煤矿安全监控分站模拟软件设计.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n Vo l 45 No 12 Dec 82019 第45卷第12期 2019年12月 i经验交流t 文章编号1671-251X2019 12-0068-07 DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019050083 煤矿安全监控分站模拟软件设计 邢少妹，刘海峰 神华信息技术有限公司％北京100011 扫码移动阅读 摘要传统的煤矿安全监控中心站监控系统测试方法是通过挂接多个分站设备对系统功能及性能进行 检测，不仅需要投入大量的硬件设备成本，测试过程繁琐，而且不能有效发现系统潜在的缺陷针对上述问 题，设计了一款实用的煤矿安全监控分站模拟软件，该软件利用数据模拟技术、IO多路复用技术及 Web So c ke t实时通信技术，可以实时模拟分站设备的工作模式，与中心站监控系统进行动态交互，能动态触 发异常场景，并能模拟多分站的并发行为，对中心站监控系统的通信传输准确性、时效性、并发处理能力及连 续可靠性等进行全方位的检验。测试结果表明，分站模拟软件能代替分站设备模拟绝大部分的实际应用场 景，能从实时数据采集监测、网络传输稳定性、内存消耗情况、异常报警监控等方面快速、有效地诊断出中心 站监控系统存在的问题，有效提高中心站监控系统的修复周期，为现场稳定运行提供保障 关键词煤矿安全监控；中心站监控系统；分站；模拟软件；数据模拟技术；IO多路复用技术； Web So c ke t实时通信技术；并发处理 中图分类号TD672 文献标志码A Desig n o f simul a t io n so f t w a r e o f min e sa f et y mo n it o r in g subs t a t io n XINGSh a o mei, LIU Ha if en g Sh en h ua In f o r ma t io n Tec h n o l o g y Co . , Lt d . , Beijin g 100011, Ch in a Abstract Th e t r a d it io n a l t est in g met h o d o f c o a l min e sa f et y mo n it o r in g c en t r a l st a t io n mo n it o r in g sy st em is t o t e st f un c t io n a n d per f o r ma n c e o f t h e sy st em by h o o kin g up mul t ipl e subst a t io n eq uipmen t s, w h ic h n o t o n l y r eq uir es a l a r g e a mo un t o f h a r d w a r e c o st a n d c o mpl ex t est in g pr o c ess,but a l so c a n n o t efec t iv el y f in d po t en t ia l d ef ec t s o f t h e sy st em. In v iew o f t h e a bo v e pr o bl ems ,a pr a c t ic a l simul a t io n so f t w a r e o f c o a l min e sa f et y mo n it o r in g subst a t io n w a sd e sig n ed .Th e so f t w a r ea d o pt sd a t a simul a t io n t ec h n o l o g y ,IO mul t ipl exin g t ec h n o l o g y a n d WebSo c ket r ea l -t ime c o mmun ic a t io n t ec h n o l o g y ,a n d c a n simul a t ew o r kin g mo d e o f s ubs t a t io n e q uipme n t in r e a l t ime ,in t e r a c t w it h t h e c e n t r a l s t a t io n mo n it o r in g sy st emin a c t io