葉桐舟，孫 林，李敬兆

(1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.山東能源臨沂礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 新驛煤礦，山東 臨沂 276017)

0 引 言

隨著“中國制造 2025”和“兩化”融合發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以及數(shù)字化車間的建立和智能制造下信息技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步推動了工業(yè)智能化的浪潮[1]。在智能化的潮流之下，結(jié)合“礦山+物聯(lián)網(wǎng)”的建設(shè)理念，“智慧礦山”的概念最終確立?！爸腔鄣V山”依靠成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)，建立礦山數(shù)據(jù)信息的精確采集、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸和智能化應(yīng)用的礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[2-4]。其目的是在礦山的復(fù)雜條件下，對礦山環(huán)境、作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集中管理和實時監(jiān)控，最終實現(xiàn)礦山無人化[3-5]。文獻(xiàn)[6-8]指出“智慧礦山”是當(dāng)今礦山進(jìn)行生產(chǎn)與建設(shè)的方向，但由于前期礦山建設(shè)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得礦山現(xiàn)有系統(tǒng)中存在著諸多問題。文獻(xiàn)[9-12]指出在礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，礦山中的各系統(tǒng)為了應(yīng)對礦山復(fù)雜環(huán)境以及設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，使得各系統(tǒng)之間相對獨立。這種系統(tǒng)的相對獨立，使得各項數(shù)據(jù)只能在閉環(huán)系統(tǒng)中傳遞，形成一個個數(shù)據(jù)孤島。所需數(shù)據(jù)存在于各個獨立的系統(tǒng)并相互耦合，降低了數(shù)據(jù)的使用效率，不利于礦山數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，造成大量的數(shù)據(jù)丟失浪費[13-15]。由于礦山作業(yè)設(shè)備種類多，系統(tǒng)之間信息傳輸接口不統(tǒng)一[16-17]，以至于在一個系統(tǒng)中會同時存在多種的數(shù)據(jù)傳輸方式[18]。從而使物理實體與信息系統(tǒng)之間交互不暢，影響到了礦山物聯(lián)網(wǎng)作用的進(jìn)一步發(fā)揮。

為解決上述問題，在分析礦山物聯(lián)網(wǎng)信息與物理交互系統(tǒng)上，引入Petri網(wǎng)的概念對礦山物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層進(jìn)行建模。發(fā)揮Petri網(wǎng)在離散事件動態(tài)系統(tǒng)上的建模優(yōu)勢[19-20]，通過對礦山物聯(lián)網(wǎng)Petri網(wǎng)模型中關(guān)系結(jié)構(gòu)的分析，提出并發(fā)組合的思想方法，分析礦山不同系統(tǒng)中的信息處理與物理實體的交互情況，對礦山物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層優(yōu)化，設(shè)計感傳層硬件結(jié)構(gòu)模型，建立感知層分布式數(shù)據(jù)傳遞、傳輸層有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)并存的結(jié)構(gòu)模式和應(yīng)用層平行數(shù)據(jù)庫和礦山綜合管理平臺。

1 Petri網(wǎng)與礦山物聯(lián)網(wǎng)

1.1 Petri網(wǎng)基本原理

利用Petri網(wǎng)對離散事件建模分析的優(yōu)勢，將其運用于分析數(shù)據(jù)流與控制流在礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳遞。針對礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用五元組Petri網(wǎng)絡(luò)，即：PN=(P,T,I,O,M)，其中：

1)P= {P1,P2,…,Pn}表示元素庫所，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中用圓圈表示，用于描述礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存儲或流動的各種數(shù)據(jù)參數(shù)和控制指令。例如，感知層中各節(jié)點采集到的實時礦山數(shù)據(jù)、傳輸層中通過網(wǎng)絡(luò)傳遞的指令和數(shù)據(jù)信息、應(yīng)用層中存儲的數(shù)據(jù)或下達(dá)的指令等。

2)T= {T1,T2,…，Tm}表示元素變遷集，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中使用矩形框或條棒表示，用于描述礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生數(shù)據(jù)變化或狀態(tài)映射的節(jié)點。

