Research on information model of coal mine fully mechanized mining equipment based on industrial Internet
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摘要: 煤矿综采工作面设备来自不同厂商，接口不统一、数据系统和业务逻辑不同，造成数据壁垒，系统间数据交互慢。基于工业互联网架构，提出了包括设备层、接入层、边缘层、PaaS层、应用层的智能化综采技术架构；基于该架构，将煤矿综采设备作为整体数据对象，设计了一种煤矿综采设备信息模型构建方法，定义了属性、方法、事件、报警4个关键要素和建模规则，从而实现各物理实体与异构系统之间的无缝通信，即对综采设备信息资源进行定义、描述和关联，提供完备、统一的数据对象表达、描述和操作模型；针对综采设备信息模型属性元素过多的问题，提出了一种基于重要度和语义相似度的属性元素优化机制。采用上述方法建立了华阳新材料科技集团有限公司一矿81004工作面综采设备信息模型，对综采设备电动机运行情况进行评价，结果表明基于该模型可监测工作面所有电动机短时间内启动次数、多电动机设备启动功率平衡和运行效率，并形成分析结果，为决策工作提供数据支持。Abstract: The equipment for coal mine fully mechanized working faces comes from different manufacturers, with inconsistent interfaces, different data systems and business logic, resulting in data barriers and slow data exchange between systems. Based on the industrial Internet architecture, an intelligent fully mechanized mining technology architecture including equipment layer, access layer, edge layer, PaaS layer and application layer is proposed. Based on this architecture, coal mine fully mechanized mining equipment is treated as the overall data object, and a method for constructing an information model of coal mine fully mechanized mining equipment is designed. Four key elements and modeling rules, including attributes, methods, events, and alarms are defined to achieve seamless communication between various physical entities and heterogeneous systems. This means defining, describing, and associating information resources of fully mechanized mining equipment, providing a complete and unified data object expression, description, and operation model. A modeling element optimization mechanism based on importance and semantic similarity is proposed to address the problem of excessive attribute elements in the information model of fully mechanized mining equipment. A fully mechanized mining equipment information model for the 81004 working face of No.1 Mine of Huayang New Materials Technology Group Co., Ltd. is established using the above method. The operation status of the electric motors of the fully mechanized mining equipment is evaluated. The results show that based on this model, all electric motors in the working face could be monitored for starting times in a short period of time, multiple motor equipment starting power balance, and the operating efficiency. Analysis results are generated to provide data support for decision-making work.
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图 3 煤矿综采设备信息模型架构
Figure 3. Structure of information model of fully mechanized mining equipment
图 4 属性元素语义相似度计算方法
Figure 4. Semantic similarity calculation method of attribute factors
图 6 信息模型与实体设备映射关系
Figure 6. Mapping relationship between information model and physical devices
