虚拟网关屏蔽各业务子系统设备差异性，解决井下多系统融合联动的问题。

具体为，包括独立网关和虚拟网关两种，根据如上所述的融合联动配置信息，连接各测点算子，包括业务传感节点、执行机构、报警装置、人员/车辆位置和应紧广播。

更进一步，独立网关，用于融合联动、管理控制总线式独立业务分站；包括电以太网口和光纤接口，多路RS485现场总线接口，具体为

(1)根据总线串行链路协议巡检分站，按照链路上的系统号把分站采集传感器的数据通过以太网转发给地面不同的业务主机；

(2)融合性安全监控主机把融合联动配置信息发给独立网关；

(3)独立网关解析融合联动配置信息，得到数据源和控制对象，以及数据源与控制对象的运算规则；

(4)独立网关截取所需的来自下级的本地数据源和获取异地数据源；

(5)独立网关进行联动规则运算；

(6)根据运算结果输出到控制对象，进行联动控制。

更进一步，虚拟网关存在于融合分站中，实现井下融合联动，：

(1)融合性安全监控主机把融合联动配置信息发给虚拟网关；

(2)网关解析融合联动配置信息，得到数据源和控制对象，以及数据源与控制对象的运算规则；

(3)独立网关通过以太网请求获取其它网关和分站中的所需数据源；

(4)独立网关进行联动规则运算；

(5)根据运算结果输出到控制对象，进行联动控制。

本发明另一个目的是提供一种井下融合联动分布式冗余控制策略，解决地面多系统融合主机平台或主通信故障，以及井下独立融合控制网关或分站故障后，使整个矿井或区域性融合应急联动失效问题。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过自我描述性语言设计的一套融合联动配置逻辑方法，把各业务传感节点、执行机构、报警装置、人员位置和应紧广播等有效的组织和关联在一起，由独立或虚拟网关屏蔽各业务子系统设备差异性，解决井下多系统融合联动的问题。

(2)现有安全监控系统逻辑关系配置协议采用寄存器方式进行的“或”和“与”的简单逻辑运算不能满足联动控制需求，本方法采用自我描述性语言生成的融合联动关系，具有算术、逻辑、延时等复杂嵌套运算规则，有力支撑了井下各类复杂融合联动控制模型的建立。

附图说明

图1融合联动控制关系配置数据结构；

图2为网关状态图；

图3为独立网关和虚拟网关融合性安全监控系统结构图；

图4为独立网关硬件设计框图；

图5为虚拟网关与融合分站关系图；

图6为主机与网关配置关系图；

图7为JSON描述融合联动控制关系配置关系设计图。

图8为网关多任务处理关系图。

图9为配置文件处理流程图。

图10为主控网关决策处理流程图。

图11为数据融合处理流程图。

图12为逻辑运算处理流程图。

图13为联动控制处理流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。

实施例1

本发明技术方案从智能网关、融合联动控制关系配置方法、分布式冗余控制策略这三方面阐述。

(一)智能网关

本发明提供一种能接收融合联动配置信息的智能网关，分为独立网关和虚拟网关两种，根据配置信息，把各业务传感节点、执行机构、报警装置、人员/车辆位置和应紧广播等有效的组织和关联在一起，由实际或虚拟网关屏蔽各业务子系统设备差异性，解决井下多系统融合联动的问题。