n st a t e ,a n d c a n t r ig g er t h ea bn o r ma l sc en ed y n a mic aly ,simul a t et h e c o n c ur r en t beh a v io r o f mul t ipl esubst a t io n s.Mea n w h il e it c a n c o mpr eh e n siv el y t est t h ec o mmun ic a t io n t r a n smissio n a c c ur a c y , t ime l in ess,pa r alel pr o c essin g a bil it y a n d c o n t in uo usr el ia bil it y o f t h ec en t r a l st a t io n mo n it o r in g s y st e m. Th e t est r e sul t ssh o w t h a t t h e subst a t io n simul a t io n so f t w a r e c a n t a kepl a c eo f subst a t io n e q uipmen t a n d simul a t ev a st ma jo r it y o f a ppl ic a t io n sc en a r io s,a n d c a n q uic kl y a n d efec t iv el y d ia g n o sef l a w so f t h e c en t r a l st a t io n mo n it o r in g sy st em f r o m r ea l -t ime d a t a c o lec t io n a n d mo n it o r in g ,n e t w o r kt r a n smissio n st a bil it y , 收稿日期收稿日期2019-05-29 c en t r a l st a t io n mo n it o r in g sy st em; subst a t io n; simul a t io n so f t w a r e; d a t a simul a t io n t ec h n o l o g y; IO mul t ipl exin g t ec h n o l o g y; WebSo c ket r ea l -t ime c o mmun ic a t io n t ec h n o l o g y ;pa r a l el pr o c essin g 0引言引言 煤矿安全监控系统是煤矿安全避险必建的“六 大系统”之一，系统可实时监测甲烷浓度、风速、风 压、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开 停、主要通风机开停等情况，并可监控和预警瓦斯、 火、冲击地压等重特大事故，对保障煤矿人员和财产 的安全发挥着极其重要的作用1。2016年12月, 在新技术新装备不断发展的背景下,国家煤矿安全 监察局下发了煤矿安全监控系统升级改造技术方 案，对提高安全监控系统技术性能和安全可靠性提 出了更高的要求「2。 煤矿安全监控系统主要由井上的中心站监控系 统和井下的分站、传感器设备组成，传感器监测甲 烷、氧气等气体浓度及通风机、风门等开停状态，并 通过分站将数据实时传送给中心站监控系统。由于 煤矿现场生产环境较恶劣，井下会布设上百个甚至 上千个传感器来全面探测环境状况，同时分站与中 心站监控系统的传输通道是从井下到井上，传输信 号距离长且传输网络复杂，极易受到外部信号的干 扰「3勺。现场实际环境对中心站监控系统的大数据 量并发采集监测的可靠稳定能力及对瓦斯超限等异 常情况的快速报警响应能力是个极大的考验，这就 要求中心站监控系统在现场部署应用前必须经过严 格的全面测试，保证系统是稳定可靠的，否则将会发 生数据丢失、异常情况漏报或报警响应不及时等情 况，给煤矿的生产安全带来极大的隐患。传统的测 试方法是通过挂接多个分站设备来开展中心站监控 系统的功能及性能检测工作，不仅需要投入大量的 硬件设备成本，对测试环境空间也有较高的要求，测 试过程也比较繁琐，而且不能有效发现系统潜在的 缺陷，特别对一些特定场景的异常状况也无法在早 期发现问题，极大约束和限制了中心站监控系统的 修复整改进度。