煤礦信息物理融合系統(tǒng)的模型與技術(shù)研究

張文

摘 要：信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是一種集計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理世界于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算、通信以及控制技術(shù)的深度融合與相互協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)工礦系統(tǒng)的控制與信息服務(wù)。針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的需求，結(jié)合井下復(fù)雜的環(huán)境，構(gòu)建具有環(huán)境監(jiān)測(cè)功能以及多功能控制的CPS模型。在此基礎(chǔ)上，分析面向煤礦信息物理融合系統(tǒng)的信息獲取、計(jì)算和協(xié)同控制技術(shù)。煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型的構(gòu)建和關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)對(duì)提高產(chǎn)量、安全生產(chǎn)、礦井信息化具有極大的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：CPS；工況系統(tǒng)；信息獲取；協(xié)同控制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是一種新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其以井下環(huán)境為處理對(duì)象，通過(guò)在設(shè)備中嵌入一定的計(jì)算和通信功能，運(yùn)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用信息獲取、計(jì)算和協(xié)同控制等技術(shù)，可以在復(fù)雜的環(huán)境下獲得準(zhǔn)確的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的可靠數(shù)據(jù)傳輸與信息處理，并通過(guò)反饋回路對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制。

1 煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型

CPS是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體之間的融合得到進(jìn)一步增強(qiáng)，有效提升了CPS的功能性和實(shí)用性。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，因此存在特殊的功能需求，如圖1所示。

煤礦信息物理融合系統(tǒng)能夠充分融合計(jì)算與物理屬性，從而達(dá)到準(zhǔn)確描述物理世界的效果。其模型的構(gòu)建基于應(yīng)用需求考慮，涉及算法和反饋環(huán)節(jié)等，指定控制器進(jìn)行操作。

CPS一般由傳感器、執(zhí)行器、控制處理單元和通信器件組成。在控制與物理系統(tǒng)之間有一個(gè)反饋回路，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。依據(jù)CPS的定義，結(jié)合礦井安全生產(chǎn)情況和功能需求，構(gòu)建了CPS模型，如圖2所示。

由圖2可看出，傳感器節(jié)點(diǎn)把采集到的瓦斯?jié)舛取L(fēng)速以及儀器儀表等數(shù)據(jù)傳給執(zhí)行器，由執(zhí)行器發(fā)出指令控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，切斷電源等。同時(shí)，可以通過(guò)Sink節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁骺刂乒?jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)A，B，C發(fā)出控制指令供執(zhí)行器執(zhí)行，從而形成智能控制的反饋回路。

在信息物理融合系統(tǒng)中，通信設(shè)備之間的距離、電壓等與信息系統(tǒng)的通信能力、處理器、內(nèi)存大小是契合的。因此，在建模時(shí)要考慮計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程兩方面的因素。另外，因?yàn)槊旱V井下存在無(wú)線傳輸衰減明顯、工作環(huán)境差等因素，所以煤礦信息物理融合系統(tǒng)的建模還應(yīng)考慮誤差、丟失等因素。

CPS工作流程如圖3所示。

2 煤礦CPS的技術(shù)研究

由于煤礦井下無(wú)線信號(hào)衰減明顯，電氣要求為防爆等級(jí)，分散的環(huán)境無(wú)法收集足夠的信息等原因，制約了分布式控制技術(shù)、通信技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)直接應(yīng)用于安全性要求高的煤礦井下。因此，針對(duì)這種情況，需要處理好信息獲取、計(jì)算和協(xié)同控制之間的關(guān)系。

信息獲取技術(shù)。首先，掌握現(xiàn)實(shí)與網(wǎng)絡(luò)之間的運(yùn)作模式，促進(jìn)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互協(xié)同，在計(jì)算算法中闡明傳感器節(jié)點(diǎn)的特性，包括傳感器響應(yīng)時(shí)間等；然后，將已經(jīng)掌握的信息反饋給物理系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器采集的速度來(lái)增加采集的信息量。

計(jì)算技術(shù)。煤礦CPS需要有效的模型和計(jì)算邏輯。通過(guò)語(yǔ)義集成方法，能夠使大量數(shù)據(jù)得到處理，命令得以快速執(zhí)行，從而保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，在一定程度上避免了系統(tǒng)錯(cuò)誤的發(fā)生。

協(xié)同控制技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)煤礦信息物理融合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需要協(xié)同控制。采用計(jì)算抽樣的方法可以提高信息處理的能力。對(duì)CPS來(lái)說(shuō)，計(jì)算與物理世界之間的相互協(xié)作要求時(shí)間精確，因此需要構(gòu)建動(dòng)態(tài)反饋回路。CPS的理論技術(shù)體系如圖4所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將信息物理融合系統(tǒng)與煤礦相結(jié)合，針對(duì)礦井復(fù)雜的環(huán)境以及特殊功能需求構(gòu)建能夠高效獲取信息、具有協(xié)同控制能力的煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型，并對(duì)構(gòu)建煤礦 CPS所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型的構(gòu)建，不僅豐富了CPS的模型理論，更對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和礦井信息化具有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)，CPS技術(shù)的不斷發(fā)展將會(huì)對(duì)科研理論帶來(lái)巨大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王喜文.圖解工業(yè)4.0的核心技術(shù)——信息物理融合系統(tǒng)（CPS）[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（4）：4-5.

[2]李必信，周穎.信息物理融合系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[3]徐靜，譚章祿.智慧礦山系統(tǒng)工程與關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（4）：79-82.

[4]溫景容，武穆清，宿景芳.信息物理融合系統(tǒng)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，38（4）：507-517.

[5]王莉.智慧礦山概念及關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 工礦自動(dòng)化，2014，40（6）：37-41.

[6]王中杰，謝璐璐.信息物理融合系統(tǒng)研究綜[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，37（10）：1157-1166.

[7]孫彥景，于滿，何妍君.煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011（52）：295-301.

[8]胡雅菲，李方敏，劉新華.CPS 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010（S2）： 304-311.

[9]何積豐.信息物理融合系統(tǒng)[J].中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2010，6（1）：25-29.

[10]譚朋柳，舒堅(jiān)，吳振華.一種信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010（S2）：312-316.