专利名称：基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统的制作方法
技术领域：
本发明一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，属于煤矿安全生产综合信息监控研究领域。本系统以物联网的应用层出发，通过系统集成和三维可视化等计算机技术，构建三维可视化的综合信息系统。
背景技术：
煤炭作为一种常规的矿物能源，对国民经济和社会发展有着不可替代的重要作用。煤炭生产历史悠久，但煤矿的安全生产一直是一个世界性难题。煤矿生产由于具有难以进行现场管理、工作面不断变化以及地下水和煤层分布复杂性等特殊原因，客观上造成煤矿安全生产管理的诸多困难。近年来，随着信息化技术的发展，我国多数的规模煤矿企业已经开发出了各式各样的业务信息系统，如生产调度系统、安全监测系统、人力资源系统、财务系统、办公自动化系统等，使得煤矿安全生产管理水平不断提高。但是，各种业务信息系统一般多为不同机构开发实施，系统信息自采自用，各系统之间没有统一标准，难以共享， 形成了多个信息岛的局面，因此，基于上述现有技术的状况，构建一个集成的信息化管理平台，有着深远的意义。
发明内容
本发明一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统的目的在于公开一种以提高生产效率、降低安全隐患为目的，以直观地展示煤矿地下运输巷道与生产现场的地形地貌、煤炭生产的各个重要环节以及矿内工作人员活动情况为手段，基于物联网技术，构建三维可视化的煤矿综合信息系统的技术方案。本发明一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于是一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息的集成系统，该系统利用计算机互联网以及传感器技术，将现实世界与互联网连接起来，实现对煤矿安全生产和安全避险六大系统的集成和三维图形的动态控制，其中传统六大系统包括采煤、掘进、机电、运输、通风、排水系统，井下安全避险六大系统包括监测监控、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救、通信联络系统， 由于人对图形的感知能力以及图形易于表达复杂、量多但精度要求不高的信息的特点，因此采用三维图形形成动态平台展示，该系统以物联网的概念和现有的传感器技术为基础， 通过以太网构建起整个物联网应用系统，其物联网应用系统的体系结构有三层，如图1所示，分别是感知层、网络层和应用层其感知层包括传感器、读写器、图像处理设备、PLC、DSP 控制器和广播系统下位机终端，所述感知层是通过安装在井下的PLC、DSP控制器和传感设备采集数据信息将煤矿底层所要监控的数据采集并进行初步的数据处理；其网络层包括基于OPC的网络层通信系统和以太网，所述网络层是将感知层所采集的异构信息通过基于 OPC的网络层通信系统传输到以太网当中，通过以太网将数据TOB发布并传输到应用层中； 其应用层利用面向服务的体系结构SOA体系，创建一个组件模型，把每个功能单元定义为一个构件，通过构件之间定义良好独立的接口和契约，对服务进行重用和扩展并构造新的应用，包括三维图形动态控制系统、基于OPC的应用层通信系统、基于OPC的数据处理系统、 煤矿广播系统上位机终端和应用层的界面设置，所述应用层将网络层所传输来的信息通过基于OPC的应用层通信系统传输至三维动态控制系统和基于OPC的数据处理系统，对数据进行数据分析以及态势预知，通过广播系统进行信息的实时预报，最终在煤矿生产三维可视化信息系统的可视化界面中进行动态显示和控制，实现了数据共享、各系统的集成控制和煤矿生产和安全的三维可视化。上述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的三维图形动态控制系统，包括煤矿三维动态图形模型库、OpenGL程序入口、控件工具箱、OPC程序接口和三维空间盒，在Visual Studio平台上，通过编写C++脚本语言，将上述的五个部分联系起来，建立三维图形的动态控制系统，从而达到对系统的动态控制，如图2 所示。上述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的基于OPC的应用层通信系统，包括OPC服务器、OPC服务器组件、OPC程序接口，通过 DCOM技术和OPC标准，采用OPC协议，将不同的系统组态化，形成一个集成的系统，如图5所不。上述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的基于OPC接口的数据处理系统，包括数据源、OPC服务器、数据仓库和数据挖掘器等，其中数据源是指三维图形动态控制系统产生的历史数据和实时数据，通过OPC程序接口传送至数据仓库存储，数据挖掘器提取数据仓库的数据后，进行数据的挖掘和态势分析，最终给予问题预警，如图6所示，该数据处理系统主要采用OPC接口技术，将各种符合OPC技术规范的软件系统互联起来，构成一个完整的有机系统，使各系统之间可以通信，实现不同平台下系统的异构无缝链接，达到系统集成的目的，OPC技术的实现模式采用客户端/服务器构架，服务器负责采集存储底层设备以及其他监控系统的数据，客户端应用程序负责访问服务器获取实时数据，从而实现在线数据检测、报警和事件处理、历史数据访问、远程数据访问、历史报警事件数据访问等功能，该数据处理系统，除本身系统具备数据分析的部分功能外，也可以通过外围的SQL关系数据库对数据进行态势分析，再通过OPC接口接入到基于物联网的煤矿可视化信息系统当中，结合三维图形展示。