1種面向豬舍的信息物理融合系統(tǒng)模型

曹振麗

摘要：針對傳統(tǒng)的信息物理融合系統(tǒng)建模方法大多局限于時間域內(nèi)的分析，且沒有考慮計算過程和物理過程，通過網(wǎng)絡(luò)實時交互對系統(tǒng)行為所帶來的影響等問題，擴展了傳統(tǒng)模型以刻畫系統(tǒng)中的時空相關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交互以及模型結(jié)合等問題，將時間和空間的事件信息明確地抽象到編程模型中，在大數(shù)據(jù)背景下進行形式化的描述及一體化建模。以豬舍中風扇開啟為例，對每個環(huán)節(jié)進行詳細分析，證明該模型可應(yīng)用于精準農(nóng)業(yè)中，從而有利于設(shè)計人員更好地分析網(wǎng)絡(luò)化計算過程在與物理過程融合、物理環(huán)境交互中的動態(tài)行為，對加深系統(tǒng)的理解和應(yīng)用具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：豬舍；數(shù)據(jù)流；信息物理融合系統(tǒng)；建模；大數(shù)據(jù)；實時監(jiān)測

中圖分類號： TP301文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0193-03

隨著畜禽養(yǎng)殖工廠化、集約化、規(guī)模化發(fā)展，飼養(yǎng)密度的增加使得養(yǎng)殖環(huán)境不斷惡化，導致禽流感、豬流感等疾病大規(guī)模暴發(fā)，給養(yǎng)殖戶造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，人們越來越重視畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境采用實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)措施。

信息物理融合系統(tǒng)是指集通信、計算和控制能力于一體的監(jiān)控物理世界中各實體的網(wǎng)絡(luò)化計算機系統(tǒng)[1]。通過建立模型的物理過程和計算平臺，可以促進操作過程，有助于用戶更好地了解系統(tǒng)狀態(tài)，最終實現(xiàn)更好的控制[2]。張侃等針對目前在信息物理融合系統(tǒng)的安全性和正確性較為缺乏的問題上，采用形式化方法，建立了一種可信的框架模型，但是其缺點是缺少描述時空特性的形式化建模方法[3]。胡雅菲等對信息物理融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，指出它是一種全新的全局控制、局部操控、具有多學科交叉應(yīng)用的混合網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測未來的重點研究方向[4]。李仁發(fā)等介紹了信息物理融合系統(tǒng)的概念、特點和體系結(jié)構(gòu)，分析了信息物理融合系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)，從3個方面概括它在設(shè)計上面臨的主要挑戰(zhàn)[5]。王小樂等提出了一種面向服務(wù)的包含節(jié)點層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和資源層4層體系的框架，并結(jié)合4層架構(gòu)討論了信息物理融合系統(tǒng)領(lǐng)域未來的研究方向[6]。

多數(shù)研究集中在特定場景下對信息物理融合系統(tǒng)建模或是對傳統(tǒng)的、靜態(tài)的、精確的數(shù)據(jù)建模，對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流背景下的信息物理融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流建模研究較少。信息物理融合系統(tǒng)中的時間主要是用來預(yù)測、度量和控制物理世界的屬性。傳統(tǒng)的建模方法有一定的局限性，大多局限于時間域內(nèi)的分析，沒有考慮計算與物理過程通過網(wǎng)絡(luò)實時交互對系統(tǒng)行為所帶來的影響，因此，須要擴展現(xiàn)有模型以刻畫系統(tǒng)中的時空相關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交互以及模型結(jié)合等問題[7]。

此外，基于事件模型的傳統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在特定時間和地點發(fā)生的某件事觸發(fā)了狀態(tài)變化。然而究其本質(zhì)，反映到系統(tǒng)中是以數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)驅(qū)動，導致系統(tǒng)的變化。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)反映了真實世界的事件、對象及其相互關(guān)系，是對真實世界的數(shù)字化表達，因此，在大數(shù)據(jù)時代，人們須要切換到數(shù)據(jù)視角，以數(shù)據(jù)為中心來開展業(yè)務(wù)研究[8]。

