基于Redis的煤矿大型机电设备联网架构.pdf

第4 6 卷第1 0 期 工矿 自动化 V 0 1 ．4 6N o ．1 0 2 0 2 0 年1 0 月 I n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o n O c t ．2 0 2 0 文章编号1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 2 0 1 0 0 1 0 9 0 5D O I 1 0 ．1 3 2 7 2 ／j ．i s s n ．1 6 7 12 5 1 X ．2 0 2 0 0 5 0 0 1 9 基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构 陈清 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 扫码移动阅读 摘要针对基于F T P 的煤矿大型机电设备联网架构存在数据交换协议复杂、数据库读写压力大、服务器 磁盘易损坏、网络阻塞后易引起读取文本文件失败等问题，根据煤矿大型机电设备数据特征，提出了一种基 于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构。将采集的煤矿大型机电设备数据以R e d i s 发布／订阅模式从R e d i s 客户端传输到R e d i s 服务端，减少了数据流转环节，提高了数据传输效率；R e d i s 服务端将接收到的数据推送 给数据解析程序，由数据解析程序完成数据逆向解析，并将解析的实时数据缓存到R e d i s 内存数据库中，提 高了实时数据访问速度，减轻了关系数据库读写压力；利用数据传输中断缓存机制，实现数据中断续传，避免 了数据丢失；利用R e d i s 集群功能实现R e d i s 服务端和数据解析程序分布式部署，提高了数据解析效率。实 际应用结果表明，该架构具有实时数据延时低、实时数据查询速度快等特点，能够满足煤矿上级监管部门对 煤矿大型机电设备在线、快速、有效管控的需求。 关键词煤矿信息化；煤矿大型机电设备；联网架构；R e d i s ；发布／订阅 中图分类号T D 7 6文献标志码A N e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r eo fl a r g e s c a l e c o a lm i n eb a s e d e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti n o nR e d i s C H E NQ i n g C C T E GC h o n g q i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 9 ，C h i n a A b s t r a c t N e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r eo fl a r g e s c a l ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n eb a s e do n F T Ph a sp r o b l e m ss u c ha sc o m p l e xd a t ae x c h a n g ep r o t o c o l ，h i g hp r e s s u r eo fd a t a b a s er e a d i n ga n dw r i t i n g ， e a s yd a m a g eo fs e r v e rd i s ka n df a i l u r eo fr e a d i n gt e x tf i l e a f t e rn e t w o r kb l o c k i n g ．A c c o r d i n gt od a t a c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g es c a l ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n e ，an e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r eo fl a r g e s c a l ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n eb a s e do nR e d i sw a sp r o p o s e d ．T h ec o l l e c t e dd a t ao fl a r g e s c a l ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n ei st r a n s m i t t e df r o mR e d i sc l i e n tt oR e d i ss e r v e ri nR e d i s p u b l i s h ／s u b s c r i b em o d e ，w h i c hr e d u c e sd a t af l o wl i n ka n di m p r o v e se f f i c i e n c yo fd a t at r a n s m i s s i o n ．T h e R e d i ss e r v e rp u s h e st h er e c e i v e dd a t at od a t ap a r s i n gp r o g r a m ，w h i c hc o m p l e t e sd a t ar e v e r s ep a r s i n g ，a n d t h ep a r s e dr e a l t i m ed a t ai sc a c h e di n t oR e d i sm e m o r yd a t a b a s e ，S Oa st oi m p r o v er e a l t i m ed a t aa c c e s s s p e e da n dr e d u c er e a d i n ga n dw r i t i n gp r e s s u r eo fr e l a t i o n a ld a t a b a s e ．