独立网关具备电以太网口和光纤接口，多路RS485现场总线接口，实现两个功能，一个是用于融合联动，另一个是管理控制总线式独立业务分站。工作过程如下：

(1)根据总线串行链路协议巡检分站，按照链路上的系统号把分站采集传感器的数据通过以太网转发给地面不同的业务主机；

(2)融合性安全监控主机把融合联动配置信息发给独立网关；

(3)网关解析融合联动配置信息，得到数据源和控制对象，以及数据源与控制对象的运算规则；

(4)独立网关截取所需的来自下级的本地数据源和获取异地数据源；

(5)独立网关进行联动规则运算；

(6)根据运算结果输出到控制对象，进行联动控制。

虚拟网关存在于融合分站中，作为分站程序的一个模块运行，实现井下融合联动，工作过程如下：

(6)融合性安全监控主机把融合联动配置信息发给虚拟网关；

(7)网关解析融合联动配置信息，得到数据源和控制对象，以及数据源与控制对象的运算规则；

(8)独立网关通过以太网请求获取其它网关和分站中的所需数据源；

(9)独立网关进行联动规则运算；

(10)根据运算结果输出到控制对象，进行联动控制。

(二)融合联动控制关系配置方法

本发明提供一套融合联动配置逻辑方法，本方法采用自我描述性语言生成的融合联动关系，具有算术、逻辑、延时等复杂嵌套运算规则，能够进行更复杂的多层次逻辑运算，且易于阅读和扩展，有力支撑了井下各类复杂融合联动控制模型的建立。

定义一套数据描述结构，采用轻量级的数据交换格式JSON(JavaScript Ob jectNotation,JS对象简谱)进行描述，融合联动控制关系配置数据结构见图1。图1中，实现原理为：

(1)model是个数组，每个数组元素实现了一种模型，模型定义了测点、控制对象，和之间的运算逻辑。model的每个数组元素包括两个对象，一个是logic数组，另一个是target数组。

(2)logic数组的每个元素称为运算对象，运算对象里包含point算子、delay延时时间、operation运算符3个元素，作为运算对象(算子)前后连接，组合成数学公式，运算对象有3种类型：

·测点算子：真实的测点

·常数算子：常数项

·嵌套算子：相当于一个算数中的括号()，内部又可包括测点算子、常数算子、嵌套算子。

运算符为二目运算符，使用第2个运算对象中的运算符，即整个数组中，

忽略了首个运算对象的运算符。运算符见表1：

表1运算符

logic数组定义示例说明见表2:

表2 logic数组定义示例说明

根据上表得到的公式＝P1>(P21+P22+P23)|P3——公式①

公式①中的P3结果检测持续5秒参与公式运算；

公式①的结果控制目标输出，输出形式如见表5；

公式①中P21、P22、P23、P3算子内部结果见(4)测点算子。

(3)测点算子

测点算子包括ID数据源属性、action操作符、value比较值，内部详细结构见表3。测点算子内部计算结果放在如公式①中进行层级计算。测点算子内部结果的计算过程举例如表4。

表3测点算子内部结构

表4测点算子内部计算示例

(4)target数组的每个元素为一个控制目标对象，目标对象元素见表5。

表5目标对象元素

控制目标元素	举例说明
		name目标所在设备名称	IP广播终端
目标所在设备IP网络地址和port端口号	192.168.5.100，7070
		addr目标所在设备编号	10
subAddr目标编号	1
		file控制协议名称/语音文件名	”瓦斯突出报警”

(三)分布式冗余控制策略

本发明提供一种井下融合联动分布式冗余控制策略，解决地面多系统融合主机平台或主通信故障，以及井下独立融合控制网关或分站故障后，使整个矿井或区域性融合应急联动失效问题。

实现本发明第三个目的的技术方案是：多个独立或虚拟网关分布在井下，保存有部分或全部融合联动关系配置。井下网关可以组成一组或多组独立控制区域，每组中决策一个主控网关做融合控制，其它为备有网关，形成分布冗余控制策略。

网关有三种状态，分别是主控状态、就绪状态、备用状态，如图2。对应3种超时时间T1、T2、T3。

T1可设置为1～5秒，用于主控定时向外发送带有自身决策信息的决策报文。

T2等于3倍T1,处于进入就绪状态时，持续T2时间进入主控状态。

T3等于6倍T1，处于备用态时，持续T3时间进入主控状态。

从主控态到备用状态立即切换，从备用态到就绪状态立即切换。

具体实现过程如下：

(1)接收并解析地面主机下发的JSON配置文件。

(2)由解析结果统计属于本地网关下的源测点数量和控制目标数量，以及本网关所在组号。

(3)初始化本网关为就绪状态，就绪状态持续T2秒后进入主控状态。

(4)网关接收到其它网关的决策报文，抛弃非同组报文，同组报文信息依次与自己的源测点数量、控制目标数量、以太网MAC地址进行比较。比较规则是：源测点数量少的设置为备用网关状态，源测点数量相同，则比较控制目标数量，控制目标数量少的设置为备用网关状态，如控制目标数量相同，则再比较以太网MAC地址，MAC地址大的设置为备有网关状态。

