面向煤礦應用的信息物理融合系統模型

何雄偉，袁學松

（1.惠州衛生職業技術學院教育技術與信息中心，廣東惠州516025；2.安徽機電職業技術學院信息工程系，安徽蕪湖241001）

信息-物理融合系統（Cyber-Physical Systems，CPS）[1-2]是一種具有計算與通信能力的，通過監控物理實體，安全、可靠且有效地實時與物理系統整合的系統，是以通信、計算和控制為核心的高度集成、可監視、可控制的工程系統，實現了信息世界與物理世界的融合。由于煤礦系統環境比較復雜，使得煤礦系統的信息化成為提高煤炭工業生產和安全水平的重要發展方向，其信息化主要是通過采用先進的監測設備、數據通信、信息處理和自動化控制等信息技術，建立起具有煤礦安全監測、災害自動預警和智能生產控制等功能的信息化、智能化煤礦系統[3]。因此，文中將信息-物理融合系統應用到煤礦系統中，給出了一種面向煤礦應用的信息-物理融合系統模型（Cyber-Physical Systems model for Coal Mine application，CPSCM），該模型是在煤礦復雜環境下利用信息感知技術、計算處理和協同控制等技術構建信息-物理融合系統，一方面可以無處不在地實時獲取可靠的信息，另一方面可以通過系統的反饋環路對煤礦進行精確監測，所以用于煤礦系統的信息-物理融合系統可以有效消除安全隱患、降低事故發生率。

1 相關研究

信息-物理融合系統是近幾年新興的一個前沿性熱點領域[4-5]。美國和歐盟都在大力加強對信息-物理融合系統研究的資助，主要范圍包括基礎結構、基本理論、網絡基礎、技術應用等方面。國內外研究人員針對這一問題進行了大量研究[6-7]。在信息-物理融合系統結構研究方面，文獻[8]給出了信息-物理融合系統的抽象結構和實現架構，并分析了其運行方式和物理構成，以及分析了信息-物理融合系統與計算機系統、嵌入式系統、工業控制系統、無線傳感器網絡、物聯網、物理控制系統以及混雜系統的聯系，指出信息-物理融合系統在社會生活、分布式能源開發和建設、交通運輸、生物醫療、工業自動化、城市基礎設施建設等方面具有廣闊的應用前景；文獻[9]給出了一種信息-物理融合系統模型，主要是從實時任務調度與實時網絡來保證系統的實時性需求；文獻[10]給出了一種結合形式化方法與面向方面技術的信息-物理設計框架，并對該框架需解決的關鍵問題進行了分析，同時給出了可信信息-物理融合系統模型；文獻[11]從整體角度出發，對信息-物理融合系統特性、架構及挑戰進行了系統分析，并以電力能源行業為例進行了研究。在信息-物理融合系統應用案例方面，文獻[12]初步分析了信息-物理融合系統應用于電力、交通、醫療與航空航天等領域的現狀，并總結該類應用存在實時性、系統工程、系統建模與驗證、安全可靠性等問題需要解決。

2 CPSCM模型設計

2.1 CPSCM模型框架

用于煤礦系統的信息-物理融合系統的功能需求包括煤礦環境監測、自動預警及職能控制、應急救援、無線多媒體業務傳輸、設備儀表讀數讀取、機車無線定位與導航、人員定位與追蹤等。根據煤礦環境和功能需求，文中設計了一種用于煤礦系統的信息-物理融合系統模型（CPSCM），如圖1所示。該模型包括傳感器、執行器、控制處理單元與通信器件，其中為了提高系統的穩定性與可靠性，在物理系統與控制系統之間設有一個反饋環路。

圖1 CPSCM模型圖

所給CPSCM模型主要包括物理系統模塊、信息感知模塊、計算處理模塊、協同控制模塊和應用服務模塊等。其中，物理系統模塊主要包括嵌入式系統、混合系統、動態系統和分布式系統等物理系統；信息感知模塊主要是利用無線傳感器網絡和無線通信技術進行各類信息采集和傳輸；計算處理模塊主要是利用執行器對所收集信息進行計算處理后并作出相應響應；協同控制模塊主要是利用控制理論對匯聚節點傳輸的信息進行分析處理并向執行器發送相關指令；應用服務模塊主要根據執行器發出的指令對儀器設備狀態、風速、瓦斯濃度、饋電狀態等監測對象執行具體行動（比如指示燈亮、電鈴振響等）。