D a t at r a n s m i s s i o ni n t e r r u p tc a c h i n g m e c h a n i s mi su s e dt or e a l i z ed a t ac o n t i n u o u st r a n s m i s s i o na f t e r i n t e r r u p t i o n a n da v o i dd a t al o s s ． D i s t r i b u t e dd e p l o y m e n to ft h eR e d i ss e r v e ra n dd a t ap a r s i n gp r o g r a mi sr e a l i z e db yu s i n gR e d i sc l u s t e r f u n c t i o n ，w h i c hi m p r o v e se f f i c i e n c yo fd a t ap a r s i n g ．T h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da r c h i t e c t u r eh a sc h a r a c t e r i s t i c so fl o wr e a l t i m ed a t ad e l a ya n df a s tr e a l t i m ed a t aq u e r ys p e e d ． 收稿日期2 0 2 0 0 5 0 9 ；修回日期2 0 2 0 1 0 0 6 ；责任编辑盛男。 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 8 Y F C 0 8 0 8 3 0 0 。 作者简介陈清 1 9 8 6 ，男，重庆忠县人，助理研究员，硕士，现从事煤矿安全监控及政府安监信息化相关软件研发工作，E m a i l 5 1 6 2 7 2 5 2 4 q q - c o r n o 引用格式陈清．基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构E J 2 ．工矿自动化，2 0 2 0 ，4 6 1 0 1 0 9 1 1 3 ． C H E NQ i n g ．N e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r eo fl a r g e s c a l ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n eb a s e do nR e d i s E J ] ．I n d u s t r ya n dM i n e A u t o m a t i o n ，2 0 2 0 ，4 6 1 0 1 0 9 1 1 3 ． 万方数据 1 1 0 工矿自动化第4 6 卷 w h i c hc a nm e e tn e e d so fs u p e r i o rs u p e r v i s i o nd e p a r t m e n to fc o a lm i n ef o ro n l i n e ，r a p i da n de f f e c t i v ec o n t r o l o fl a r g e s c a l ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n e ． K e yw o r d s c o a l m i n e i n f o r m a t i z a t i o n ；l a r g e s c a l e e l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n t i nc o a l m i n e ； n e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r e ；R e d i s ；p u b l i s h ／s u b s c r i b e 0引言 煤矿大型机电设备是各级监管机构的重点管控 对象[ 1 ] ，对煤矿大型机电设备进行有效监管既是应 急管理部信息化发展总体战略规划的重要组成部 分，也是大型煤矿集团公司信息化建设重要内容[ 2 ] 。 因此亟需利用信息化手段实现煤矿大型机电设备在 线、快速、有效管控[ 3 书] 。 现有煤矿大型机电设备联网主要是在煤矿企业 部署前置数据采集服务器，通过安装在数据采集服 务器上的数据采集程序从数据源获取数据，以文本 文件的方式缓存于前置数据采集服务器的指定文件 目录，然后利用数据上传工具通过文件传输协议 F i l eT r a n s f e rP r o t o c o l ，F T P 将文本文件传输至省 级煤矿安全监察局等上级监管部门数据中心的 F T P 服务器，并利用安装在数据分析服务器上的数 据解析程序将文本文件数据进行逆向解析并保存到 目标库中[ 7 ] 。但基于F T P 的煤矿大型机电设备联 网架构在实际使用过程中存在以下问题①在面向 对象为主流编程方式的情况下，数据在文本文件、内 存对象、数据库文件之间流转，数据交换协议制定复 杂[ 8 ] 。②实时数据生成频率较快，数据解析程序将 实时数据写入关系数据库实时数据表，为避免数据 冲突，通常会对实时数据表进行加锁，并且数据应用 系统高频访问关系数据库实时数据表，会大大增加 数据库读写压力。③数据采集程序和数据解析程 序不断新建、删除文本文件，会产生大量磁盘碎片， 对数据采集服务器和数据分析服务器磁盘造成物理 损坏。④网络阻塞一段时间后，数据采集服务器会 堆积大量文本文件；网络恢复时需要按照时间顺序 上传文本文件，可能造成查找文件超时，导致读取文 本文件失败。 