上述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的广播系统上位机终端，主要包括广播服务器及软件系统、中间分站、传输网络和广播终端设备，广播系统各部分通过已有的以太网和互联网作为传输介质相连接，如图7所示，该广播系统在物理结构上，与互联网融合，不仅真正实现基于TCP/IP网络的数字化音频的综合广播功能，做到广播终端设备与服务器之间双向信息传输与控制，当监控人员通过监控系统观察到相关的信号时，可以通过广播系统马上传输到广播系统下位机终端，提醒井下生产人员，并借助TCP/IP网络技术，突破了传统广播系统的功能局限，可以任意接入网络广播终端，进行功能扩展和网络扩展。上述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层的界面设置是根据煤矿井上建筑的地理分布，设置了煤矿安全生产和安全避险六大系统和后勤服务的入口，通过点击入口按钮，分别进入各个子系统，子系统的界面主要有三类，即系统登录界面、二维界面和三维界面，在进入系统后，操作者根据需要，通过按钮和菜单的动画连接，在三维画面显示和二维数据信息画面中交互，当要显示人员活动信息、地测信息、煤层信息、机电运转信息和采煤掘进运输信息时采用三维画面显示，当需要显示通风量、甲烷一氧化碳含量、历史曲线、实时曲线和数据报表时，采用二维画面显示，如图8所
上述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的OPC 系统均为双向传输系统，当监控人员通过信息系统观测到数据异常时，除了通过广播系统告知井下工作人员外，还可以通过对该系统的控制，通过OPC通信系统直接控制感知层的 PLC、DSP控制器，从而达到远程调控的目的。本发明一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统是在现有感知层技术的基础上，重新整合应用层，相应改变网络层的传输模式，与现有的煤矿管理系统相比，其主要的优点与积极效果在于(1)集成化，本发明将采煤、掘进、机电、运输、通风、排水系统以及井下人员通信和定位系统、视频监控系统、紧急救援等系统重新整合，采用物联网的分层结构和技术，将各个相互独立的系统，集成到一个管理平台上，实现对煤矿企业的一站式管理；(2)可视化，本发明通过自主研发的三维动态控制系统，能方便的对煤矿巷道、地测信息、机器运转、井下人员活动情况进行三维展示；(3)对数据进行态势分析，为运行监控人员提供事故预警，最终通过广播系统进行实时的语音播报，达到了地上地下的信息联动，提高了煤矿的人员安全和生产效率；(4)系统结构清晰、界面友好、易操作性强。
图1是基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统的原理2是三维动态控制系统工作原理3是三维动态控制系统开发思路4是三维动态控制系统具体的开发流程5是基于OPC的应用层通信系统工作原理6是基于OPC的数据处理系统工作原理7是广播系统工作原理8是基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统的界面分布图
具体实施例方式结合附图对本发明的具体实施方式
做出进一步的详细说明如下实施方式1基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其感知层的传感器、读写器、图像处理设备、PLC、DSP控制器是煤矿井下已有的过程控制和监控检测设备，作为广播系统下位机终端的YXJ-127矿用音箱，依据煤矿巷道的走向和工作区的半径安装；其网络层包括基于 OPC的网络层通信系统和以太网；其应用层包括三维图形动态控制系统、基于OPC的应用层通信系统、基于OPC的数据处理系统、煤矿广播系统上位机终端和应用层的界面设置。应用层中的三维图形动态控制系统，包括煤矿三维动态图形模型库、OpenGL程序入口、控件工具箱、OPC程序接口和三维空间盒，所述的三维动态图形模型库和三维空间盒的开发利用3D MAX软件对煤矿巷道和系统设备组件进行三维建模，构建三维模型库，将模型库文件转化为 OpenGL格式文件，实现三维模型库文件的程序化，在Visual Studio开发平台上以OpenGL 为中介，实现对三维模型的动态控制，如图3所示，具体的开发过程是用3D MAX绘图软件绘制煤矿巷道和系统设备组件的三维模型，并保存为3DS文件，利用View3dS软件将3DS格式的三维模型转换成OpenGL格式文件，转换后生成filename, h和filename, gl两个文件， 其中*. h文件中存放的是模型的材质数组、坐标点的数据集和显示列表函数，*. gl文件是 OpenGL的文本文件，在Visual Studio中建立MFC工程，将View3ds生成的h和gl两个文件复制到工程文件夹中，对OpenGL文件进行初始化，调用*. h文件中自动生成的显示列表函数，对程序编译和运行，即可在程序中显示三维图形，最后，设置三维模型的背景环境，选择合理的色彩、材质光照，使用坐标变换的函数glLoadldentityO ,glTranslatef ()、 glRotatefO和缩放函数对图形进行动态调整和视口变换，光化处理，生成程序化的三维模型，将这些模型从Visual Studio平台中导出，组建模型库，便于二次使用，重复以上的过程，构建天空盒、环境、建筑、设备的程序化的二维和三维模型，如图4所示。