因而迫切需要采取有效的测试手段 对中心站监控系统进行全面的测试诊断，有效提高 测试效率「6 o 针对现有测试方法存在环境搭建复杂、测试成 本高、测试覆盖不全面的问题,本文设计了一款实用 的煤矿安全监控分站模拟软件，可以实时模拟分站 设备的工作模式，与中心站监控系统进行动态交互， 并 模拟 分 站 并 行 对 中 心 站 监 控 统 通信传输准确性、时效性、并发处理能力及连续可靠 性等进行全方位检验。模拟测试结果表明，该模拟 软件能及早发现中心站监控系统存在的问题，有效 缩短了中心站监控系统的改进修复周期，为现场稳 定运行提供保障「7切。 1分分站站模拟模拟软件功软件功能分析能分析 安全 监 控分 站 模拟 件 模拟 分 站 设 工作机制，基于实际的通信协议实现与中心站监控 系统的实时通信。分站模拟软件运行过程中需动态 模拟井下模拟量传感器的监测数值变化和开关量传 感器的状态变化，并将这些动态信息连续、实时地通 模拟 分 站 传 送 给 中 心 站 监 控 统 测 中 心 站 监 控 统 通 信 实 性 、 性 行 靠 性。分站模拟工作机制如图1所示「1M1。 Fig . 1 Subst a t io n simul a t io n w o r kin g mec h a n ism 分站模拟软件主要功能 1 能同时模拟多个分站设备，每个分站可挂 传 感 。 2 能真实模拟分站设备的实际通信流程，完成 与中心站监控系统的通信链路建立、握手应答及数据 的实时传输,并能实时跟踪交互通信数据包内容。 3 能单独设置每个分站所连接的传感器数 目，并可配置每个传感器的基本信息。 4 能设置传感器的测量值生成规则，如锯齿 波、方波、随机数等，通过直观的数据波形来检测中 心 站 监 控 统 据 采集 是 有 。 5 可模拟网络波动状态，能在传输过程中通 ・・70・ ・ 工矿自动化 45 过手动中断或设置定时中断中止与中心站监控系统 的网络连接，检测中心站监控系统是否具备网络中 断自恢复功能。 6可模拟单个传感器的报警，也可模拟典型 组合报警场景，如主备通风机切换、风门同时打开 等，检测中心站监控系统是否能快速监测报警状态 并做出响应。 2分站模拟软件设计分站模拟软件设计 2. 1 模拟软件的框架搭建 分站模拟软件采用B/S设计模式，在浏览器上 就可以运行。软件采用分层架构，分为用户界面层、 控制层、业务逻辑层、网络接口层、数据访问层和存 储层，如图2所ZK。用户界面层王要利用h t ml 5、 v ue. js及iv iew 技术构建。h t ml 5是最新的h t ml 标准，提供了很多新的功能和AP I应用程序编程接 口来构建 We b界面；v ue. js是基于h t ml5的 MVVM模型-视图-视图模型框架；iv iew是基于 v ue .js的UI用户界面组件库，使用这些框架和技 术使得GUI图形用户界面前端开发和后端开发 逻辑得以分离，提高了前端开发效率。控制层采用 spr in g w e bmv c实现r es t f ul服务，供用户界面层使 用AJAX调用。业务逻辑层主要实现数据模拟的 业务逻辑，包括规则的设置、查询和模拟分站的启动 等，采用spr in g b o o t框架，配置更简捷高效。网络 口 层利 IO 模型实 与 中 心 站监控 统的通信， ，主要采用n e t t y框架。数据访问层采用 spr in g d a t a实现和数据库的交互。存储层采用数据 库 模拟 据 规 信 ， ， 同 利 中 心 站 监控系统的分站和传感器配置数据，这样能减少传 感器配置工作。 。 图2分站模拟软件框架结构 Fig .2 Fr a mew o r ks ,r uc ,ur eo f subs,a io n simul a ,io n so f ,w a r e 2.2 模拟软件通信流程 分站模拟软件通信流程如图3所示。 。 1 分站模拟软件根据配置信息，启动1个或 图3分站模拟软件通信流程 Fig .3 Co mmun ic a ,io n f l o w o f s ubs,a ,io n simul a ,io n s o f ,w a r e 分 站 TCP Tr a n smissio n Co n ,r o l P r o t o c o l， ，传输控制协议监听端口。 。 2 中心站监控系统与模拟分站建立TCP连 接，每个连接都会被分配一个定时器。 。 3 各模拟分站根据设定的规则计算每个传感 器的值，按照通信协议将实时数据打包，按秒级自动 连续地发送给中心站监控系统。 。 4 在实时数据传送过程中可接受人工干预, 动态触发异常场景。 。 5 在数据传送过程中，定期中断网络连接端 口，等待重新连接。 。 6 所有发送和接收的数据包都在模拟软件界 面进行跟踪查看。 