R e d i s R e m o t eD i c t i o n a r yS e r v e r ，远程字典服 务 具备高效数据缓存、分布式部署和支持多种交互 模式等特点[ 9 ] ，因此，本文提出了基于R e d i s 的煤矿 大型机电设备联网架构，具有高效、实时的数据采 集、传输与解析能力。 1 R e d i s 简介 R e d i s 作为一款开源的高性能非关系型内存数 据库[ 1 ⋯，支持丰富的数据结构 包括字符串、集合、 列表、字典等 ，可实现快速增删改查。R e d i s 客户 端和服务端之问的通信协议R E S P R e d i s S e r i a l i z a t i o nP r o t o c o l ，R e d i s 序列化协议 是在T C P 之上构建的[ 1 “，R e d i s 客户端和服务端保持双工连 接。R e d i s 具有以下特点①数据读写性能极高。 由于R e d i s 是基于内存 缓存 的数据存储方式，对 数据读操作速度达1 1 万次／s ，写操作速度达8 ．1 万 次／s ，数据查询效率高。②支持持久化。R e d i s 将 更新的数据异步持久化到硬盘中，或者将执行过的 修改操作写入日志文件中，能够在网络中断等异常 情况下，缓存网络异常期问的数据，在网络恢复时根 据数据优先级重传数据。③客户端和服务端可实 现多种类型的交互模式，包括串行请求／N 应模式、 双工请求／响应模式、原子化的批量请求／响应模式 事务 、发布／订阅模式。 2 联网架构设计 2 ．1数据特征 煤矿大型机电设备联网数据主要包括实时数据 和参数定义数据。参数定义数据在初始化之后基本 保持不变。实时数据具备以下特征①时序性。煤 矿大型机电设备监测数据实时采集并联网上传，从 数据产生角度来看，数据具有时问先后顺序。②分 布均衡。由于煤矿大型机电设备监测数据的采集频 率固定，在时间维度上，数据是连续的，每个时段的 数据量相对均衡。③结构简单。每条设备实时数 据只包含设备监测参数编码、监测值和采集时间。 2 ．2总体架构 基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构分为 采集层、传输层、服务层和应用层，如图1 所示。 采集层利用数据采集服务器从数据源采集数据 并转换为统一的数据格式[ 1 2 1 ；传输层通过R e d i s 数 据管道进行数据实时、高效传输，对采集的数据进行 有效整合，统一存人数据中心；服务层综合利用基础 设备、计算机网络、安全设备、服务器、基础软件和应 用软件等，为应用层提供基础支撑服务；应用层主要 利用服务层提供的各类服务，为用户提供业务应用， 包括实时数据查询、报警记录查询、设备运行记录查 询、设备状态变动查询、参数曲线／柱图查询、分钟统 计数据查询、参数定义数据查询等。 从业务角度看，整个联网架构分为煤矿端和上 万方数据 2 0 2 0 年第1 0 期陈清基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构1 1 1 ⋯l 圈圈网ii 圈l l 查询 l 记录查询ll 柱图查询ll 数据查询l 应用层 ．一 l 报警记录ll 设备状态| | 分钟统计l l 查询l 变动查询| | 数据查询l 服务层l 产焉磊丽磊蔗磊焉纛纛；爿l 传输层R e d i s 数据管道 薰{ 采集层lE 兰窒写翁墓芋三l 图1 基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构 F i g ．1N e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r eo fl a r g e s c a l e e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nc o a lm i n eb a s e do nR e d i s 级监管端两部分，煤矿端通过R e d i s 数据管道向上 级监管端传输数据。 2 ．3煤矿端 煤矿端由数据源和数据采集服务器组成，如 图2 所示。数据源主要包括O P CS e r v e r 、文本文 件、数据库、W e bS e r v i c e 等；数据采集服务器上部 署数据采集程序和中断缓存数据库。在网络通畅情 况下，各联网煤矿的大型机电设备实时数据通过数 据采集程序自动采集上传。当出现网络阻塞等异常 情况，数据会堆积在煤矿端数据采集服务器中，数据 采集程序的数据缓存模块一旦监测到数据堆积，自 动启动数据缓存服务，将堆积的数据缓存到中断缓 存数据库中，并在网络恢复后按数据采集时问的优 先级上传缓存数据，实现数据中断续传。 图2 煤矿端组成 F i g ．2C o m p o s i t i o no fc o a lm i n ee n d 2 ．4 数据传输 数据传输方式采用R e d i s 发布／订阅模式[ 1 1 I ， 如图3 所示。R e d i s 发布／订阅机制包括发布者、订 阅者和R e d i s 数据管道，发布者和订阅者通过R e d i s 数据管道关联，发布者和订阅者为R e d i s 客户端， R e d i s 数据管道为R e d i s 服务端，包括实时数据管道 和参数定义数据管道。各联网煤矿的数据采集程序 作为发布者，将采集的煤矿大型机电设备数据发布 到R e d i s 服务端的实时数据管道和参数定义数据管 道。R e d i s 服务端接收到发布的数据后，向各数据 解析程序 订阅者 即时推送数据。 数据解析程序1 ll 数据解析程序2 ll 数据解析程序仳 ” 订阅者 订阅者l ⋯l 订阅者 R e d i s 数据管道 煤矿1煤矿2煤矿n 数据采集程序ll 数据采集程序| ‘l 数据采集程序 发布者 发布者 发布者 图3R e d i s 发布／订阅模式 F i g ．3 R e d i sp u b l i s h ／s u b s c r i b em o d e 2 ．5 上级监管端 上级监管端由数据解析程序、存储系统和数据 应用系统组成，如图4 所示，其中存储系统包括关系 数据库、H B a s e 和R e d i s 内存数据库。