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        煤礦信息物理融合系統(tǒng)的模型與技術(shù)研究

        2018-01-25 10:52:38張文
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2018年1期

        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,通過在設(shè)備中嵌入一定的計(jì)算和通信功能,運(yùn)用無線傳感器網(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),通過調(diào)節(jié)傳感器采集的速度來增加采集的信息量。

        計(jì)算技術(shù)。煤礦CPS需要有效的模型和計(jì)算邏輯。通過語義集成方法,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來說,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

        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)科研理論帶來巨大的價(jià)值。

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