3)I(P,T):P×T→N表示輸入有向弧函數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中表示為由元素庫所P指向變遷集T的有向線段；O(T,P):P×T→N表示輸出有向弧函數(shù)，則為由變遷集T指向元素庫所P的有向線段。輸入I和輸出O用于描述礦山物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)參數(shù)和指令信息的傳播方向。

4)M：稱作標(biāo)識，M0表示初始標(biāo)記。變遷Tj?T，只有在標(biāo)記M(Pi)≥I(Pi,Tj)，?Pi∈Tj時，變遷Tj才能被激活，同時Tj會被賦予新的標(biāo)記M′(Pi)=M(Pi)+O(Tj,Pi)-I(Pi,Tj) ，?Pi∈P。通過標(biāo)識M對Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.2 Petri網(wǎng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)特性

結(jié)合Petri 網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性搭建礦山物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性包括順序關(guān)系、并發(fā)關(guān)系、沖突關(guān)系和混惑關(guān)系。Petri網(wǎng)基本關(guān)系如圖1所示。

圖1 Petri網(wǎng)基本關(guān)系示意Fig.1 Basic relation of Petri net

1)順序關(guān)系。Petri網(wǎng)絡(luò)中最為基本的關(guān)系，表示事件發(fā)生的先后關(guān)系。順序關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1a所示。在礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，用于描述數(shù)據(jù)信息在物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的數(shù)據(jù)映射關(guān)系和應(yīng)用層管理平臺制定決策的過程。

2)并發(fā)關(guān)系。各元素庫所之間相互獨立，即庫所對應(yīng)的事件同時發(fā)生且互不影響。并發(fā)關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1b所示。用于描述感知層中各感控節(jié)點并行收發(fā)數(shù)據(jù)和傳輸層中數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

3)沖突關(guān)系。表示兩個事件同時發(fā)生相互排斥，但是只有一個事件能夠發(fā)生通過變遷，也表示為兩個事件的競爭關(guān)系。沖突關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1c所示。在礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中沖突關(guān)系普遍存在，例如，感知層中的感控節(jié)點，由于節(jié)點中各傳感器時時刻刻都在產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但是節(jié)點控制器讀取數(shù)據(jù)存在延遲和先后順序，從而造成了數(shù)據(jù)之間的沖突關(guān)系。因此要盡可能地避免或減少沖突的數(shù)量和程度，以提高系統(tǒng)的實時性。

4)混惑關(guān)系。是包含了順序關(guān)系、并發(fā)關(guān)系以及沖突關(guān)系的復(fù)合關(guān)系模型，這種關(guān)系產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)及其環(huán)境的分割不正確?；旎箨P(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1d所示。在礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，混惑關(guān)系主要存在于感知層中，由于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘，導(dǎo)致了不同的感控節(jié)點對同一數(shù)據(jù)參數(shù)的重復(fù)采集，造成了數(shù)據(jù)的冗余，增加了應(yīng)用層的處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。因此，混惑結(jié)構(gòu)也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中必須消除的。

1.3 分層Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)Petri網(wǎng)的基本原理和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合礦山物聯(lián)網(wǎng)的實際情況，分別建立物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層Petri網(wǎng)模型。

1.3.1 感知層節(jié)點模型

感知層由感知控制節(jié)點組成，用于數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制，是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基石，也是實現(xiàn)系統(tǒng)信息與物理交互的核心。感知層Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

1)節(jié)點內(nèi)部沖突關(guān)系。節(jié)點T11的標(biāo)記M′(T11)計算公式為

(1)

M′(T11)=M0(T11)+n-1

(2)

由于礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(T11,T12,…,T1n)采集多類型數(shù)據(jù)參數(shù)(P11,…,P1n)的模式(n>1)。

M′(T11)>M0(T11)

(3)

即在Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為沖突關(guān)系。

2)節(jié)點內(nèi)部混惑關(guān)系。由于主控制器對各類傳感器依次進(jìn)行訪問并將數(shù)據(jù)匯總后上傳，同時接受來自控制中心的控制信號使各傳感器與設(shè)備之間產(chǎn)生競爭關(guān)系。由于礦山物聯(lián)網(wǎng)各系統(tǒng)之間相互獨立，跨系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)較為困難，導(dǎo)致在感知層存在數(shù)據(jù)參數(shù)被不同系統(tǒng)重復(fù)采集的現(xiàn)象。在Petri模型中表現(xiàn)為混惑關(guān)系。在傳統(tǒng)礦山物聯(lián)網(wǎng)交互模型中存在輸入函數(shù)I(P1j,T12)和I(P1j,T1n)，即同一元素庫所指向多個變遷集的結(jié)構(gòu)。