R e d i s 服务端 将接收到的数据推送给数据解析程序，由数据解析 程序完成数据逆向解析，将解析的实时数据直接写 入R e d i s 内存数据库和H B a s e 实时数据快照表，并 将在实时数据基础上通过统计分析得到的设备运行 记录数据、设备状态变动数据、分钟统计数据和报警 数据等写入关系数据库。数据应用系统通过数据接 口直接访问R e d i s 内存数据库中的实时数据和关系 数据库中的历史数据，由于R e d i s 内存数据库读写 速度远远高于关系数据库读写速度，提高了数据读 写效率，减轻了关系数据库读写压力[ 13 I 。 ■⋯⋯⋯⋯⋯一i 荔赢⋯⋯⋯⋯⋯⋯一； 甲 实l 时l 数l 据l 存储系统 i ⋯⋯关系瓣⋯⋯一 ；国亟圈口耍困 ；区亟困圈垂圜 ；团亟圈⋯ HBase i 臣亟匦圈 R e d i s 内存数据库 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一。。 l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一． 图4 上级监管端组成 F i g ．4C o m p o s i t i o no fs u p e r i o rs u p e r v i s i o ne n d R e d i s 服务端和数据解析程序可单机部署或分 布式部署‘1 4 ] 。当联网煤矿数量较少时，可采用单机 部署，即将R e d i s 服务端和数据解析程序部署到 军 声oms数据管道 万方数据 1 1 2 工矿自动化第4 6 卷 1 台数据分析服务器上，为不同类型的设备规划不 同的R e d i s 数据管道，以提高数据传输和解析效率； 当联网煤矿数量较多时，可采用分布式部署，即将 R e d i s 服务端和数据解析程序部署到多台数据分析 服务器上，并利用R e d i s 集群[ 1 明功能组建分布式集 群，将数据解析任务分解到各台数据分析服务器，实 现负载均衡。 3 应用效果 目前，基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架 构已在重庆煤矿安全监察局矿用设备监察管理系统 中应用，实现了重庆能投渝新能源有限公司松藻煤 矿、逢春煤矿、打通一矿、渝阳煤矿、石壕煤矿、红岩 煤矿等6 座试点煤矿的提升机、主要通风机、空气压 缩机、主要排水泵、主运带式输送机、供电设备等煤 矿大型机电设备联网，实时监测参数超过3 万个。 与前期应用的基于F T P 的煤矿大型机电设备联网 架构相比，基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架 构在实时数据延时和实时数据查询速度方面显著 提高。 1 实时数据延时。在基于F T P 的煤矿大型 机电设备联网架构中，数据采集程序每隔1 0S 对 F T P 目录进行轮询，数据解析程序每隔0 ．5S 对 F T P 服务端文件目录进行扫描，再加上数据读取和 解析等时问开销，实时数据延时至少在1 0S 以上； 在基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构中， R e d i s 服务端收到实时数据后立即推送给数据解析 程序，省略了对F T P 客户端和服务端的轮询环节， 减少了读取F T P 文件的时问开销，实时数据延时一 般在3S 以内。 2 实时数据查询速度。在相同的软硬件测试 环境下，分别在基于F T P 和R e d i s 的煤矿大型机电 设备联网架构中查询主运带式输送机实时数据 5 0 次，每次查询间隔1S ，数据查询耗时如图5 所 示。可看出在基于F T P 的煤矿大型机电设备联网 架构中，查询设备实时数据耗时为2 4 0 ～51 0 0m s ， 波动较大，平均耗时为27 7 8m s ；在基于R e d i s 的煤 矿大型机电设备联网架构中，查询设备实时数据耗 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 查询次数 图5 设备实时数据查询耗时 F i g ．5Q u e r yt i m ec o n s u m p t i o no fr e a lt i m ee q u i p m e n td a t a 时基本保持在2 4 0 ～3 0 0m s ，整体稳定，平均耗时为 2 6 6m s 。 4 结语 基于R e d i s 的煤矿大型机电设备联网架构采用 R e d i s 发布／订阅模式进行数据采集和传输，减少了 数据流转环节，提高了数据传输效率；利用数据传输 中断缓存机制，实现数据中断续传，避免了数据丢 失；利用R e d i s 内存数据库存储实时数据，提高了实 时数据访问速度，减轻了关系数据库读写压力；利用 R e d i s 集群功能实现R e d i s 服务端和数据解析程序 分布式部署，提高了数据解析效率。该架构在数据 采集、传输、解析和存储等环节具有较高的实时性和 高效性，有助于煤矿上级监管部门实现对煤矿大型 机电设备的在线、快速、有效管控。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]杨竞巍．煤矿机电设备安全管理维护措施研究[ J ] ．价 值工程，2 0 2 0 ，3 9 5 3 9 - 4 0 ． Y A N GJ i n g w e i ．R e s e a r c ho ns a f e t ym a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c em e a s u r e so fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a 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e c t r o m e c h a n i c a lR e d i si nc a c h es y s t e m s [ J ] ．