0 引言

2016年12月29日，国家煤矿安全监察局发布了关于印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》(以下简称《方案》)的通知[1]，其基本目标之一是促进煤矿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，实现煤矿安全监测监控信息的深度分析和综合利用。《方案》中明确要求：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，多系统的融合可以采用地面方式，也可采用井下方式。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、人员定位等系统应急联动，通过井下应急广播系统通知危险区域人员撤离，通过人员位置监测系统双向紧急呼叫功能，自动通知危险区域人员进行撤离等。针对《方案》中的要求，结合目前融合通信[2-3]、系统联动[4-6]、应急救援[7-8]等方面的研究成果，本文提出了一种煤矿多业务联动通信平台设计方案，重点阐述了平台的结构、工作原理和关键技术。

1 平台总体架构

煤矿多业务联动通信平台基于信令交换技术，将现有无线通信系统、有线通信系统、IP应急广播系统、局部扩播系统等进行有效整合，实现了多种异构通信系统的互联互通和集中调度指挥，在紧急情况下能够实现对各系统的统一调度、一键呼叫等。其主要包括通信子系统接入部分、联动客户端、联动业务管理平台及联动接口，如图1所示。通信子系统包括无线系统、有线系统、广播系统和视频监控系统。

图1 多业务联动通信平台架构
Fig.1 Architecture of multi-service linkage communication platform

(1) 通信子系统接入部分。无线通信系统、有线通信系统通过SIP中继接入联动通信平台[9]，必要时可通过中继或专用转换器等通信网关进行信令转换；IP广播系统通过广播网关[10]接入联动通信平台，平台支持第三方SIP广播系统的接入；视频监控系统通过软件开发工具包(Software Development Kit, SDK)二次开发接入联动通信平台。

(2) 联动客户端。提供联动业务消息显示、危险区域人员信息显示、视频监控系统信息联动显示、定位卡区域报警等功能。通过联动客户端可对服务器运行状态进行监控，为管理员及时处理和修复服务器潜在异常提供依据和支持。

(3) 联动业务管理平台。主要包含通信管理配置、预案管理配置、音视频联动配置及联动业务管理等功能，基于Spring MVC框架，采用B/S架构和MySQL数据库，方便用户对各种业务进行管理。

(4) 联动接口。平台提供统一的Web Service接口，将系统标志、区域信息、报警类型等信息发送至接口服务进程，接口服务进程通过各通信系统应用程序编程接口(Application Programming Interface, API)响应联动通信平台的报警预警信息，实现与通信系统的联动。

2 平台工作原理

多业务联动通信平台各服务模块运行在Linux系统中，其工作原理如图2所示。

图2 多业务联动通信平台工作原理
Fig.2 Working principle of multi-service linkage communication platform

针对不同的应用场景设计不同的服务模块，各服务模块之间通过RabbitMQ[11]消息队列进行消息传递，即模块之间通过在消息中发送数据进行通信，而非直接调用彼此。队列的使用不仅免去了发送方和接收方同时执行的要求，同时降低了程序耦合度。本文选用体积小、支持跨平台的MySQL作为数据存储工具。

2.1 音视频联动

调度机将电话配置信息及状态信息通过TCP通信上报ocp中间件，经过消息格式转换后传递至消息队列；数据处理服务模块InterForVLC将获取的信息按类型进行下发和存储。视频播放客户端基于C/S框架，采用TCP通信与数据处理服务模块实现数据交互，按照配置信息及下发消息启动/关闭相应视频信息，从而实现语音通话与视频通话的有效联动。

2.2 ocp中间件

ocp中间件基于调度机开发，主要用于支持音视频联动功能，其工作原理如图3所示。

图3 ocp中间件工作原理
Fig.3 Working principle of ocp middleware

ocp中间件包含如下3个并发线程：

(1) 来自管理进程CLI的数据发送请求，经过ocpPacket的封装存放于发送列表中。发送的数据包括请求数据(需要服务端做出响应)和一般性数据(如消息回复、修改文件等)，线程将这些数据按照预定的规则发送至各服务端，并且保存请求数据的唯一性信息(如ID、序列号等)。

(2) 服务器对请求做出响应，ocpClient接收这些响应和其他信息，封装后存放在接收列表中。

(3) 提取接收列表中的信息，与接收等待列表中保存的唯一性信息比较，区分这些响应的归属，通过响应消息封装包的封装，将这些响应信息转发给请求者客户端。接收到的其他信息则按照协议做相应处理。

2.3 联动客户端

联动客户端流程如图4所示。客户端采用鉴权的方式进行使用控制，根据用户IP地址设置地址黑白名单，白名单用户无需鉴权，黑名单用户被限制使用客户端软件。客户端还可以根据用户权限的不同动态加载模块，同时可通过辅助服务模块MiddleWareJar提供预案触发、危险区域定位卡报警功能。

