摘要：在煤矿安全生产过程中，多种信息化监控软件，例如煤矿安全生产监控系统，人员定位系统、紧急避险系统等，都通过有线、无线等多种方式，与矿井多种传感器进行数据通信，获取传感器数据，判断安全生产环境或获取生产数据。在这些系统中，无论是哪种形式的网络链路，都存在通信控制功能。对此，从各种应用系统的实际需求出发，通过设计命令池及控制流程，研究设计了一种广范应用于煤矿各类监控系统的通信控制组件，极大地缩短了各产品的开发周期，提高了开发效率和产品的稳定性、可靠性。通信控制组件设计在多个系统中已得到广泛应用，经长期运行实践，验证了软件的可靠性和稳定性。
关键词：煤矿安全生产；通信控制组件；订阅发布
中图分类号：TP399文献标识码：B文章编号：1001－0874(2015)06－0084－04
作者简介：张羽(1980－)，女，工程师。现主要从事煤矿安全管理系统的研究工作
0引言
以煤矿安全避险六大系统为首的安全生产系统是避免或减少瓦斯、火灾等重特大事故发生，应急救援和紧急避险的有效措施［1］。这类生产系统均是通过对煤矿井下各传感器数据的采集，实时监测或预测生产环境(包括人员位置)。通信过程的控制，包括命令发送、等待响应、命令接收、是否需要重发等，是确保通信数据稳定和可靠的重要过程。本文研究了一种可广泛应用于煤矿安全生产中的通信组件，通过设置参数和调用接口，能满足不同的应用场景的需求，有效缩短了各业务系统的开发周期，集中力量进行组件维护，能有效提高组件的可靠性和稳定性。
1通信控制组件的设计
通信控制组件设计了消息队列来管理命令，并设计了一套通信流程，按照不同业务系统赋予的命令的特性进行整个通信过程。
1．1整体设计
通信控制组件的整体数据流设计。各业务系统通过调用接口，向组件消息队列发布命令，通信控制模块获取消息队列中的命令进行单次通信过程，并将接受数据返回给业务系统，并不断循环此过程。在通信控制组件中，管理的对象是命令，本组件采用消息队列来管理命令。队列的主要目的是提供路由并保证消息的传递，如果发送消息时接收者不可用，消息队列会保留消息，直到可以成功地传递它。消息队列一般按照先进先出的原则进行消息的传递，消息传递完毕后即被及时销毁。对于该组件的应用场景，因为一些特殊命令例如巡检命令，必须滞留在组件内部进行循环发送，故设计了一种可满足命令的存取、持久化、排序、销毁等一系列功能的消息队列。队列持久化到本地，可保证队列中的命令在组件重启时不丢失。队列可以按照命令的设备标签采用冒泡法排序。队列采用指针记录当前命令发送位置，当遇到优先级别高的命令插包后，可以快速恢复到原来位置继续发送。
1．2组件功能设计
通信控制组件的系统功能如图2所示，组件功能主要有消息队列、通信过程控制及对外发布接口组成。消息队列包括命令生命周期管理，优先级别管理。通信过程控制模块主要包括通信通道维护和单次通信过程管理。对外接口则负责接收命令、发布和接收通信数据以及应答数据的反馈。组件内部设计的消息队列，用于处理业务系统中复杂多样化的通信命令，例如巡检命令、心跳命令、握手命令、控制命令等。通信过程控制模块则专注于单次的通信过程控制，从命令发送、等待、接收数据、是否超时，是否需要重发等过程。组件内部业务分工明确，有效提高了组件的处理效率。
2关键技术
组件如何与各业务系统采用松耦合的方式进行通信，即只需要把消息传递，而无须理会对方是否收到，降低了组件和业务系统的依赖，不会互相干扰而造成系统奔溃。订阅发布是具有异步的、多点通信的特点［2］，可以高效并且可靠的在分布式组件直接传输信息。组件的设计采用订阅发布模式，向各个业务系统提供接口，用于应答的反馈。订阅发布是指用户可以订阅发布订阅系统中感兴趣的信息，在发布订阅系统中主要有消息发布者、消息订阅者和发布订阅服务器［3］。各业务系统(订阅者)首先向发布/订阅中间件注册一个订阅条件，当通信控制过程(发布者)把接收到的数据发送到服务器，服务器根据订阅条件与消息进行匹配比较，把消息发送给符合订阅条件的各业务系统(订阅者)。
