基于SOA的煤矿异构系统综合集成研究

林浩伟

(安徽理工大学　后勤集团，安徽　淮南　232001)

基于SOA的煤矿异构系统综合集成研究

林浩伟*

(安徽理工大学后勤集团，安徽淮南232001)

摘要：在对煤矿异构数据环境进行梳理、归纳、分类的基础上，建立从煤矿底层数据到应用层共包括数据采集层、数据源层、中间接口层、应用层4层的煤矿系统异构数据综合集成模型，并提出基于SOA煤矿系统集成框架，实现煤矿各子系统间的信息交互，为综合数据查询、三维可视化集成、智能决策提供统一的数据访问平台和综合集成系统结构。

关键词：煤矿异构系统；综合集成模型；中间接口层；企业服务总线；面向服务体系架构

近年来，煤矿信息化建设得到迅速发展，国内一些煤矿企业已经建设企业自己内部的局域网，同时他们还与相关科研院所、高校基于网络合作开发了管理信息系统、地理信息系统、各种监测监控系统及自动化控制系统。由于这些信息系统所采用的硬件环境、网络平台以及数据库系统不同, 彼此之间相对封闭、无法兼容、无法实现信息共享，因此形成了复杂的异构环境[1-2]。如何构建一个系统集成平台，将这些不同的业务数据集成起来，有效实现数据的统一访问、信息综合查询[3]、三维可视化显示，从而进一步对这些信息进行综合分析为矿井设备故障、安全状况、安全环境进行预测预报，为管理者提供决策数据是当前煤矿企业亟待解决的问题。

1煤矿系统异构数据集成

1.1煤矿数据环境分析

目前，很多煤矿企业已先后开发了办公自动化系统、财务管理系统等管理系统，人员定位系统、地测制图系统、工业视频系统、束管监测系统等安全生产监管系统，辅助提升系统、排水系统、掘进工作面监系统、顶板离层监测系统、回采工作面监控系统等综合自动化监控系统[4]。随着科技飞速发展，又相继推出了基于WSN (无线传感器网络)技术和Web-GIS(互联网地理信息系统)技术的煤矿信息化系统。但这些煤矿信息系统之间存在一些问题：1)信息系统设备众多，数据传输、存储方式相对独立，互不兼容。2)现有多数信息系统的数据自成体系、交互困难、互不共享，形成了大量分散异构的“信息孤岛”。3)监测监控系统的数据没有充分得到利用，没有对大量历史数据进行分析和挖掘，进而提取有用的信息用于决策支持。4)信息系统的可视化功能差，展现的图形是平面示意图和组态图，没有三维立体图展现功能，缺乏先进性。

为此，对煤矿信息系统集成提出要求：1)需要实现各个业务系统(信息管理系统)的有机集成，方便用户进行综合查询。2)煤矿安全事故较多，煤矿中有很多历史数据(尤其是监测监控数据),其中蕴藏着很多有价值的信息，可以将这些数据存放在数据仓库中为煤矿安全事故预测、数据挖掘提供依据。3)三维可视化显示，通过煤矿空间数据构造三维图形，在三维图形中展示各种设备、人员、环境参数等各种信息。

1.2煤矿系统异构数据集成总体框架

针对当前煤矿企业对信息系统异构数据集成的需求及特点，建立了从煤矿企业底层数据到应用层，共包括数据采集层、数据源层、中间接口层、应用层等4层的煤矿信息系统异构数据综合集成框架，如图1所示。

图1　煤矿系统集成总体框架

1)数据采集层主要是通过各种传感器等设备采集煤矿井下各种参数数据。2)数据源层由不同来源的数据构成，包括从煤矿井下采集的监测监控数据以及煤矿信息管理系统和煤矿地质、环境测量系统中的关系数据库、面向对象数据库、文件、半结构化数据等各种异构数据源。3)中间接口层位于应用层和数据源之间，采用一定的数据融合方法，把煤矿各种异构数据源集成起来，对于数据源来说，对数据源采用一定的存储、管理方法，对于应用层来说提供统一的数据访问接口。4)应用层是用户界面层，根据具体的应用和用户需求开发相应的应用软件。

