朱晓洁

（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

监测数据是煤矿安全监控系统进行分析、决策的基础，因此保证监测数据的一致性和完整性，对于监控系统的可靠运行是至关重要的。

由于安全监控系统架构复杂，数据传输涉及多层节点，包括传感器、分站、网关、交换机和地面主机。在监控系统运行过程中，可能存在供电不稳、网络中断、网络阻塞或系统设备失效等故障，导致监测数据无法上传，影响系统有效决策。为了保证监测数据的连续性，在故障修复后，需要将故障期间的监测数据重新上传。

近年来，断线续传技术在各领域得到广泛研究。李夏苗等[1]将断线续传应用于中继卫星调度，提高了数传任务完成率；陈令等[2]在四载波基站远程升级中采用断线续传技术提高了升级效率和稳定性；朱宏志等[3]设计了异构系统的跨节点断线续传；张震等[4]利用多任务断线续传实现了智能车载域控制器数据的高效传输和准确提取。

由于上一代煤矿安全监控系统采用时分制总线架构，巡检周期长，若采用断线续传会影响正常巡检周期内的数据上传与控制[5]，因此基本不支持断线续传功能。随着工业环网在井下的普及应用，为断线续传提供了高速网络传输通道[6]。目前，煤矿安全监控系统经过升级改造，在数据智能采集、数据智能分析和智能控制等方面水平得到了很大提升[7]，但是对断线续传的研究仍不多。有的监控系统虽然支持断线续传功能，但使用效果并不理想，存在操作复杂、数据漏传、数值错误和数据续传耗时长等诸多问题。基于此，针对现有煤矿安全监控系统的架构，分析了数据传输故障类型及数据特点，提出了一种基于矿用监控分站的断线续传设计方案。

1 监控系统断线续传设计方案

1.1 数据传输故障分析

目前，主流安全监控系统主要采用基于工业环网的分布式主从架构[8-9]，煤矿安全监控系统架构如图1。

图1 煤矿安全监控系统架构Fig.1 Architecture of coal mine safety monitoring system

地面主机作为系统大脑安装在地面，网关和各种交换机构成传输网络，监控分站和传感器根据实际需求在井下分布安装。传感器数据通过RS485 等现场总线上传至分站，分站通过网关或直接采用网络通信将数据传输至地面主机。分站与上位机之间的数据传输称为主通信，根据主通信方式将分站分为总线型分站和网络型分站。

从传感器数据流向来看，监测数据经过传感器、分站和网关上传至主机，在此过程中，主要可能出现以下几种数据传输故障[10-11]：①传感器与分站通信中断；②分站与上位机通信中断；③分站与网关通信中断；④网关与主机通信中断。由于第1 种情况中分站功能失效，只能通过传感器实现数据存储及续传；第2 种和第3 种情况，可通过分站进行断线续传；由于网关在系统中作为巡检主站及数据透传设备，不具备数据存储功能，因此第4 种情况同样需由分站完成数据存储及续传。为此，针对后3 种故障类型，采用基于分站的断线续传设计方案。

1.2 分站断线续传工作原理

分站断线续传主要实现数据存储和数据传输2 个功能。断线续传流程如图2。

图2 断线续传工作流程Fig.2 Workflow for continuous transmission after disconnection

首先分站监测与网关或主机的通信状态，当主通信中断无法传输数据时，触发分站断线存储机制，对传感器数据进行预处理并保存。待主通信恢复正常后，分站读取存储器数据，进行续传准备，在与主机达成一致后，将续传数据按照通信规约组织成数据包，发送至地面主机。

2 关键模块

2.1 故障检测

根据分站主通信方式分类，分别分析网络型分站和总线型分站的数据传输故障检测方法。

1）网络型分站主通信故障检测。网络分站与主机间采用UDP 协议通信。由于UDP 为OSI 参考模型中1 种无连接的传输层协议，仅提供面向事务的简单不可靠信息传送[12]。为解决不可靠问题，主机与分站通信时，建立握手机制，从而保证可靠的通信传输。分站与主机通信模型如图3。分站通过监听主机心跳进行故障判断；监控系统运行时，主机定时发送心跳，分站监测到心跳表示通信成功，若超时未接收到心跳，则判定与主机通信中断。

图3 分站与主机通信模型Fig.3 Communication model between substation and host

2）总线型分站主通信故障检测。网关与主机的通信机制与网络分站一致，与分站之间通过下发巡检或时隙命令建立通信。当网关与主机通信中断时，停止发送巡检命令。分站监听网关的巡检命令，当超时未收到巡检时，判定与网关通信中断或网关与主机通信中断。

2.2 数据预处理

为了实时监测井下真实生产环境，要求感知层传感器实时上传过程数据，因此分站对传感器采样频率高，时间序列维度高，产生的数据量大[13]。在被测环境或参数稳定条件下，采集数据一般不会出现大的波动，有时因探头采集灵敏度问题可能出现数据上下浮动变化。频繁采样得到重复数据或小幅变化数据，不仅浪费存储空间，还占用传输网络带宽，降低了监控系统数据分析效率。

结合监控系统功能及传感器特点，对监测数据进行筛选。井下传感器主要分为模拟量和离散量。模拟量为连续变化量，离散量为非连续变化量。对于模拟量传感器，主要包括变化、报警、断电和故障4 种状态，其中报警、断电和故障属于重要数据，需实时处理。对于离散量传感器，包括0 值、1 值、故障3 种状态。分站采样得到传感器数据后，以偏移时间作为数据时间标识，采用“不变不存”的原则筛选数据，避免数据重复存储和处理。