所述的OpenGL 程序入口和控件工具箱，是在MFC工程中利用ActiveX控件开发的，所述的OPC程序接口是在Visual Studio平台上用C++语言编写的类，在三维图形动态控制系统与数据处理系统、 OPC通信系统数据传输时调用，在建立三维动态控制系统时，从上述模型库中选取一个程序化的三维空间盒，在三维空间盒中，通过OpenGL程序入口导入上述三维模型，并从控件工具箱中选取二维图形控件和三维图形控件，建立三维图形的动态控制系统，并对选取的二维图形、三维图形、及其控件编写C++脚本语言，将上述的五个部分连接成一个系统，如图2 所示。应用层中的基于OPC的应用层通信系统，包括OPC服务器、OPC服务器组件、OPC程序接口，实施方式为通过DCOM技术和OPC标准，使系统组态化，不管现场设备以何种形式存在，都以统一的方式去访问，实现系统的开放和集成，DCOM支持TCP/IP等网络协议，将各个子系统从物理上分开，分布于网络的不同节点上，OPC服务器配置时，服务器与不同的网络和数据系统互联时，下位机系统和以太网连接时选取ModBusTCP协议，如图5所示。该OPC 通信系统也应用到了网络层中；应用层中的基于OPC接口的数据处理系统包括数据源、 OPC服务器、数据仓库，数据挖掘器，具体的实现过程是在三维动态控制系统的OPC程序接口设置时，将三维功能模块设置成服务器模式，在三维图形动态控制系统OPC程序接口中添加组和数据项，将产生的历史和实时数据作为数据源，通过OPC接口导入SQL SERVER数据库中，建立存放煤矿信息的数据仓库，针对煤矿信息管理的不同信息类型，综合应用关联规则、决策树、统计分析、集合论方法，构建数据挖掘器，对数据进行实时分析和预测，分析和预测的结果通过OPC程序接口在三维图形动态控制系统中展示和分析，如图6所示；应用层中的广播系统上位机终端，主要包括广播服务器及软件系统、中间分站、传输网络和广播终端设备，广播系统实施方案用一台装有音频服务器软件系统的主机作为广播服务器， 用一台装有音频辅助软件的主机作为广播分站，用具有独立的IP地址的YXJ-127矿用隔爆兼本安型音箱作为广播终端，利用已经构建好的以太网和TCP/IP组网设备将上述广播系统的三个部分组建成传输网络，实现终端和服务器之间，以及广播终端与终端的传输，如图 7所示；服务器软件系统在济南金丰源电子科技有限公司开发的音频服务软件的基础上， 加入了 OPC的程序接口，使其与三维图形动态控制系统和以太网通过OPC的配置进行数据交互。实施方式2OPC服务器配置时，当服务器与PLC和DSP控制器的数据采集系统相连时，OPC选取ModBusRTU协议，其它同实施方式1。
权利要求
1.一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于是一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息的集成系统，该系统利用计算机互联网以及传感器技术，将现实世界与互联网连接起来，实现对煤矿安全生产和安全避险六大系统的集成和三维图形的动态控制，其中传统六大系统包括采煤、掘进、机电、运输、通风、排水系统，井下安全避险六大系统包括监测监控、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救、通信联络系统，由于人对图形的感知能力以及图形易于表达复杂、量多但精度要求不高的信息的特点，因此采用三维图形形成动态平台展示，该系统以物联网的概念和现有的传感器技术为基础，通过以太网构建起整个物联网应用系统，其物联网应用系统的体系结构有三层，如图1所示，分别是感知层、网络层和应用层其感知层包括传感器、读写器、图像处理设备、PLC、DSP控制器和广播系统下位机终端，所述感知层是通过安装在井下的PLC、DSP控制器和传感设备采集数据信息将煤矿底层所要监控的数据采集并进行初步的数据处理；其网络层包括基于OPC的网络层通信系统和以太网，所述网络层是将感知层所采集的异构信息通过基于OPC的网络层通信系统传输到以太网当中，通过以太网将数据WEB发布并传输到应用层中；其应用层利用面向服务的体系结构SOA体系，创建一个组件模型，把每个功能单元定义为一个构件，通过构件之间定义良好独立的接口和契约，对服务进行重用和扩展并构造新的应用，包括三维图形动态控制系统、基于OPC的应用层通信系统、基于OPC的数据处理系统、煤矿广播系统上位机终端和应用层的界面设置，所述应用层将网络层所传输来的信息通过基于OPC的应用层通信系统传输至三维图形动态控制系统和基于OPC的数据处理系统，对数据进行数据分析以及态势预知，通过广播系统进行信息的实时预报，最终在煤矿生产三维可视化信息系统的可视化界面中进行动态显示和控制，实现了数据共享、各系统的集成控制和煤矿生产和安全的三维可视化。