。 2.3 模拟软件功能模块设计 根据分站模拟软件功能分析，，设计了包括信息 、 、实 据模拟、 、 场景模拟 通信实 监控的分站模拟软件功能模块，如图4所示。 。 1 信息参数配置主要用于提供灵活的软件运 行配置信息,可设置分站基本信息、传感器基本信息, 并能单独配置各个分站传感器的数据生成规则，可设 置周期性自动中断与中心站监控系统的网络连接。 。 2 实时数据模拟按照通信协议规范要求，真 实模拟分站设备与中心站监控系统的通信流程，并 按照配置好的数据生成规则，自动周期性地产生模 拟数据，实时传送给中心站监控系统，同时定期中断 与中心站监控系统的通信通道，等待重新连接。 。 3 异常场景模拟模拟煤矿现场的复杂状况, 通过手动操作来动态触发某个异常场景，包括传感器 标校、故障报警，瓦斯、一氧化碳超限报警，主要通风 机、局部通风机停运报警以及风门开、馈电异常等 报警。 2019 12 邢少妹等煤矿安全监控分站模拟软件设计 ・71・ 分站模拟软件 信息参数配置实时数据模拟异常场景模拟通信实时监控 分站基本信息设置 传感器基本信息设置 数据生成规则配置 网络动态中断配置 锯齿波 方波 随机数 文件读取 传感器标校 超限报警 故障报警 通风机停运报警 主备通风机切换报警 烟雾有烟报警 风门关联报警 馈电异常报警 网络状态监控 发送数据包监控 接收数据包监控 图4分站模拟软件功能模块 Fun c io n mo d ul es o f subs ,a io n simul a ,io n so f ,w a r e Fig .4 4通信实时监控实时监控模拟分站与中心 站监控系统的网络链路状况，能详细跟踪发送的数 据包内容以及接收到的数据包内容。 3软件实现关键技术软件实现关键技术 3. 1 数据模拟技术 由于煤矿现场安全监测实时数据的数据量非常 大,很难直观跟踪数据采集状况。随机产生数值不 利于数据的比对，分站模拟软件提供多种模拟数据 产生的方法，比如锯齿波、方波，或读取现场历史文 件数据等11。这些波形比较直观，测试人员能快速 判断数据是否正确。 中心站监控系统与分站的通信调试和测试一直 是安全监控系统测试中比较繁琐的工作，分站模拟 软件简化了测试工作流程，可以在界面中查看传输 数据内容和二进制协议包编码。通过提供单条数据 模拟手段，开发人员、测试人员可以在界面中直接查 看数据传输的内容是否正确，方便系统调试和测试 3.2 IO多路复用技术 在煤矿井下实际生产环境中，会部署几百乃至 上千个分站，每个分站有几十个甚至上百个传感器 与之相连，这些设备需要实时与中心站监控系统通 信。分站模拟软件需要模拟真实应用场景，能在 一台普通计算机上模拟几百个分站，每个分站同时 向中心站监控系统发送上百个传感器的数据，对系 统的并发能力有较高要求，必须采用一种高效的网 络IO模型来实现分站模拟软件与中心站监控系统 的并发交互过程。 常见的网络IO模型有4种同步阻塞IO Bl o c kin g IO模型、同步非阻塞 IO No n -bl o c kin g IO模型、异步 IO Asy n c h r o n o us IO模型、IO 多路 复用IO Mul t ipl exin g模型。同步阻塞IO模型用 户线程在内核进行IO操作时需要等待内核操作完 成才能进行下一步处理，这导致用户在发起IO请 求时，不能做任何事情，CP U的资源利用率不高。 同步非阻塞IO模型用户线程在发起IO请求后可以 立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重 复请求，会消耗大量的CP U资源，效率较低。异步 IO模型即经典的P r o a c t o r设计模式，理论上是效率 最高的IO模型，但需要在操作系统层面上才能支持, 实际应用中并不常用。IO多路复用模型即经典的 Rea c t o r设计模式，，建立在内核提供的多路分离函 数sel ec t基础之上，使用s e l e c t函数可以避免同步 非阻塞IO模型中轮询等待的问题。IO多路复用模 型成熟可靠，在效率上比异步IO模型相差不大，甚 至在某些环境的测试中，效率还优于异步IO模型。 经对比分析，分站模拟软件的网络接口层采用 IO多路复用模型实现，该模型具有高并发、低延时、 稳定可靠的优势。 3. 3 We bSo c ket实时通信技术 分站模拟 件 有 中 看 中心站监控系统发送的数据内容和二进制代码功 能，这部分内容采用WebSo c ket技术来实现。而分 站模拟 件 送 据和 容是 立 ， 并 且是以秒级的频率发送数据，使用传统的请求-应 答方式难以实现。 