3关键流程设计
通信控制组件的关键流程有通信主流程和单次通信管理流程。
3．1通信管理主体
通信管理主体是整个通信控制组件的主流程，负责循环的对消息队列中的命令进行通信的发布，此流程主要保证消息队列中的命令按照优先级别、用户制定顺序进行准确无误的发送。通信管理主体启动通信后，获取当前命令包的第一条命令，记录当前位置，判断是否有优先级别更高的命令和是否允许被插包后，进行当前命令的发送，并销毁发送后的命令，根据当前位置获取下一个命令进行发送流程。在一些应用场景下，由于通信协议的限定［4］，一条完整的命令需要被分成2～3次进行发送，故命令池中的命令包设计成命令队列的形式。在命令队列中，当遇到优先级别较高的命令时，需要判断是否允许被插包。命令发送完毕后也需要判断是否销毁，类似一些控制命令只发送一次，就需要被销毁。而普通的巡检命令因需要循环发送，因此不需要被销毁。
3．2单次通信管理流程
单次通信管理流程是对单一命令的通信过程的管理。通过计算理论等待时间，在该时间段内，接收到期望的数据，则返回给上层应用系统，例如串口通信时，理论等待时间计算公式为：(发送命令的字节数+期望接收的字节数+2)×11×1000/当前通信速率)+当前命令等待偏移量。在理论等待时间后未接收完毕，则根据需要重发。接收完毕后将数据返回给上层应用程序。
4应用说明
其他业务系统在使用通信控制组件时，需要首先添加本组件引用，定义通道参数并初始化通道，订阅数据发送、接收、无响应等事件，向消息队列增加命令包后即可启动通信过程，通信控制组件接收数据或者判断无响应后，将结果发布给业务系统，业务系统再进行后续工作的处理。对于业务系统来说，只需要将命令包组织并添加成功，并启动通信过程即可，不需要管理其中复杂的通信过程。业务系统可以专心处理其他业务例如界面查询、报表打印等。在命令包的组织过程中，心跳和巡检命令为最常用的命令。心跳命令为检测网络上设备是否存在，类似于心跳的命令，一般起辅助作用。这种命令的特性是一发一收，收到即说明设备存在，没收到即说明设备掉线。心跳命令将自动销毁标志置为TＲUE，发送完毕后自动销毁。巡检命令为常规命令，定时或者循环向设备获取数据，一般是依据设备的编号，循环发送。巡检命令将自动销毁标志置为False，在命令队列中循环发送，若想按照设备标签顺序进行巡检命令，每次新增命令的时候，调用排序接口，将命令包排序。其他命令例如控制命令，可将优先级别设置成最高，这样保证当系统需要发送设备控制命令时，能即时发送。对于电子显示牌命令，要求以最后一次发出的命令为准，即对于同一地址来说，如果有多条命令，仅发送最后一次的命令，将电子显示牌的优先级别设置为最低，命令包参数中的自动替换标志设置成TＲUE即可实现。
5结语
通信控制组件已经开发完成并通过测试，并用于井下物流管理系统、井下信息发布系统等监控系统的开发，有效地降低了软件开发的工作量，缩短了软件的开发周期。上述系统在开发周期上有效的缩短了3个人月的开发和测试时间。测试结果表明，通信控制组件在压力测试下能7天无故障运行，通信完成率为100%。以上系统在成庄煤矿、口孜东煤矿、阳煤一矿等现场进行了应用，长期运行中验证了软件的可靠性、稳定性。
参考文献：
［1］孙继平．煤矿井下安全避险“六大系统”的作用和配置方案［J］．工矿自动化，2010(11)：1-4．
［2］万豪，史浩山，林卓，等．基于订阅发布机制的中间件系统设计与实现［J］．计算机测量与控制，2012(9)：2551-2554．
［3］徐宁博．基于发布订阅机制的数据交换平台研究与实现［D］．河北：河北工程大学，2012．
［4］陈业．矿用供电保护器MODBUS协议解析［J］．可编程控制器与工厂自动化，2014(10)．83-84，96．
作者：张羽 单位：天地( 常州) 自动化股份有限公司