1系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)計基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的畜禽舍信息物理融合系統(tǒng)，還能根據(jù)用戶要求，通過控制單元的控制語句自行設(shè)定溫度、濕度、氨氣濃度等環(huán)境參數(shù)的采集時間和監(jiān)測范圍，結(jié)合執(zhí)行單元的相關(guān)環(huán)境參數(shù)指標，可實現(xiàn)自動控制畜禽舍內(nèi)相關(guān)設(shè)備如排氣風機、風扇、噴淋裝置和電源燈的開關(guān)等，使動物能夠處在相對適宜的環(huán)境下，滿足養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境控制的要求。同時，系統(tǒng)中對采集到的數(shù)據(jù)流進行實時預(yù)測，為養(yǎng)殖戶提供預(yù)警等。各種傳感器按照設(shè)定的采樣頻率，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，源源不斷地進行數(shù)據(jù)傳送，這些傳送的數(shù)據(jù)就構(gòu)成數(shù)據(jù)流。面向豬舍的信息物理融合系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

1.2傳感器的數(shù)據(jù)建模

傳感器是用于感知物理世界的物理對象所處狀態(tài)的硬件設(shè)備，提供感知服務(wù)，是物理世界和信息世界互相交互的紐帶，是物理世界與信息世界溝通的橋梁。由于數(shù)據(jù)流的不確定性、動態(tài)性和實時性，因此，對傳感器中的數(shù)據(jù)不能像傳統(tǒng)的確定性數(shù)據(jù)那樣描述，對大數(shù)據(jù)流某一時刻對應(yīng)的數(shù)據(jù)的描述須要同時引入時間、數(shù)值、概率這3個屬性，才能完整刻畫不確定數(shù)據(jù)流。

1.3無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)建模

已有的系統(tǒng)建模研究大都忽視了計算與物理過程通過網(wǎng)絡(luò)實時交互對系統(tǒng)行為所帶來的影響，這正是建模研究中所需要進行擴展的部分。可靠性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身的特點，如節(jié)點能量損耗、環(huán)境影響等，常常會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)包丟失，導致網(wǎng)絡(luò)的可靠性能較低。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)缺失數(shù)據(jù)，從而極大地影響了整個信息物理融合系統(tǒng)的準確性。針對這一點可以采用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計階段設(shè)計出合適的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、高效的節(jié)點部署策略、可靠的傳輸技術(shù)和可靠性管理技術(shù)等，以便提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流按傳遞的方向可分為上行和下行2種，上行方向表示源節(jié)點將感知的數(shù)據(jù)流向sink節(jié)點進行傳送，主要用于信息的采集。研究發(fā)現(xiàn)，大部分學者關(guān)注的是上行方向數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，下行方向表示發(fā)送的廣播或單播數(shù)據(jù)流是由sink節(jié)點指向整個網(wǎng)絡(luò)或局部網(wǎng)絡(luò)。

式中：WirelessNet表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)；sid表示向無線網(wǎng)絡(luò)上行傳送數(shù)據(jù)的傳感器編號；updata表示該傳感器向無線網(wǎng)絡(luò)上行傳送的數(shù)據(jù)；downdata表示該無線網(wǎng)絡(luò)下行傳送的數(shù)據(jù)，該下行數(shù)據(jù)不僅僅傳送給計算控制單元，也傳送到用戶的計算機及手機上；cuid表示該無線網(wǎng)絡(luò)下行發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的計算（控制）單元的編號，wstime表示該無線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的對應(yīng)時間。由于傳送的數(shù)據(jù)是不確定數(shù)據(jù)流形式，因此該數(shù)據(jù)的描述形式采用公式（5）的三元組進行刻畫：

2結(jié)論

首先，本研究介紹了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)控越來越被重視

[JP2]的原因，以及信息物理融合系統(tǒng)的相關(guān)知識，并對國內(nèi)外建模的研究現(xiàn)狀及存在問題進行了陳述。接著，摒棄傳統(tǒng)的以事件為中心建模，提出在大數(shù)據(jù)背景下切換到數(shù)據(jù)視角，以數(shù)據(jù)為中心來研究面向養(yǎng)殖環(huán)境的豬舍信息物理融合系統(tǒng)的建模。然后，在考慮計算與物理過程通過網(wǎng)絡(luò)實時交互對系統(tǒng)行為所帶來的影響后，對傳統(tǒng)建模的組成部分進行相應(yīng)擴展，分別描述數(shù)據(jù)流情形下的物理世界、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、計算（控制）單元、執(zhí)行器的數(shù)據(jù)建模的形式化，實現(xiàn)計算世界與物理世界異構(gòu)信息的交互融合，將時間和空間的事件信息抽象到編程模型中，設(shè)計一種面向豬舍養(yǎng)殖環(huán)境的信息物理融合系統(tǒng)模型。最終，通過實例分析，證明該模型可應(yīng)用于精準農(nóng)業(yè)中。[JP]

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