2.2 CPSCM模型工作流程

所給CPSCM模型的工作流程主要是：首先通過傳感器節點采集所需監測數據（比如瓦斯濃度、風速、儀器設備狀態、饋電狀態等），然后由執行器根據獲取的信息發出指令控制物理系統進行相應響應（比如報警、斷電、風機轉速、更改設備狀態等），同時也可通過匯聚節點將采集的信息傳輸至控制節點實現協同后，再發出相關指令至執行器控制各物理系統協同工作，最終形成一個自組織傳輸與智能控制的反饋環路。其工作流程圖如圖2所示。

2.3 CPSCM模型關鍵技術

圖2 CPSCM模型工作流程圖

物理信息融合系統要求時間控制精準且安全性高，但是由于用于煤礦系統的物理信息融合系統是在一種分散的環境下，無法在有效時間內收集足夠多的信息實現精確控制，因此將當前已有的分布式控制技術、無線傳感器網絡感知技術和通信技術仍面臨一些困難。目前，用于煤礦系統的物理信息融合系統應首要解決信息感知、計算處理和協同控制三個關鍵性技術。

1）信息感知技術。由于傳統的信息感知技術是在低潛在因素環境下，所以可以收集最新的數據并立即執行。但是基于CPS的信息感知技術的網絡化特性將會引發決策的不確定性，從而將導致執行器動作出現延遲執行的情況，有可能造成一些重大事故[13]。解決這一問題主要措施是：一是通過解決現實與虛擬的協作樣式來實現物理進程與計算進程之間的對應關系；二是無線傳感器網絡在采集融合過程中首先確定采集標準、響應時間的特性，然后反饋給物理層調節傳感器采集速率、改變傳感器類型增加采集信息量，并根據監測對象情況實施分級、分區斷電控制。同時也應注意信息的存儲和處理、數據的恢復和檢索等問題的解決。

2）計算處理技術。由于物理信息融合系統易受容錯、安全和分散控制等因素影響，使得其對計算處理能力有更高要求[14]，所以基于CPS的計算處理技術采用如下語義集成方法：首先詳細描述監測對象的物理屬性，然后據此重新定義計算方法與指令，最后使計算進程與物理實體動作形成映射關系。通過采用上述語義集成方法，可以使海量數據處理與命令執行快速準確，保證了物理信息融合系統的實時性與可靠性，且這種方式是在設計階段就考慮了軟件與硬件之間的交互，可很好地降低或避免系統錯誤。在軟件方面，一方面應著力發展操作系統、數據庫管理系統、中間件等基礎軟件；另一方面應根據系統的網絡化特性構建合適的框架用以開發開源的產品級工具軟件。在硬件方面，一方面嵌入式系統的設計應更加注重可預知性和可靠性，用以適應系統中有限的資源；另一方面嵌入式系統應采用多核架構并具有擴展IP與網絡通信接口的功能，同時要有硬件開發工具與軟件包支持，用以實現復雜的業務功能。

3）協同控制技術。由于傳統不確定決策模型[15]不適用于物理信息融合系統，所以用于煤礦系統的物理信息融合系統根據需求形成新的協同控制理論，主要包括多層協議操作、專用/共享備用路徑設計、業務快速回復、容錯管理與控制、檢測精度影響、自愈技術與可再生網絡模型等。由于當前大多控制理論是基于事件驅動的，計算機系統處理器是基于異步的，所以在物理信息融合系統中需要根據實際需求重新整合，才能實現計算、通信與協同控制。由于信息-物理融合系統要求計算進程與物理進程的交互需時間精確，所以在設計連續動態反饋環路與實時控制管理環路時，應考慮模式轉換、故障檢測、實時交互、系統的穩定性、瞬態響應與參數變化等。

3 實例分析

風電瓦斯閉鎖系統[16]主要是為了防止電氣設備引發瓦斯或煤塵燃燒爆炸，其主要作用是在局部通風機停止工作時，可以立刻斷開局部通風機供風巷道中全部電源，以避免停風或瓦斯濃度超出閾值[17]后因通電產生電火花，然后在瓦斯濃度低于安全閾值時恢復通電。基于信息-物理融合的風電瓦斯閉鎖系統如圖3所示。