传统网站为了实现推送功能，所用的技术都是 轮询。轮询是在特定的时间间隔每隔1s,由浏览 器对服务器发出HTTP请求，然后由服务器返回最 新的数据给客户端浏览器。这种传统的模式有很明 显的缺点，即浏览器需要不断地向服务器发出请求, 然而HTTP请求可能包含较长的头部，其中真正有 效的数据可能只是很小的一部分，显然这样会浪费 很多的带宽资源。而比较新的轮询技术采用的是 Co met基于HTTP长连接的“服务器推”技术。 这种技术虽然可以双向通信，但依然需要反复发出 请求。而且在Co me t中普遍采用长连接，也会消耗 服务器资源12- h t ml 5新定义的WebSo c ke t协议能更多地节省 服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通信。 WebSo c ke t使得客户端和服务器之间的数据交换 变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。 WebSo c ke t AP I 中 ， 浏 和服 要 成 一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接， ・72・ 工矿自动化 45 并进行双向数据传输。 4分站模拟软件应用测试分站模拟软件应用测试 采 中心站服 和2台测试P C机搭建 系统测试环境，共模拟200个分站、900个传感器与 中心站监控系统通信。系统连 行14 d ,分站模 拟软件按指定 据产生方式模拟各传感 监测 值，同时模拟主要通风机全部停机或局部通风机停 机 况，检测中心站监控系统 据采集状 况以及对 情况的报警响应 性。 4. 1 测试环境网络拓扑结构 中心站服 部署中心站监控系统，2台测 试P C机部署分站模拟软件，其中测试P C1模拟运 行100个分站，模拟 400个传感器，包括 人 、氧气等模拟量传感器和主要通风机、局部 通风机开 传感器；测试P C2模拟运行另外 100 分 站 ， 模 拟 500 传 感 ， 包 括 、 、氧气* 模拟量传感器和主要通风 机、局部通风机* 开 传感器。测试环境网 络拓扑结构如图5所示。 0 中心站服务器 192.16 I ；共接入500个传感器; 图5测试环境网络拓扑 Fig .5 Net w o r kt o po l o g y o f t et en v ir o n men t 4. 2 测试环境参数配置 测试环境参数配置信息见表1 表1测试环境参数配置信息 Ta bl e1 P a r a met e r c o n f ig ur a t io n in f o r ma t io n o f t et en v ir o n men t 行P C机 分站号安 IP 端口号据生成规 测试P C1001F 中央变电所 10.212.170.1117701 锯齿波 测试P C1002F 回采工作面 10.212.170.111 7702 锯齿波 测试P C1099F 采煤工作面 10.212.170. 111 7799 锯齿波 测试P C1100F 主副平碉回风联络巷 10.212.170.111 7800 方波 测试P C2101F 采煤工作面 10.212.170. 1127701 方波 测试P C2102F 掘进工作面 10.212.170.112 7702 波 测试P C2103F 掘进工作面 10.212.170.112 7703 锯齿波 测试P C2199F 掘进工作面 10.212.170.112 7799 机 测试P C2200F 北翼变所 10.212.170. 112 7800 机 4. 3 测试内容 1 分站模拟软件按指定的数据波形，每隔5 s 产生各传感 据并传输给中心站监控系统，检 测中心站监控系统数据采集连 确性。 2 设置分站 1 h自动中断与中心站监控 系统的网络端口连接，检测中心站监控系统 络 自 力。 3 动态调整某些甲烷传感器的监测浓度，浓 度值 变 限， 限变 ，检测中心 站监控系统 行 限报警提醒或 监测状态。 4 动 态 ， 主要 通 机 报 、 掘进工 煤与 报警，检测中心站监控系 统 监控 重 情况，及时给出报警提 醒并 锁指令。 4. 4 测试跟踪情况 连 14d 测 试 ， 中 心 站 监 控 统 与各分站通信，采集到各传感 实 C 据， 并实时入库。分站模拟软件运 行效果如图6所示，通过对图6右 送和 〔 据窗口 据包跟踪分析， 中心站监控 统能持 与模拟分站进行通信交互，并能 对 情况 响应指令。 