1.3.2 傳輸層網(wǎng)絡(luò)模型

礦山物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，主要由各種數(shù)據(jù)交換節(jié)點組成。通過交換節(jié)點完成數(shù)據(jù)參數(shù)和控制指令的在兩種傳輸方式之間的狀態(tài)映射，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同傳輸介質(zhì)中的傳遞。傳輸層Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 傳輸層Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Petri net structure model of transport layer

其中，元素變遷集包含：有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換節(jié)點{T21,T22，…,T2n}，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫入口T31，系統(tǒng)指令出口T41；元素庫所包含：感知層節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)信息和接收的控制指令{P21,P22，…,P2n}，光纖環(huán)網(wǎng)中傳遞的數(shù)據(jù)參數(shù)和控制信息{P41,P42，…,P4n}。

傳輸網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)上傳時表現(xiàn)為不斷匯聚的過程，而在指令的下達(dá)表現(xiàn)為廣播發(fā)散的過程。由于礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在中設(shè)備主控制器通信方式不同現(xiàn)象，為實現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作，必須為其建立單獨的數(shù)據(jù)交換節(jié)點T2n，造成了傳輸資源的浪費，也增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，不利于信息與物理之間的交互。

1.3.3 應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用層Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，應(yīng)用層的決策平臺采用順序結(jié)構(gòu)。

圖4 應(yīng)用層Petri網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Petri net structure model of application layer

其中：元素變遷集有數(shù)據(jù)庫入口T3n、有效數(shù)據(jù)提取操作T5n、控制決策產(chǎn)生過程T6n和控制指令出口T4n；元素庫所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫P6n、系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)P7n和控制指令P5n。由于感知層工作模式的限制，使得系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的大量環(huán)境、設(shè)備和人員信息數(shù)據(jù)混雜在一起難以區(qū)分，增加了管理平臺提取系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)的難度，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率低下。由于系統(tǒng)間相對獨立，形成控制閉環(huán)，從而無法實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享，不利于數(shù)據(jù)的集中管理和設(shè)備的精細(xì)化管理。

1.4 構(gòu)建礦山物聯(lián)網(wǎng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型

礦山物聯(lián)網(wǎng)模型的建立是一個自下而上的過程：①確定感知層中感控節(jié)點的數(shù)量和每個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)種類，建立感知層節(jié)點模型；②分析系統(tǒng)中不同傳輸方式之間的數(shù)據(jù)交互過程。以交互節(jié)點為元素變遷集，以數(shù)據(jù)傳輸方向為變遷集的輸入輸出，建立傳輸層網(wǎng)絡(luò)模型；③分析應(yīng)用層控制指令的產(chǎn)生過程建立順序結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型；④沿著數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，將感知層?jié)點模型、傳輸網(wǎng)絡(luò)模型和應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型，通過串并聯(lián)的方式有機地組合起來，最終構(gòu)建出如圖5所示的礦山物聯(lián)網(wǎng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型。礦山物聯(lián)網(wǎng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)勢在于：Petri網(wǎng)絡(luò)直觀地展現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息在各個節(jié)點之間的傳播、交換和匯聚；通過尋找網(wǎng)絡(luò)中的各種關(guān)系結(jié)構(gòu)，檢視圍繞變遷集的輸入輸出關(guān)系，查找潛在的結(jié)構(gòu)矛盾，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖5 礦山物聯(lián)網(wǎng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Petri net model of mine Internet of things

2 礦山物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)優(yōu)化

礦山物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)的優(yōu)化是一個自上而下的過程。始于應(yīng)用層，途經(jīng)傳輸層，最終落實在感知層；從信息傳輸結(jié)構(gòu)到物理應(yīng)用實體。針對傳統(tǒng)礦山物聯(lián)網(wǎng)信息與物理交互所存在的問題，結(jié)合并發(fā)組合的思想，從以下2個方面對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 礦山物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合傳統(tǒng)礦山物聯(lián)網(wǎng)交互模型，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建礦山物聯(lián)網(wǎng)分布式分級自治模型。