1.3中间接口层的数据集成模型

本文提出的数据集成方法共有3种：联邦数据库、中间件和数据仓库。它们有各自的特点要灵活使用。

联邦数据库是各异构数据源之间需要构造不同的接口进行两两映射连接，随着数据源的增多，接口的数量急剧增加，这对于系统的扩展极为不利。中间件[6-7]通过中间件系统把各个异构数据源采用包装器转换为全局数据模式，满足上层集成应用的不同要求，从而屏蔽了各个数据源的异构性。数据不集中存放，仍然存放在各自的数据源中，用户的查询通过中间件进行集成和分解。数据仓库法将所需数据从原来的数据中抽取出来，进行加工与集成，统一与综合之后，存储到数据仓库中，然后进行联机分析处理(On-Line Analytical Processing, OALP)和数据挖掘(Data Mining)，帮助决策者快速有效地从大量资料中分析出有价值的信息。

煤矿信息管理系统中大部分是易变数据，这部分数据采用虚拟数据库方式集成，而系统中不经常改变的数据存放在数据仓库中。煤矿监测监控数据一方面需要实时显示，另一方面需要从大量历史数据中挖掘出有价值的信息用于预测、决策，在保留原来的系统模式不变的基础上存放在数据仓库中。煤矿中各种地测数据基本相对稳定，所以一般采用数据仓库集成模型。针对数据源的不同，本文采用了虚拟数据库和数据仓库混合集成模型，这2种模型不是简单的混合，而是对功能相似的部分进行抽取、合并、改造。数据源不再是到单一数据集成模式的映射，而是有选择性地到某一种集成模式的映射，这一映射关系也需要统一管理；虚拟数据库模块内部数据的映射和数据仓库集成模块内部数据的映射关系的定义和管理统一放在元数据库管理模块。应用层在访问数据源时通过集成服务管理器进行处理。

元数据库子层、集成服务管理器子层、虚拟数据库的数据集成子层和数据仓库的数据集成子层是煤矿系统中间接口层的数据集成模型的4个子层，如图2所示。

图2　煤矿数据集成中间接口层模型

集成到虚拟数据库的每个数据源都对应一个包装器，这个包装器对数据源进行封装，转换数据模型，提供系统采用的一致的访问机制。集成到数据仓库中的数据源通过特定的数据转换工具，以需要的全局模式定期对数据进行抽取、清理、转换，再封装到数据仓库中。数据仓库中的数据更新通过数据转换工具中的刷新来实现，数据仓库中的数据按照主题分别存放在不同的数据集市中。元数据库模块定义了两级粒度：第一级粒度定义了集成服务管理器到虚拟数据库模块和数据仓库模块之间的映射关系，确定了集成服务管理器到底访问哪一部分的数据；第二级粒度是数据源到虚拟数据库的映射关系和数据源到数据仓库集成模块的映射关系。元数据管理模块一方面为集成系统的扩展提供了可能，另一方面明确了数据的访问对象。集成服务管理器负责异构数据源的数据访问、查询和协调数据源之间的信息，集中为异构数据源提供一个高层次服务。

2煤矿异构系统集成的实现

为解决现有煤矿系统之间信息交互没有相同的标准可遵循[5]、业务功能不能随需所变的问题[6]，更好地实现异构系统集成，在上述煤矿系统异构数据集成框架基础上，提出了基于ESB(Enterprise Service Bus, 企业服务总线)-SOA(Service-Oriented Architecture, 面向服务体系架构)的煤矿系统集成框架。

2.1SOA的组成

SOA是一种业务驱动的架构方式，是一个组件模型。SOA的核心主体是服务，它是一种动态绑定、模块化、互操作、粗粒度、开放式、松耦合、位置透明的服务结构。SOA 为各异构系统的集成提供统一的交互协议[7]。本文将应用系统所拥有的各种功能封装成服务之后，引入ESB-SOA便可以将各种功能连接起来，解决煤矿企业各系统间进行互操作遇到的困难和异构性。

SOA体系架构包括3个主要角色：服务注册中心、服务提供者和服务请求者,如图3所示。

图3　SOA体系架构

2.2SOA架构的实现

XML(可扩展标记语言)、Web Services(网络服务)、 SOAP(Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议)、UDDI(Universal Description, Discovery and Integration，通用描述、发现与集成服务)、WSDL(Web Services Description Language，网络服务描述语言)都是实现SOA架构的重要技术。 XML是网络中对数据和数据交互进行描述的标准，也是构建松散耦合程序的实际标准。SOAP协议作为一种标准传输协议，能够为服务消费者与服务提供者的相互通信制定统一而标准的通信规则。UDDI是一种以XML和SOAP为基础的、可看作Web服务的标准规范。WSDL是一种Web服务描述语言。Web Services 是实现SOA架构的关键技术之一，具有语言无关性、硬件无关性等优点，它运用XML使网络中各异构系统之间的通信标准实现统一化，以解决各异构系统间的集成问题。