該系統主要包括嵌入式系統、監測報警系統、感知系統、供電系統等子系統。系統通過嵌入式系統進行控制，采用3個本安電源給瓦斯傳感器[18]與風量開關進行供電，根據3個瓦斯傳感器收集的信息與2個開關量信號（風量開關量及局部通風機風量開關量），輸出4組繼電器觸點控制局部通風機風量開關、回風巷風量開關、工作面風量開關、串聯巷風量開關的開停，同時可將相關信息傳送到光電耦合器進行處理和整形，監測系統則根據輸出指令顯示通道與瓦斯濃度，或是聲光報警。采用該系統可以有效實施實時監控與應急處置，能有效避免特重大事故的發生，有效保障了煤礦生產安全和人員安全。

圖3 基于CPS的風電瓦斯鎖閉系統

4 建模驗證

風電瓦斯閉鎖系統應按照如下要求自動控制：當系統關閉時，瓦斯傳感器自動關閉；當系統開啟時，瓦斯傳感器自動開啟，如果煤礦內瓦斯濃度低于閾值時，則會在顯示器上顯示瓦斯濃度；如果煤礦內瓦斯超過閾值時，聲光報警器則會立即響應報警。其中，信息物理融合系統包含4種服務：1）感知型服務：主要用于獲取所處環境的數據，由于其按照一定時間間隔獲取采集數據[19]，所以需設置一個時鐘變量。例如瓦斯傳感器采集瓦斯濃度數據服務。2）計算型服務：主要用于判斷環境參數是否達到所設閾值。例如比較瓦斯濃度數值是否超出閾值。3）執行型服務：主要根據相關指令執行相應操作，用于控制所處環境。例如當瓦斯濃度超出閾值時，聲光報警器發出警報。4）通信型服務：主要用于對上述三種服務的信息交互。例如控制繼電器組發出相關指令。

由于風電瓦斯閉鎖系統包含n個上述所列四類服務，因此該系統的服務模型建立如下式（1）所示：

其中，Nf表示系統整體服務名稱，表示系統中所有服務之間的交互情況，表示每個服務時間自動機所組成的自動機網絡。下表1給出了該系統各種服務的具體描述。

表1 風電瓦斯閉鎖系統服務描述

采用Uppaal驗證風電瓦斯閉鎖系統服務的失效正確性，主要驗證安全性（系統不會進入錯誤運行狀態）、可達性（系統能運行到所期望的狀態）、系統活性（期望事件最終能發生）、時間約束（期望的某種行為必須滿足所規定的時間約束條件）4種性質。Uppaal的驗證語法如式（2）所示：

其中，A[]p表示全部路徑的全部狀態均滿足p，E＜＞p表示部分路徑存在狀態滿足p，A＜＞p表示全部路徑均存在狀態滿足p，E[]p表示部分路徑的全部狀態均滿足p。所給系統驗證結果如圖4所示。

圖4 系統實例性質驗證結果

從圖4可以看出，存在路徑A[]not deadlock，表明系統不會出現死鎖，則可驗證系統安全性；存在路徑E＜＞display.gas_on，表明系統可通過顯示器顯示瓦斯濃度，則可驗證可達性；存在路徑gas.con＞=0.3→gascon.belllight_on，表明系統最終可達到聲光報警器報警狀態，則可驗證系統活性；存在路徑 gas.inc→gascon.belllight_on and time.c＜=5，表明系統在規定時間內可及時觸發聲光報警器報警，則可驗證系統時間約束條件。

5 結束語

所給CPSCM模型是基于煤礦復雜環境下，建立的自動化和智能化的煤礦監測系統[20]，該模型應著力研究信息感知、計算處理與協同控制三項關鍵性技術，通過風電瓦斯閉鎖系統進行實例分析和闡述，并進行了建模驗證。由實例分析可以看出，用于煤礦系統的信息-物理融合系統可以有效保障安全生產、降低事故發生率，且能滿足突發事故救援需求，同時通過建模分析也驗證了所給模型的有效性。因此，信息-物理融合系統可用于各種生產實踐，有利于所在領域的信息化發展，具有較好的理論研究價值和實際推廣應用價值。