2.1.1 應(yīng)用層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在原有應(yīng)用層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建應(yīng)用層優(yōu)化模型如圖6所示。

圖6 應(yīng)用層優(yōu)化模型Fig.6 Application layer optimization model

1)建立礦山平行數(shù)據(jù)庫(P51,P52，…,P5i,P5n)，使感知層上傳的數(shù)據(jù)按類別存儲在不同的數(shù)據(jù)庫中。例如，將礦山環(huán)境數(shù)據(jù)、人員管理數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)分別存儲在3個平行的數(shù)據(jù)庫中。相比于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中閉環(huán)式的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，礦山平行數(shù)據(jù)庫將原有數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整合分類，實現(xiàn)礦山海量數(shù)據(jù)的分類存儲，大幅縮短了數(shù)據(jù)提取和查詢(T51,T52，…,T5i,T5n)所需的時間，為礦山綜合管理平臺(T41)的建立打下基礎(chǔ)。

2)建立礦山綜合管理平臺。礦山綜合管理平臺(T41)在礦山平行數(shù)據(jù)庫(P51,P52，…,P5i,P5n)的基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一處理(P71)，并針對每個感控節(jié)點(T11,T12,…,T1n)制定控制策略(P61,P62,…,P6n)。礦山綜合管理平臺打破了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)了礦山設(shè)備的跨層、跨系統(tǒng)精細(xì)化管理

3)建立平行數(shù)據(jù)庫入口(T31,T32，…,T3i,T3n)和控制指令出口(T61,T62，…,T62,T6n)。數(shù)據(jù)庫獨立入口實現(xiàn)了感知層數(shù)據(jù)到應(yīng)用層數(shù)據(jù)庫的精確投遞，避免了數(shù)據(jù)集中上傳后再篩選的過程?？刂浦噶畛隹谥赶蚋兄獙庸?jié)點的物理地址，使控制指令精確到達(dá)每個節(jié)點。

2.1.2 傳輸層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，建立傳輸層優(yōu)化模型如圖7所示。

圖7 傳輸層優(yōu)化模型Fig.7 Transport layer optimization model

1)建立礦山無線傳輸通道，在礦山各處建立無線網(wǎng)絡(luò)基站(T22)，支撐起礦山無線傳感網(wǎng)絡(luò)，為感知層分布式節(jié)點打下通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

2)建立統(tǒng)一的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)(P21,…,P22)。在保證傳輸質(zhì)量的同時，減少了網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(T21)的種類和數(shù)量，簡化了數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。

2.1.3 感知層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在原有感知層節(jié)點模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建感知層優(yōu)化模型如圖8所示。

1)在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)交互模型的基礎(chǔ)上，新增分布式感知節(jié)點(T1i，T1j)。用于分擔(dān)原有感控節(jié)點的數(shù)據(jù)采集壓力，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的一對一采集。優(yōu)化后感控節(jié)點(T11)的標(biāo)簽變化公式為

(4)

顯然，

M′(T11)=M0(T11)

(5)

通過增加感知層節(jié)點數(shù)量，有效消除傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)感控節(jié)點中的沖突關(guān)系。

2)為每個感知層節(jié)點和感控節(jié)點分配1個獨立的物理地址。建立礦山數(shù)據(jù)、節(jié)點物理地址和數(shù)據(jù)庫地址3者的一一對應(yīng)關(guān)系，從而避免同一數(shù)據(jù)參數(shù)的重復(fù)采集，杜絕潛在的混惑關(guān)系。實現(xiàn)數(shù)據(jù)精確溯源，指令準(zhǔn)確下達(dá)。通過礦山數(shù)據(jù)的分類采集、精確投遞，從而實現(xiàn)減少沖突關(guān)系和杜絕混惑關(guān)系的目的。

2.2 感傳層硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

對傳統(tǒng)礦山物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，建立了礦山信息與物理并發(fā)交互模型，通過系統(tǒng)頂層設(shè)計打通了礦山物聯(lián)網(wǎng)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘，理清了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿}絡(luò)。感傳層硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化是為了解決礦山物聯(lián)網(wǎng)底層信息與物理交互不暢的問題。在礦山物聯(lián)網(wǎng)的感知層與傳輸層之間建立傳感節(jié)點接口模塊統(tǒng)一設(shè)備接口，并選用RS-485有線通信網(wǎng)絡(luò)和LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建統(tǒng)一接口的體系架構(gòu)。