2.按照权利要求1所述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的三维图形动态控制系统，包括煤矿三维图形模型库、OpenGL程序入口、控件工具箱、OPC程序接口和三维空间盒，在Visual Studio平台上，通过编写C++脚本语言， 将上述的五个部分联系起来，建立三维图形的动态控制系统，从而达到对系统的动态控制， 如图2所示。
3.按照权利要求1所述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的基于OPC的应用层通信系统，包括OPC服务器、OPC服务器组件、OPC接口程序，通过DCOM技术和OPC标准，采用OPC协议，将不同的系统组态化，形成一个集成的系统，如图4所示。
4.按照权利要求1所述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的基于OPC接口的数据处理系统，包括数据源、OPC服务器、数据仓库和数据挖掘器等，其中数据源是指三维图形动态控制系统产生的历史数据和实时数据，通过OPC 程序接口传送至数据仓库存储，数据挖掘器提取数据仓库的数据后，进行数据的挖掘和态势分析，最终给予问题预警，如图5所示，该数据处理系统主要采用OPC接口技术，将各种符合OPC技术规范的软件系统互联起来，构成一个完整的有机系统，使各系统之间可以通信， 实现不同平台下系统的异构无缝链接，达到系统集成的目的，OPC技术的实现模式采用客户端/服务器构架，服务器负责采集存储底层设备以及其他监控系统的数据，客户端应用程序负责访问服务器获取实时数据，从而实现在线数据检测、报警和事件处理、历史数据访问、远程数据访问、历史报警事件数据访问等功能，该数据处理系统，除本身系统具备数据分析的部分功能外，也可以通过外围的SQL关系数据库对数据进行态势分析，再通过OPC接口接入到基于物联网的煤矿可视化信息系统当中，结合三维图形展示。
5.按照权利要求1所述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层中的广播系统上位机终端，主要包括广播服务器及软件系统、中间分站、传输网络和广播终端设备，广播系统各部分通过已有的以太网和互联网作为传输介质相连接， 如图6所示，该广播系统在物理结构上，与互联网融合，不仅真正实现基于TCP/IP网络的数字化音频的综合广播功能，做到广播终端设备与服务器之间双向信息传输与控制，当监控人员通过监控系统观察到相关的信号时，可以通过广播系统马上传输到广播系统下位机终端，提醒井下生产人员，并借助TCP/IP网络技术，突破了传统广播系统的功能局限，可以任意接入网络广播终端，进行功能扩展和网络扩展。
6.按照权利要求1所述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的应用层的界面设置是根据煤矿井上建筑的地理分布，设置了煤矿安全生产和安全避险六大系统和后勤服务的入口，通过点击入口按钮，分别进入各个子系统，子系统的界面主要有三类，即系统登录界面、二维界面和三维界面，在进入系统后，操作者根据需要，通过按钮和菜单的动画连接，在三维画面显示和二维数据信息画面中交互，当要显示人员活动信息、地测信息、煤层信息、机电运转信息和采煤掘进运输信息时采用三维画面显示，当需要显示通风量、甲烷一氧化碳含量、历史曲线、实时曲线和数据报表时，采用二维画面显示，如图8所示。
7.按照权利要求1所述一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，其特征在于所述的OPC系统均为双向传输系统，当监控人员通过信息系统观测到数据异常时，除了通过广播系统告知井下工作人员外，还可以通过对该系统的控制，通过OPC通信系统直接控制感知层的PLC、DSP控制器，从而达到远程调控的目的。
全文摘要
一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息系统，属于煤矿安全生产综合信息监控研究领域。本系统以物联网的应用层出发，通过系统集成和三维可视化等计算机技术，构建三维可视化的综合信息系统。其特征在于是一种基于物联网的煤矿生产三维可视化信息的集成系统，该系统利用计算机互联网以及传感器技术，将现实世界与互联网连接起来，实现对煤矿安全生产和安全避险六大系统的集成和三维图形的动态控制，对煤矿企业一站式管理，系统结构清晰、界面友好、易操作性强，能方便的对煤矿巷道、地测信息、机器运转、井下人员活动情况进行三维展示，对数据进行态势分析，为运行监控人员提供事故预警，提高了煤矿的人员安全和生产效率。
文档编号H04L12/28GK102325177SQ201110262868
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者王志鹏, 田慕玲, 田慕琴, 郝永兵, 陈惠英, 魏森声 申请人:太原理工大学