M o d e r nE l e c t r o n i c s e q u i p m e n t i nm i n erJ ] ．I n d u s t r ya n dM i n e T e c h n i q u e ，2 0 1 7 ，4 0 2 2 1 2 2 1 2 4 ． A u t o m a t i o n ，2 0 1 7 ，4 3 3 1 51 9 ．[ 1 2 ] 洪玉玲．煤矿安全监控三级联网系统软件的设计与实 [ 7 ]张翼．煤矿安全监控系统联网平台设计[ J ] ．能源与环现E D ] ．北京煤炭科学研究总院，2 0 1 4 ． 保，2019，41123337．HONGY u l i n g ．D e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fc o a l Z H A N GY i ．D e s i g no fn e t w o r k i n gp l a t f o r mf o rc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gl e v e lt h r e en e t w o r ks y s t e m m i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m [ J ] ．C h i n aE n e r g ya n dV D ] ．B e i j i n g C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，2 0 1 4 ． E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，2 0 1 9 ，4 1 1 2 3 3 3 7 ．E 1 3 ] 焦健，李岩．基于R e d i s 的S V G 空间信息可视化数据 [ 8 ]陈运启，李勇．基于微软消息队列的煤矿安全监控联库[ J ] ．小型微型计算机系统，2 0 1 5 ，3 6 6 网系统[ J ] ．现代矿业，2 0 1 4 ，3 0 1 0 1 0 21 0 4 ． 1 1 9 31 1 9 8 ． C H E NY u n q i ，L IY o n g ．C o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gJ I A OJ i a n ，L IY a n ．S V Gs p a t i a lv i s u a l i z a t i o nd a t a b a s e s y s t e mb a s e do nM S M Q [ J ] ．M o d e r nM i n i n g ，2 0 1 4 ， b a s e do nR e d i s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n e s eC o m p u t e r 3 0 1 0 1 0 2 1 0 4 ．S y s t e m s ，2 0 1 5 ，3 6 6 1 1 9 3 1 1 9 8 ． [ 9 ] 吴霖，刘振宇，李佳．R e d i s 在订阅推送系统中的应用E 1 4 ] 姚经纬，杨福军．R e d i s 分布式缓存技术在H a d o o p 平 [ J ] ．电脑知识与技术，2 0 1 5 ，1 1 7 2 9 2 2 9 4 ．台上的应用[ J ] ．计算机技术与发展，2 0 1 7 ，2 7 6 W UL i n ．L I UZ h e n y u 。L IJ i a ．R e d i sa p p l i c a t i o ni n1 4 6 1 5 5 ． s u b s c r i p t i o n a n d p u s hs y s t e m [ J ] ．C o m p u t e r Y A OJ i n g w e i 。Y A N GF u ju n ．A p p l i c a t i o no fR e d i s K n o w l e d g ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 5 ，1 1 7 2 9 2 2 9 4 ．d i s t r i b u t e dc a c h i n gt e c h n o l o g yi nH a d o o pf r a m e w o r k [ 1 0 ]朱亚兴，余爱民，王夷．基于R e d i s M y S Q L [ J ] ．C o m p u t e rT e c h n o l o g ya n dD e v e l o p m e n t ，2 0 1 7 ， M o n g o D B 存储架构应用[ J ] ．微型机与应用，2 0 1 4 ， 2 7 6 1 4 6 1 5 5 ． 3 3 1 3 3 - 5 ．[ 1 5 ] 李赕，顾乃杰，黄增士，等．R e d i s 集群可靠性的研究与 Z H U Y a x i n g ，Y UA i m i n ，W A N GY i ．S t o r a g e优化[ J ] ．计算机工程，2 0 1 8 ，4 4 5 4 0 4 6 ． a r c h i t e c t u r ea p p l i c a t i o n sb a s e do nR e d i s _ _ M y S Q L L IY i ，G UN a i j i e ，H U A N GZ e n g s h i ，e ta 1 ．R e s e a r c h M o n g o D B [ J ] ．M i c r o c o m p u t e r ＆I t sA p p l i c a t i o n s ， a n do p t i m i z a t i o no fR e d i sc l u s t e rr e l i a b i l i t y [ J ] ． 2 0 1 4 ，3 3 1 3 3 - 5 ．C o m p u t e rE n g i n e e r i n g ，2 0 1 8 ，4 4 5 4 0 4 6 ． 气世／口e