2.2.1 傳感節(jié)點接口模塊設(shè)計

為保障應(yīng)用層節(jié)點在系統(tǒng)中的通用性與靈活性，設(shè)計傳感節(jié)點接口模塊。傳感節(jié)點接口模塊結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 傳感節(jié)點接口模塊結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of sensor node interface

傳感節(jié)點接口模塊包含輸入輸出端口、主控芯片、電源模塊、通信模塊。傳感節(jié)點接口模塊存在2種應(yīng)用場景：①無線感知節(jié)點。傳感節(jié)點接口模塊的輸出端口只與感知層中的傳感器相連，有線通信模塊保留。依托LoRa自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫入口地址，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在物理地址與數(shù)據(jù)地址之間的精確傳遞。②有線感控節(jié)點。當(dāng)傳感節(jié)點接口模塊與復(fù)雜機械設(shè)備相連時，節(jié)點輸入輸出端口通過轉(zhuǎn)換芯片與被控設(shè)備上的通信接口相連。此時，模塊起到數(shù)據(jù)交換節(jié)點的作用，完成不同傳輸方式之間的狀態(tài)映射，實現(xiàn)有線通信方式的統(tǒng)一。

2.2.2 傳輸層通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1)有線傳輸網(wǎng)絡(luò)。為了保證數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)的實時性，有線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用RS-485總線傳輸方式。采用全雙工配置模式，允許主從節(jié)點雙向同時通信。主節(jié)點為中繼器或是光交換機，從節(jié)點為傳感節(jié)點接口模塊。RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議電纜干線通常終端匹配120 Ω的電阻，線纜的末尾處各一個。同時分支節(jié)點距離總線的距離應(yīng)滿足：

LStub≤trvc/10

(6)

式中：LStub為最大分支長度；tr為驅(qū)動器上升沿時間;v為信號在電纜上傳輸?shù)乃俾氏鄬τ诠馑俚谋嚷?c為光速。

2)無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在礦山各處布置LoRa通信基站，建立起LoRa自組網(wǎng)絡(luò)。通過對礦山物聯(lián)網(wǎng)感傳層的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)對各節(jié)點的定位感知與精確定位以及傳輸路徑的優(yōu)化和通信接口的統(tǒng)一。建立感傳層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 感傳層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.10 Network structure of sensing layer

3 礦山帶式輸送系統(tǒng)優(yōu)化

通過對礦山帶式輸送系統(tǒng)的優(yōu)化實例，對應(yīng)用層優(yōu)化模型、傳輸層優(yōu)化模型和感知層優(yōu)化模型的優(yōu)化效果進(jìn)行驗證。

3.1 構(gòu)建礦山帶式輸送系統(tǒng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型

礦山帶式輸送機運輸線路較長，運輸線路上由多組帶式輸送機組成。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要對帶式輸送機運行參數(shù)、傳輸帶上物料的運輸量和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，對帶式輸送機的運行狀態(tài)進(jìn)行控制。采用礦山物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點模型、傳輸層網(wǎng)絡(luò)模型和應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合礦山帶式輸送系統(tǒng)實際工作情況，建立礦山帶式輸送系統(tǒng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型如圖11所示。礦山帶式輸送系統(tǒng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型中各元素庫所和元素變遷的代號所表示的具體含義見表1。

表1 Petri網(wǎng)模型中庫所和變遷代號含義Table 1 The meaning of library place and transition code in Petri net model

圖11 礦山帶式輸送系統(tǒng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型Fig.11 Petri net model of mine belt conveyor system

為研究帶式輸送系統(tǒng)的時效性，賦予網(wǎng)絡(luò)中的輸入輸出函數(shù)以相應(yīng)的時間參數(shù)，如表2賦時輸入輸出函數(shù)含義表。