图 7 组件级信息模型（以采煤机截割电动机为例）
Figure 7. Component level information model（cutting motor of shear as an example）
图 9 综采工作面多设备级信息模型
Figure 9. Multi-equipment level information model of fully mechanized working face
表 1 综采工作面系统主要的物理接口和通信协议
Table 1. Main physical interface and communication protocol in fully mechanized working face system
系统 物理接口 通信协议 采煤机控制系统 以太网口RJ−45，FC EIP，EtherCAT，Modbus−TCP RS485接口 Modbus RTU CAN总线 CANOpen 液压支架控制系统 以太网口RJ−45，FC EIP，EtherCAT，Modbus−TCP RS485接口 Modbus RTU CAN总线 CANOpen 刮板输送机、转载机、破碎机控制系统 以太网口RJ−45，FC EIP，EtherCAT，Modbus−TCP RS485接口 Modbus RTU 带式输送机控制系统 以太网口RJ−45 EIP，EtherCAT，Modbus−TCP RS485接口 Modbus RTU 供液控制系统 以太网口RJ−45，FC EIP，EtherCAT，Modbus−TCP RS485接口 Modbus RTU 供电系统 以太网口RJ−45，FC EIP，EtherCAT，Modbus−TCP RS485接口 Modbus RTU 集中控制系统 以太网口RJ−45，FC EIP，OPC UA 
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表 2 属性规则
Table 2. Attribute rules of the information model
属性条目 说明 中文名称 属性名称，含义宜具有唯一性 英文名称 属性英文名称，在信息模型内应具有唯一性 描述 描述属性的含义和特征 读写权限 访问权限，可为“读”或“读/写” 数据类型 描述属性的数据类型 数据值 由数据类型决定，在实例化时有具体的数据，信息模型定义时不描述该条目，默认为有 建模规则 “必选”表示在建模时应包含该属性，“可选”表示在建模时可以包含该属性，也可以不包含该属性
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表 3 综采工作面普通架（单架）属性元素
Table 3. Attribute factors of ordinary support （single support） in fully mechanized working face
类型 名称 静态属性 设备型号、制造商名称、工厂批次、序列号、制造日期、设备类型、协议版本、硬件版本、安标信息、设备编号、设备在用状态、工作面编号、巷道编号、位置信息 动态
属性状态
属性运行状态、支架功能、左前柱压力、右前柱压力、左后柱压力、右后柱压力、推移行程、支架高度、顶梁俯仰角度、顶梁倾斜角度、掩护梁倾斜角度、四连杆倾斜角度、底座俯仰角度、底座倾斜角度、一级护帮行程、一级护帮接近开关、一级护帮压力、二级护帮接近开关、三级护帮接近开关、故障 配置
属性支架编号、编号增向、主控时间、前柱补压上限、前柱补压下限、前柱目标压力、前柱补压时间、前柱补压间隔、前柱补压次数、后柱补压上限、后柱补压下限、后柱目标压力、后柱补压时间、后柱补压间隔、后柱补压次数、降柱延时、降柱时间、抬底延时、抬底时间、移架时间、推溜时间、推溜目标行程、邻架最大差值、推溜允许压力、收护帮时间、伸护帮时间、收伸缩梁时间、伸伸缩梁时间、反冲洗时间
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表 4 液压支架信息模型属性元素语义相似度计算结果
Table 4. Calculated semantic similarity of attribute factors of hydraulic support information model
项目 设备型号 设备类型 设备编号 制造日期 位置信息 工作面编号 巷道编号 设备在用状态 运行状态 故障 支架编号 设备型号 1 1/2 1/3 （1/2）（1/2） （1/2）（1/2） （1/3）（1/2） （1/4）（1/2） （1/2）（1/2） （1/3）（1/3） （1/4）（1/3） （1/3）（1/3） 设备类型 1/2 1 1/2 （1/2）（1/3） （1/2）（1/3） （1/3）（1/3） （1/4）（1/3） （1/2）（1/3） （1/3）（1/4） （1/4）（1/4） （1/3）（1/4） 设备编号 1/3 1/2 1 （1/2）（1/4） （1/2）（1/4） （1/3）（1/3） （1/4）（1/3） （1/2）（1/4） （1/3）（1/5） （1/4）（1/5） （1/3）（1/5） 制造日期 （1/2）（1/2） （1/2）（1/3） （1/2）（1/4） 1 （1/2）（1/2） （1/3）（1/2） （1/4）（1/2） （1/2）（1/2） （1/3）（1/3） （1/4）（1/3） （1/3）（1/3） 位置信息 （1/2）（1/2） （1/2）（1/3） （1/2）（1/4） （1/2）（1/2） 1 1/2 1/3 （1/2）（1/2） （1/3）（1/3） （1/4）（1/3） （1/3）（1/3） 工作面编号 （1/3）（1/2） （1/3）（1/3） （1/3）（1/3） （1/3）（1/2） 1/2 1 （1/3）（1/2） （1/2）（1/3） （1/3）（1/4） （1/4）（1/4） （1/3）（1/4） 巷道编号 （1/4）（1/2） （1/4）（1/3） （1/4）（1/3） （1/4）（1/2） 1/3 （1/3）（1/2） 1 （1/2）（1/4） （1/3）（1/5） （1/4）（1/5） （1/3）（1/5） 设备在用状态 （1/2）（1/2） （1/2）（1/3） （1/2）（1/4） （1/2）（1/2） （1/2）（1/2） （1/2）（1/3） （1/2）（1/4） 1 （1/3）（1/3） （1/4）（1/3） （1/3）（1/3） 运行状态 （1/3）（1/3） （1/3）（1/4） （1/3）（1/5） （1/3）（1/3） （1/3）（1/3） （1/3）（1/4） （1/3）（1/5） （1/3）（1/3） 1 1/2 （1/3）（1/2） 故障 （1/4）（1/3） （1/4）（1/4） （1/4）（1/5） （1/4）（1/3） （1/4）（1/3） （1/4）（1/4） （1/4）（1/5） （1/4）（1/3） 1/2 1 （1/2）（1/2） 支架编号 （1/3）（1/3） （1/3）（1/4） （1/3）（1/5） （1/3）（1/3） （1/3）（1/3） （1/3）（1/4） （1/3）（1/5） （1/3）（1/3） （1/3）（1/2） （1/2）（1/2） 1