1）模拟量数据预处理方法。在模拟量传感器量程范围内按照数据重要程度进行分段，并设定存储阈值。以掘进工作面T1瓦斯传感器量为例，分别设置报警的瓦斯体积分数为1.0%、断电的瓦斯体积分数为1.5%。由于断电门限高于报警门限，故采用报警的瓦斯体积分数的70%作为分段依据，将瓦斯体积分数值分成2 个区间：[0%，0.7%]、（0.7%，4.0%]。当瓦斯体积分数值不大于0.7%时，根据存储阈值进行筛选，当瓦斯体积分数值大于0.7%时，数据一旦变化立即保存。瓦斯传感器数据预处理结果见表1，其中瓦斯体积分数存储阈值为0.2%。

表1 瓦斯传感器数据预处理Table 1 Gas data preprocessing

2）离散量数据预处理方法。由于离散量传感器存在短时反复跳动，根据离散量数值持续时间，分成稳态和暂态2 种状态。稳态数值用8bit表示，00000000b 表示0 值，11111111b 表示1 值，11110000b 表示故障态。暂态数值用1bit 表示。以开停传感器为例，数值持续3 s 不变为稳态，开停传感器数据预处理结果见表2。

表2 开停传感器数据预处理Table 2 Switch data preprocessing

2.3 数据存储

监控分站的数据存储设计包括存储格式、存储容量和存储策略3 个方面[14]。

1）存储格式。存储格式示例图如图4。为了便于存储、检索和传输，采用二级目录方式进行数据存储。一级目录为日期，二级目录为时间。在二级目录下为每个传感器单独开辟存储空间，文件命名格式为：测点类型_测点编号。传感器数据采用二进制格式进行存储，以秒为最小存储时间单位，数据内容为：时间偏移+传感器数值。

图4 存储格式示例图Fig.4 Sample storage format diagram

2）存储器件。假设分站有4 个RS485 通信端口，与传感器的通信速率为2 400 bps。结合巡检时间、帧间隔和传感器响应时间计算，分站巡检传感器时间为20 ms，由此分站1 s 内可接收20 个测点数据。按照上文中1 个测点信息最多占用4 Byte，存储1 h 的数据需要280 kB。由于监控系统出现故障后，矿上人员会及时采取措施处理，通常故障持续时间较短，因此按照7 d 的存储需求设计，需要50 MB 存储空间，故选用128 MB 的FLASH存储器。考虑到FLASH 采用块擦方式且读写次数有限制，为了延长器件使用寿命，采用二级存储方式，铁电存储器作为第1 级存储器，FLASH 作为第2 级存储器。

3）存储策略。按照二级存储方式，先将数据缓存在铁电存储器中，当超过规定文件大小时，再将铁电存储器的数据重新写入FLASH 中。在进行FLASH 数据存储时，首先生成存储路径和文件名，判断是否存在对应文件，若文件存在则采用追加写入的方式在文件尾进行数据填充，否则创建新文件写入数据。当存储数据超过规定容量时，需删除最早建立的文件，再创建新的文件。

2.4 数据传输

1）网络型分站数据续传。当分站存在待续传数据时，判断文件名是否与主机配置一致，若配置一致，则读取文件内容，进行数据校验，并按照规定的格式组织报文上传，报文格式为：剩余帧数+测点编号+数据内容。分站收到主机的通信握手表示数据上传成功，接着准备下1 帧续传数据，否则持续上传上1 帧数据。为了不影响实时数据传输，分站首先确认是否存在实时数据，在无实时数据需传输的情况下方可进行数据续传。

2）总线型分站数据续传。总线型分站数据续传框架如图5。总线型分站数据续传分为2 个步骤：①由主机根据分站的故障情况，指定分站数据续传时间，分站收到命令后，遍历该时间目录下所有的测点，找出与当前分站配置相一致的传感器文件，加总计算得出总帧数告知主机；②主机发送续传数据帧序号，分站根据帧序号读取相应传感器数据进行打包上传。

图5 总线型分站数据续传框架Fig.5 Bus type substation data continuation framework

3 试验验证

分站采用NXP 公司的i.mx6ull 芯片作为处理器，扩展128 M 的NandFLASH 和4 M 铁电存储器用于数据存储。为了测试满载条件下分站断线续传性能，按照分站最大容量，接入31 台模拟传感器。在[0,100]区间内，传感器每隔2 s 以0.01的变化频率进行自增或自减，模拟测点值变化上传。

1）分站断线续传功能验证。开启分站断线续传功能，并中断分站主传输通信，7 d 后恢复主通信。测点密采曲线如图6（每日的采样日刻均为17：25）。查看主机上测点密采曲线，在分站故障期间，起初密采曲线是空白的，读取断线续传数据后，空白区域被断线续传数据填充，断线续传数据用虚线表示。通过比对传感器上传数据和主机获取的续传数据，数据完整率达到100%。在续传过程中，分站实时数据上传功能运行正常。

图6 测点密采曲线Fig.6 Dense sampling curves of measuring points

2）分站断线续传时间测试。根据分站主通信中断1、5、12 h 3 种情况，分别测试总线型分站与网络型分站的数据续传时间，其中总线型分站传输速率为4 800 bps。网络型分站数据续传每帧平均耗时0.4 s，总线型分站数据续传每帧平均耗时1 s。

4 结 语

基于分站的断线续传方案，在分站主通信或上级设备故障时可将数据缓存在分站中，并在故障修复时将数据传输至主机，填补监控系统历史数据库，有效解决了分站上级设备故障或通信故障导致的数据缺失问题，保证了数据的完整性，避免因数据缺失导致监控系统控制决策受影响，或出现井下环境趋势预测精度差的问题。对于分站下行通信的故障，需进一步研究基于传感器的断线续传方案。