SOA架构是一种集成方法，而ESB是实现SOA治理的重要支撑平台，是SOA解决方案的核心，是连接SOA系统并实现这些系统相互通讯的最佳工具。当前，被普遍使用的SOA架构的标准模型，是国际开放群组(The Open Group) 在1993年提出的，历经15年9个版本后形成的，如图4所示。

图4　SOA标准模型

2.3基于SOA煤矿系统集成框架

基于SOA煤矿系统集成分为7个层次[9-10]：第1层：应用系统层。煤矿企业当前使用的应用系统和其他资源，主要包括财务管理、人员管理等组件或业务应用系统。第2层：组件层。该层是使用相关技术对煤矿企业使用IT应用系统的部分功能或组件进行过滤包装成服务后，向外部提供。第3层：服务层。该层是煤矿集成系统中关键的一层，它用底层功能组件来构建所需的不同功能服务，并进行注册起来，使服务可以被发现、发布或直接静态绑定。第4层：企业服务总线层。该层提供可靠消息传输、服务接入、协议转换、数据格式转换、基于内容的路由等功能，屏蔽了服务的物理位置，协议和数据格式。第5层：业务流程层。该层对注册的服务进行合成和编排，使用服务被绑定成一个新流程，作为独立的应用程序。第6层：表现层。该层是用来向用户提供用户接口服务和用户访问服务的。第7层：基础架构层。该层通过对诸如安全、性能和可用性等提供监视、管理和维持等服务质量的能力。

根据上述煤矿系统集成分层，参照SOA标准模型，提出了基于ESB-SOA煤矿系统集成框架，实现煤矿各子系统间的信息交互，如图5所示。

图5　基于ESB-SOA煤矿系统集成框架

该集成框架主要利用各种适配技术在适配器层封装煤矿系统中各异构系统，并将其连接到ESB总线上消除差异性。适配器采用XML字符串完成对煤矿系统中异构数据的封装，然后利用AJAX引擎将数据传递接口转换成标准接口[10]，从而实现将统一数据实时传递给ESB，再通过业务流程、业务服务层等实现煤矿各子异构系统间的信息交互。

3结语

本文针对煤矿信息资源的异构性特征，在认真分析煤矿企业现有数据环境的基础上，结合煤矿信息化建设急需解决的问题，把煤矿信息系统分为煤矿地质环境测量系统、综合自动化系统、信息管理系统三大类，提出了包括数据采集层、数据源层、中间接口层、应用层的煤矿系统总体集成模型，设计了基于SOA煤矿系统集成框架。该集成框架既能实现煤矿综合业务查询，又可实现煤矿历史数据分析、灾害预测、决策支持等服务，增加了煤矿企业信息化系统的可扩展性、跨平台性、可伸缩性和可移植性，将来在此基础上，可以进一步实现应用层的功能，使煤矿信息系统真正达到深度集成。

参考文献：

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[3] 郭秀才,张倩男,叶常华.异构数据集成技术在煤矿安全监控中的应用研究[J].煤炭工程,2011(6):124-126.

[4] 刘苗苗.矿山信息系统体系结构研究与矿山数据集成与分析[J].煤炭技术, 2012,31(7):147-149.

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[12] 李家松.基于XML的异构数据集成研究与应用[D].上海:上海交通大学,2008.

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Research on the Integration of Heterogeneous System in Coal Mine Based on SOA

LINHaowei*

(Logistics Group, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract:Based on the induction, generalization and classification of heterogeneous data in coal mines, an integration model of heterogeneous data in coal mine system was established from the underlying data to the application layer, including the 4 layers of data acquisition layer, data source layer, interface layer, and application layer. What’s more, the paper put forward the integration framework of coal system based on SOA and realized the information interaction between each subsystem of mine, so as to provide a unified data access platform and integrated structure for comprehensive data query, 3D visualization integration and intelligent decision-making.

Key words:heterogeneous system in coal mine; integrated model; intermediate interface layer; Enterprise Service Bus(ESB)；Service-Oriented Architecture(SOA)

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.010

收稿日期：2016-04-20

基金项目：国家自然科学基金“基于信息融合的煤矿致灾机理建模及预测”(51174257)

作者简介：林浩伟(1978— )，男(汉族)，江苏淮安人，工程师，硕士，研究方向：电子信息管理、数据挖掘等，通信作者邮箱：46933839@qq.com。

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：2095-5383(2016)02-0035-03