通过对中心站监控系统中各传感器数据曲线 分 析以 对 情 况 分 析 ， 中 心 站 监 控系统 1 通过中心站监控系统查看数据的历史曲 线，发现锯齿波数据的图形不完整，总是在波 部 丢失数据。经排查是中心站监控系统对数据 缓 理 ， 定 据 会发 生缓 情况。模拟产生的锯齿波及中心站监 控系统采集 据波形对 图7所示。 2 在测试运行到第3天时，发现所有模拟分 站都断开了与中心站监控系统的连接。经分析 I 是中心站监控系统对网络中断连 行了限 制，没有考虑到实际现场的恶劣环境。 2019年第12期邢少妹等煤矿安全监控分站模拟软件设计・73・ 分站模拟软件 X 新增分站［编辑分站［删除分站［启动分站［停止分站］断开连接］全部断开连接］设置设备状态［设置组合报警］巡检周期测试 □暂停实时数据发送实时数据发送间隔5s 显示实时数据内容 分站注册（7.2.1）（UDP） -所有分站 o O 分站[001F10.212.170.1117701] O O 分站[002F 10.212.170.1117702] O O 分站[003F10.212.170.1117703] -0/10.212.170.11341366 -0/10.212.170.11041152 O 分站[004F10.212.170.1117704] -0/10.212.170.11054484 ■二/10.212.170.11350217 分站[003F10.212.170.1117703]-/10.212.170.11341366 发送数据窗口 |0123456789a b c d e f | |00000000| 03 02 Oc 00 90 c 9 00 01 00 00 85 b6 eb 5c 89 03|............../..| 清空保存 Mo n Ma y 27 2019 10105 GMT0800（中国标准时间） a d u头部 st a t io n N o 03 ;mo d ul eNo 02 ;pd uLen g t h 12 pd u响应头 功能码-112文序号・55,错误码0,协议版本1,时间标签（6位）Mo n Ma y 27 100557 CST 2019,保留（2位）0 0 接收数据窗口清空保存 Mo n Ma y 27 2019 101024 GMT0800（中国标准时间） a d u头部 st a t io n N o 04;mo d ul eN o 02 ;pd uL en g t h 13 pd u请求头 功能码07,报文序号d l ,保留00,协议版本01,保留（2位）0 0,时间标签（6位）Mo n Ma y 27 100522 CST 2019//62b6eb5c 3f 03 图6分站模拟软件运行效果 Fig . 6 Oper a t io n ef f ec t o f subst a t io n simul a t io n so f t w a r e 设备详细信息设备详细信息［003A1011］采煤工作面一甲烷采煤工作面一甲烷 基础信息超限设置实时数据 实时曲线基础信息超限设置实时数据 实时曲线 b中心站监控系统采集到的数据波形 图7数据波形对比 Fig .7 Da t a w a v ef o r mc o mpa r io n 3每天跟踪中心站监控系统的内存消耗情 况，发现系统 模拟分站发送 据包并 做相应处理后 ，后降低，但每天总是以 一定的增量在缓 长。经排查分析，发现是中心 站监控系统 些资源在创建 有彻底 〔 干净。 针对发现的缺陷对中心站监控系统进行修补 后重新启动分站模拟软件对 行 跟踪验证。测试结果充分 ，分站模拟软件可按 照预设的数据波 生模拟数据，连续不 向中 心站监控系统传送数据包，能有 测出中心站监 控系统是 、数据采集处理逻辑不完 0分站模拟软件对有 测中心站监控系 统的通信传输稳定性、数据采集可靠性、 性 及系统可靠性等起着较好的作用。 5结语 煤矿安全监控分站模拟软件界面配置简单，能 同 持模拟大 分站设备和传感器，在P C机 行就 成与中心站监控系统的交 程，并 能动态改变环境 ，模拟特定 场景，实现对 中心站监控系统的有 测。该模拟软件不 节 大 件投入成本，有效缩 统测试 周 期，同 降低测试人员的测试工 。测试 结果 ，分站模拟软件 分站设备模拟绝大 部分的实际应用场景，能从实 据采集监测、网络 传输稳定性、卩 情况、异常报警监控等方 、有 诊 中心站监控系统 。 ・74・ 工矿自动化 45 参考文献References 1李继林煤矿安全监控系统的现状与发展趋势[J煤 炭技术，2008,271135. 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