图4 联动客户端流程
Fig.4 Flow of linked client

3 关键技术

3.1 通信终端呼叫控制

联动服务模块在接收到平台发来的请求时，如何及时驱动通信终端做出响应并且返回响应结果是需解决的关键问题之一。

FreeSwitch作为一个开源的电话交换平台，支持Windows、Linux等平台及SIP、H323、Skype等多种通信协议，并且可以通过IMS、E1接口或模拟中继线与其他通信系统连接[12]。本文选用运行在CentOS上的FreeSwitch作为交换引擎，SIP信令作为数据交换协议，将有线通信系统、无线通信系统、IP广播系统及支持SIP协议的第三方终端进行连接，实现各通信系统的互联互通。

FreeSwitch内部的Originate命令用于控制FreeSwitch发起一个呼叫，chat用于发送即时消息至终端。FreeSwitch中的命令不仅可以在控制台上使用，也可以在各种嵌入式脚本中使用。

平台通过Web Service接口将数据信息发往服务模块，通过解析相关命令、查找配置信息、执行Lua脚本等，实现对通信终端的呼叫和信息发送功能。

3.2 多业务联动通信流程

多业务联动通信流程如图5所示。传入Web Service接口服务模块的信息主要包括系统代码、区域ID、报警类型代码、报警开关。通过平台设置的联动开关判断指定区域是否发起联动流程：① 语音、文本联动：通过调用FreeSwitch的Lua脚本，发起/结束对通信终端的呼叫控制。② 视频联动：将视频终端信息以TCP消息形式发送至联动客户端。③ 报警联动：按照报警类型判断是否需要发起区域定位卡报警，以UDP消息形式发送至控制模块，实现打开/关闭区域定位卡报警的功能。

图5 多业务联动通信流程
Fig.5 Flow of multi-service linkage communication

联动业务管理平台提供了配置信息开关，可灵活控制报警区域的联动。

3.3 稳定可靠的消息传递机制

由于多业务联动通信平台涉及多个系统多种业务，各服务模块之间协同合作，所以必须使用安全可靠、高效快速的消息传递机制。

消息队列(Message Queue，MQ)是一种应用程序对应用程序的通信方法。应用程序通过读写出入队列的消息(针对应用程序的数据)来通信，无需专用连接来链接。高级消息队列协议(Advanced Message Queuing Protocol，AMQP)是应用层协议的一个开放标准，为面向消息的中间件设计，RabbitMQ是一个在AMQP基础上完成的可复用的企业消息系统。常见的消息交换机有3种类型[13]：direct，topic和fanout。本文选用fanout类型进行生产者端和消费者端的消息传递。fanout工作模型如图6所示。该模型可将同一个消息提供到与之绑定的多个消费者队列中，称之为发布/订阅(Publish/Subscribe)模式。

(1) 生产者(Producer)端：并不会直接发送消息到消费者队列，而是发到消息交换机中。消息交换机从生产者端接收消息，通过设置交换机的类型，选择相应的消息处理方式。

图6 fanout工作模型
Fig.6 Working model of fanout

(2) 消费者(Consumer)端：每当需要接收新的消息时，就将消费者连接到消息队列服务器上。因为对旧的消息不感兴趣，所以新建连接的同时需要一个新的队列。如果在声明队列的时候不指定名字，RabbitMQ会随机选择一个名字，这样通过新的队列就可以接收到生产者端广播的消息。当消费者端关闭连接时，队列也会随之删除。

3.4 联动接口的安全保护技术

通过Web Service接口可直接驱动底层设备，因此，设计时必须考虑接口的安全性。在Web Service接口中加入身份认证，可防止匿名用户模拟http请求访问服务接口，干扰通信终端正常运行。Basic认证[14]是Http中非常简单的认证方式，其使用简单，便于控制，同时可以满足加密需求。当客户端向Http服务器进行数据请求时，需要将用户名和密码以BASE64加密方式传送至服务器。服务器通过Basic认证对客户端提供的用户名和密码进行验证，以决定用户是否合法。若为非法请求，服务器将返回401状态，要求重新认证。

虽然Basic认证容易实现，并且认证信息加密成不易被人直接识别的字符串，但如果没有使用SSL/TLS这样的传输层安全协议，那么以明文传输的密钥信息很容易被拦截，仍无法防止接口被恶意使用。因此，本文结合使用Basic认证和Https协议[15]实现对接口的保护。

4 结语

针对《方案》中的要求，设计了煤矿多业务联动通信平台。该平台可实现有线通信、无线通信、IP广播系统融合，通过统一接口可实现通信系统与人员定位、安全监测、自动化系统的联动。目前该平台已在兖矿集团某矿投入使用，实际应用表明，该平台可解决井下各业务系统之间相互并存、独立所带来的成本、维护、管理、数据共享等诸多问题，实现了生产调度、实时指挥、紧急救援一体化协同控制目标。

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