(5)当判断出本网关为备用网关，立即进入备用状态，并停止决策报文的定时发送。

(6)如果通过第(4)条比较规则，判断出本网关不是备用网关，且不在主控状态，则设置网关为就绪状态，并向外组播发送本网关决策报文(其它网关收到决策报文并比较后，高于自己的决策信息的都会停止报文发送，进入备用网关状态)。

(7)网关进入备用状态后，如果网络上静默，没有网关决策报文在发送，维持T3秒后，进入主控状态。

(8)基于智能网关(独立网关和虚拟网关)融合性安全监控系统

本实施方案研究安全监测监控系统、人员定位系统和应急广播系统的井下融合方法，并且结合矿井实际应用，实现系统间的联动控制。系统组成如图3所示。其中智能网关融合数据包括井下各类环境参数、生产参数、人员/车辆信息和位置信息等，环境参数、生产参数由传感器采集，人员/车辆信息由无线信号接收器接收、作业人员/车辆携带的定位卡获取。智能网关联动控制的目标有应急广播终端、人员定位卡、声光报警器和远动开关执行器等。

虚拟网关存在于融合分站中，作为分站程序的一个模块运行，实现井下融合联动。虚拟网关与融合分站关系如图5。

(二)联动控制关系配置方法

多系统联动控制的数据来源很多，包括多种传感器环境参数、生产参数、人员信息以及位置信息等，控制逻辑复杂并多样，现有安全监控系统逻辑关系配置协议采用寄存器方式进行的“或”和“与”的简单逻辑运算不能满足联动控制需求，所以本方案联动控制关系的配置采用JSON数据描述的方式。JSON是一种轻量级的数据交换格式，它独立于开发语言，是一种文本格式，易于人类读写，并且便于机器解析和生成，适用于描述在各个系统间交换的数据。采用JSON数据描述方式可以进行更复杂的多层次逻辑运算，而且JSON语言具有自我描述性，易于阅读和扩展，更利于分站平台对配置信息的管理。主机和网关间配置关系如图6所示。

JSON数据描述由“名称/值”组成，“名称”和“值”之间由“：”分开，各组“名称：值”对之间由“，”符号进行分割。JSON包含6种数据类型，我们使用数据和对象等不同的类型来描述多种逻辑关系元素或控制目标元素，满足联动控制需求，JSON描述融合联动控制关系配置关系设计如图7所示。

JSON描述融合联动控制关系配置关系工作原理：

(1)model是个数组类型，每个数据元素对应一条联动控制关系模型，该数组中一共建立了三条联动控制关系模型。

(2)model的每个数组元素包含两个对象，一个是logic数组，用来描述联动控制逻辑关系，另一个是target目标数组，用来描述logic数组的控制目标。

(3)logic数组的每个元素作为运算对象前后连接，组合成数学公式，运算对象(算子)有3种类型：

a)测点算子：真实的测点运算；

b)常数算子：常数项；

c)嵌套算子：相当于一个算数中的括号()，内部可包括测点算子、常数算子、嵌套算子。

d)运算符为二目运算符，使用第2个算子中的运算符，即整数组中，忽略首个算子的运算符。

如logic数组定义为表6：

表6 logic数组定义示列说明

根据上表得到的公式＝P1>(P21+P22+P23)|P3

各元素字段描述如表7所示。

表7测点元素描述

(三)智能网关分布式冗余融合联动处理流程

网关收到上位机的配置文件，使用cJSON库完成配置文件的树形解析，并利用递归算法获得联动控制逻辑公式。网关多任务处理关系如图8所示。

(1)Task_makeMdoel配置文件处理任务完成控制逻辑配置文件的树形解析，实现参与联动的源测点、逻辑运算公式以及联动控制目标的建立，内部处理流程见图9。

(2)Task_master主控网关决策处理任务是发送和接收主控网关决策报文，计算优先级，决定是否成为主控网关或备份网关，以实现分布冗余控制，内部处理流程见图10。