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表 5 优化后的综采工作面普通架（单架）属性元素
Table 5. Optimized attribute factors of ordinary support （single support） in fully mechanized working face
类型 名称 静态属性 设备型号、制造商名称、制造日期、安标信息、设备在用状态、位置信息 动态
属性状态
属性运行状态、支架功能、左前柱压力、右前柱压力、左后柱压力、右后柱压力、推移行程、支架高度、顶梁俯仰角度、顶梁倾斜角度、掩护梁倾斜角度、四连杆倾斜角度、底座俯仰角度、底座倾斜角度、一级护帮行程、一级护帮接近开关、一级护帮压力、二级护帮接近开关、三级护帮接近开关 配置
属性支架编号、编号增向、主控时间、前柱补压上限、前柱补压下限、前柱目标压力、前柱补压时间、前柱补压间隔、前柱补压次数、后柱补压上限、后柱补压下限、后柱目标压力、后柱补压时间、后柱补压间隔、后柱补压次数、降柱延时、降柱时间、抬底延时、抬底时间、移架时间、推溜时间、推溜目标行程、邻架最大差值、推溜允许压力、收护帮时间、伸护帮时间、收伸缩梁时间、伸伸缩梁时间、反冲洗时间
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表 6 方法规则
Table 6. The method rules
方法条目 说明 中文名称 方法名称，含义宜具有唯一性 英文名称 方法英文名称，在该信息模型内应具有唯一性 描述 描述方法的含义和功能 输入参数 方法执行时输入的参数信息，包括类型、数据 返回值 方法执行后返回的输出结果信息，包含类型、数据 建模规则 “必选”表示在建模时应包含该方法，“可选”表示在建模时可以包含该方法 ，也可以不包含该方法
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表 7 事件规则
Table 7. The event rules
事件条目 说明 事件源名称 产生事件的对象名称，含义宜具有唯一性 事件源ID 事件源标志，在该信息模型内应具有唯一性 发生时间 事件发生的时间戳，在实例化时有具体的数据。信息模型定义时不描述该条目，默认为有 描述 事件发生的重要信息描述 建模规则 “必选”表示在建模时应包含该事件，“可选”表示在建模时可以包含该事件 ，也可以不包含该事件
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表 8 报警规则
Table 8. The alarming rules
报警条目 说明 报警源名称 产生报警的对象名称，含义宜具有唯一性 报警源ID 报警源标志，在该信息模型内应具有唯一性 发生时间 报警发生的时间戳，在实例化时有具体的数据。信息模型定义时不描述该条目，默认为有 描述 报警发生的重要信息描述 报警级别 定义报警的重要性，宜包括一般、较重、严重和特别严重4个级别 状态 1（报警发生），2（报警恢复），3（报警确认），4（报警证实），5（报警禁止），6（报警使能），7（报警复归），8（报警超时消失）。在实例化时有具体的数据，信息模型定义时不描述该条目，默认为有 建模规则 “必选”表示在建模时应包含该报警，“可选”表示在建模时可以包含该报警 ，也可以不包含该报警
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表 9 综采设备信息模型与实例对应关系
Table 9. Correspondence relationship between the information model of fully mechanized mining equipment and instance
信息模型 子信息模型 模型名称 实例数 建模规则 模型名称 实例数 建模规则 采煤机 1 必选 截割 2 必选 牵引 ≥2 必选 破碎 1 可选 液压 1 必选 液压支架 1 必选 普通架（单机） ≥2 必选 普通架（成组） ≥2 必选 过渡架（单机） ≥1 可选 过渡架（成组） ≥1 可选 超前架 ≥1 可选 端头架
（放顶煤）≥1 可选 刮板
输送机1～2 必选 电动机 1～4 必选，与变频器电动机一体机互斥 减速器 1～4 可选，与变频器电动机一体机互斥 变频器 1～4 可选，与变频器电动机一体机互斥 变频器电动
机一体机1～4 必选，与电动机、减速器、变频
器互斥转载机 1 必选 电动机 1～2 必选，与变频器电动机一体机互斥 减速器 1～2 可选，与变频器电动机一体机互斥 变频器 1～2 可选，与变频器电动机一体机互斥 变频器电动
机一体机1～2 必选，与电动机、减速器、变频
器互斥破碎机 1 可选 电动机 1 必选 减速器 1 可选 带式
输送机1～2 必选 电动机 1～4 必选，与变频器电动机一体机互斥 减速器 1～4 可选，与变频器电动机一体机互斥 变频器 1～4 可选，与变频器电动机一体机互斥 变频器电动
机一体机1～4 必选，与电动机、减速器、变频
器互斥供液系统 1 必选 乳化液泵 ≥1 可选 乳化液箱 ≥1 可选 喷雾泵 ≥1 必选 水箱 ≥1 必选 智能配液 1 可选 供电系统 1 必选 移动变电站 ≥1 必选 馈电开关 ≥1 必选 低压交流真空电磁启动器 ≥1 必选 多回路低压交流真空电磁
启动器≥1 必选 照明综保 ≥1 必选
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