表2 賦時輸入輸出函數(shù)含義Table 2 Meaning of timed I/O function

1)感知層。以帶式輸送機主控制器為核心，依次采集各類傳感器采集帶式輸送機的各類參數(shù)并打包上傳，同時接收管理平臺的控制信號，節(jié)點完成一個控制周期所需時間t1可表示為：

t1=∑αn+γ+2β

(7)

2)傳輸層。由于設(shè)備不斷更新?lián)Q代，帶式輸送系統(tǒng)中存在多種不同主控制器(T11,T12)和通信接口(T21,T22)的現(xiàn)象，增加了帶式輸送機之間協(xié)同控制的難度。3)應(yīng)用層。感控節(jié)點(T11,T12)采集的數(shù)據(jù)匯集存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，使系統(tǒng)皮帶機運行參數(shù)、流量參數(shù)和環(huán)境參數(shù)混雜在一起，給應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分類處理帶來額外負(fù)擔(dān)。應(yīng)用層產(chǎn)生節(jié)點控制指令所需時間為

t2=ε+φ+ω

(8)

3.2 礦山帶式輸送機優(yōu)化模型

采用應(yīng)用層優(yōu)化模型、傳輸層優(yōu)化模型和感知層優(yōu)化模型，在礦山帶式輸送系統(tǒng)Petri網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，建立帶式輸送機系統(tǒng)并發(fā)交互模型如圖12所示。

圖12 礦山帶式輸送系統(tǒng)并發(fā)交互模型Fig.12 Concurrent interactive model of mine belt transportation system

1)感知層采用感知層優(yōu)化模型，在原有有線感控節(jié)點(T11,T12)的基礎(chǔ)上新增無線感知節(jié)點(T7n)，實現(xiàn)分布式的無線節(jié)點，對系統(tǒng)中環(huán)境參數(shù)和流量參數(shù)進(jìn)行采集。在減輕有線感控節(jié)點控制壓力的同時，實現(xiàn)節(jié)點物理地址與系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的一一對應(yīng)。

(9)

縮短了節(jié)點的控制周期，提高了節(jié)點采集數(shù)據(jù)的效率和系統(tǒng)實時性。

2)傳輸層采用傳輸層優(yōu)化模型。在礦山各處建立LoRa無線網(wǎng)絡(luò)基站的同時，通過傳感節(jié)點接口模塊統(tǒng)一有線通信方式，建立系統(tǒng)傳輸層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 礦山帶式輸送機系統(tǒng)感傳層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure diagram of sensing layer network of mine belt conveyor system

3)在應(yīng)用層建立n個并行數(shù)據(jù)庫(P5n)，感知層節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，通過平行數(shù)據(jù)庫入口地址(T3n)直接進(jìn)入到指定庫中。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類存儲和集中統(tǒng)一管理集中統(tǒng)一管理，使得篩選有效數(shù)據(jù)的時間變?yōu)樵瓉淼?/n，大幅縮短了應(yīng)用層的反應(yīng)時間，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實時性。

由于傳感節(jié)點接口模塊統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)與設(shè)備的對應(yīng)，提高了設(shè)備之間協(xié)同工作能力，為實現(xiàn)礦山設(shè)備的精細(xì)化管理。

4 結(jié) 論

1)運用Petri網(wǎng)對礦山物聯(lián)網(wǎng)各層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析與定量計算，建立了各層信息交互模型并查找出模型結(jié)構(gòu)中存在的沖突和混惑關(guān)系。

2)采用分層并發(fā)組合的思想，對礦山物聯(lián)網(wǎng)各層的數(shù)據(jù)傳輸路徑和節(jié)點進(jìn)行拆分和重組，構(gòu)建分層優(yōu)化模型，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的優(yōu)化，避免了結(jié)構(gòu)的沖突與混惑；針對優(yōu)化后的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了系統(tǒng)接口統(tǒng)一規(guī)范，搭建了傳感接口模塊，打通了礦山信息與物理之間的交互通道。

3)利用Petri網(wǎng)構(gòu)建礦山皮帶傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模型，采用分層優(yōu)化模型和系統(tǒng)接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。通過對比優(yōu)化前后系統(tǒng)信息交換所需時間，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)的使用效率與系統(tǒng)實時性，證明了礦山物聯(lián)網(wǎng)分層優(yōu)化模型和傳感接口模塊的實用性和可行性。