(3)Task_getData数据融合任务完成本地本测点的数据采集与存储，内部处理流量见图11。

(4)Task_runLogic逻辑运算任务根据逻辑运算公式完成测点数据运算，输出控制策略，内部处理流量见图12。

(5)Task_control联动控制任务根据控制策略完成对所配控制目标的控制，内部处理流量见图13。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法，其特征在于采用数据交换格式JSON进行描述，其融合联动配置信息的model数组包括logic数组、target数组；

logic数组的每个元素为运算对象，运算对象里包含point算子、delay延时时间、operation运算符3个元素；point算子作为运算对象前后连接，组合成数学公式，point算子有3种类型：真实测点算子、常数项、嵌套算子，其中嵌套算子相当于一个算数中的括号，包含测点算子、常数算子、嵌套算子；运算符为二目运算符，使用第2个运算对象中的运算符，即整个数组中，忽略了首个运算对象的运算符；

输出＝P1>(P21+P22+P23)|P3，公式(1) ；

公式(1)中：“>”表示前一个测点结果大于等于本测点结果；“+”表示前一个测点结果加上本测点结果；“|”表示前一个测点结果逻辑或上本测点结果；P1为常数算子；P21、P22、P23为嵌套算子P2的3个测点算子；P3为测点算子，P3结果检测持续n秒参与公式运算；

target数组每个元素为控制目标，控制目标里包含目标所在设备名称、目标所在设备IP网络地址和port端口号、目标所在设备编号、目标编号、控制协议名称/语音文件名。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下多系统融合联动控制关系配置方法，其特征在于测点算子包含ID数据源属性、action操作符、value比较值；

ID数据源属性包含测点所在分站网络IP地址、测点所在分站网络端口号、测点所在传感器地址、测点多参数地址以及测点类型，测点类型包含模拟量和开关量；测点算子内部计算结果放在公式(1)中进行层级计算；

action操作符包含模拟量测点值大于等于analog、模拟量测点值大于analog、模拟量测点值等于analog、开关量测点值取反、模拟量测点值加上analog、模拟量测点值减去analog、模拟量测点值乘以analog、模拟量测点值除以analog；analog为模拟量比较值、switch为开关量比较值；测点算子根据数据源属性获取的测点值与模拟量比较值运算得到内部结果。

3.一种煤矿井下多系统融合联动智能网关，其特征在于：包括独立网关和虚拟网关两种，根据权利要求1所述的融合联动配置信息，连接各测点算子，包括业务传感节点、执行机构、报警装置、人员/车辆位置和应紧广播。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下多系统融合联动智能网关，其特征在于：所述独立网关包括电以太网口、光纤接口、多路RS485现场总线接口，用于融合联动、管理控制总线式独立业务分站，具体工作过程为：

(1)依照总线串行链路协议巡检分站，按照链路上的系统号把分站采集传感器的数据通过以太网转发给地面不同的业务主机；

(2)融合性安全监控主机把融合联动配置信息发给独立网关；

(3)独立网关解析融合联动配置信息，得到数据源和控制对象，以及数据源与控制对象的运算规则；

(4)独立网关截取所需的来自下级的本地数据源和获取异地数据源；

(5)独立网关进行联动规则运算；

(6)运算结果输出到控制对象，进行联动控制。

5.根据权利要求3所述的煤矿井下多系统融合联动智能网关，其特征在于：所述虚拟网关存在于融合分站中，实现井下融合联动，具体工作过程为：

(1)融合性安全监控主机把融合联动配置信息发给虚拟网关；

(2)虚拟网关解析融合联动配置信息，得到数据源和控制对象，以及数据源与控制对象的运算规则；

(3)独立网关通过以太网请求获取其它网关和分站中的所需数据源；

(4)独立网关进行联动规则运算；

(5)运算结果输出到控制对象，进行联动控制。

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