基于CPS的軍隊油庫管理系統(tǒng)研究

何明星，王麗娜，孫希艷

(冶金自動化研究設(shè)計院，北京100071)

基于CPS的軍隊油庫管理系統(tǒng)研究

何明星，王麗娜，孫希艷

(冶金自動化研究設(shè)計院，北京100071)

當(dāng)前軍隊油庫的設(shè)備信息管理多為分布式總線型通訊，通訊速率低且接口不統(tǒng)一，管理效率較低，不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。該文提出一種基于語義標(biāo)簽的軍隊油庫CPS架構(gòu)，建立了設(shè)備互聯(lián)的物理通訊網(wǎng)絡(luò)，定義互操作的語義標(biāo)簽，構(gòu)建了自主決策的管理控制策略，提高了系統(tǒng)對各種作業(yè)的自適應(yīng)能力，有力地保障了軍隊油庫的安全供應(yīng)。

軍隊油庫；CPS；語義標(biāo)簽；自主決策

軍隊的油庫是重要的戰(zhàn)略和戰(zhàn)備單位，在日常的訓(xùn)練和維護(hù)中向各作戰(zhàn)單位提供燃料保障戰(zhàn)斗單元的正常運轉(zhuǎn)。現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭是信息化水平的較量，而當(dāng)前的軍隊油庫的設(shè)備技術(shù)水平參差不齊，因此存在較多的管理問題，主要有：(1)多種設(shè)備或傳感器尚未實現(xiàn)信息互聯(lián)，只能執(zhí)行本地的查看和操作；(2)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)僅限于數(shù)據(jù)的顯示和存儲，設(shè)備與設(shè)備之間的未實現(xiàn)連接；(3)數(shù)據(jù)的存儲和分析由中心服務(wù)器執(zhí)行，各信息單元沒有自主的分析和處理能力。

由于戰(zhàn)備的需要，軍隊油庫與一般民用油庫有很多的不同，軍隊油庫的測量設(shè)備要求安全可靠性高，操作簡便、自動化程度高，軍隊的油庫油品數(shù)量大、種類多、收發(fā)油操作頻繁，軍隊油庫的日報、周報、月報等要及時準(zhǔn)確，以便于掌握當(dāng)前的存儲收發(fā)情況進(jìn)行戰(zhàn)備物料的調(diào)撥。

為提高軍隊油庫應(yīng)對戰(zhàn)備訓(xùn)練的反應(yīng)速度，必須要改進(jìn)軍隊油庫設(shè)備的信息化水平，增強油料管理的執(zhí)行效率，便于軍隊各部門實時掌握油料信息，并以數(shù)據(jù)分析結(jié)果為依據(jù)做出合理的決策。本文提出了基于物理信息融合CPS(Cyber Physical Systems)的軍隊油庫管理模型，將軍隊油庫的管理模型由原有的設(shè)備和數(shù)據(jù)管理升級成為一個由生產(chǎn)力流、物料流和信息流組合的整體，實現(xiàn)對軍隊油庫的整體管控。

1 方案設(shè)計

CPS是指以當(dāng)前設(shè)備為基礎(chǔ)，在生產(chǎn)物理系統(tǒng)中引入嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，使原有系統(tǒng)的各設(shè)備節(jié)點具有計算、通訊、感知的能力，通過具體應(yīng)用的建模和決策，使原系統(tǒng)具有自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能，從而達(dá)到改善系統(tǒng)自動化程度、提高效率的目的。

構(gòu)建軍隊油庫CPS系統(tǒng)分為三個部分，第一部分要實現(xiàn)現(xiàn)有的電動設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器、測量儀表的升級改造，引入網(wǎng)絡(luò)接口，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的互通互聯(lián)，第二部分根據(jù)業(yè)務(wù)的操作流程和信息流的處理方式，將物理設(shè)備與信息點進(jìn)行映射定義，第三部分制定軍隊油庫的語義標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，滿足油庫信息的作業(yè)要求，實現(xiàn)油庫設(shè)備的協(xié)同工作和輔助決策。

圖1 軍隊CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軍隊油庫的CPS系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，按不同的總線類型將油庫的所有設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接后，分別進(jìn)入CPS網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)重新打包整理，建立起完整的設(shè)備互通網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)備網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，將所有信息進(jìn)行歸類，并定義不同的設(shè)備標(biāo)簽，完成設(shè)備環(huán)境到信息環(huán)境的切換，為保證安全在鏈路層還須引入隔離防火墻、網(wǎng)閘等安全裝置。最后設(shè)計面向用戶的數(shù)據(jù)處理和分析模型，并提供人機界面，使用戶操作更加簡便易用。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 軍隊油庫CPS信息單元

當(dāng)前的軍隊油庫中的電氣設(shè)備來自眾多的設(shè)備制造商，集成化程度低且互不兼容，傳感器及設(shè)備主要為執(zhí)行上位機的控制命令，設(shè)備的狀態(tài)獲取速度低，實時性較低，因此基礎(chǔ)設(shè)施的沒有自主的感知和決策能力難以實現(xiàn)CPS系統(tǒng)復(fù)雜的設(shè)備操作。

圖2 CPS信息單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

軍隊油庫的CPS信息單元如圖2所示，將油庫系統(tǒng)中的所有設(shè)備均進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通，連接方式分為有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸兩類，有線網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)主信道為WIFI，近距離無線數(shù)據(jù)采集為RFID。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)支持MOD?BUS及工業(yè)以太網(wǎng)等通訊協(xié)議，完成設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。在傳輸網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)不同的功能，軍隊油庫定義了四種功能節(jié)點：

1)信息節(jié)點。信息節(jié)點是用來采集數(shù)據(jù)的嵌入式設(shè)備管理器，包括傳感器、RFID收發(fā)器、總線節(jié)點數(shù)據(jù)器、動力設(shè)備接口等，信息節(jié)點一般不進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，但其數(shù)據(jù)格式可通過XML進(jìn)行配置。

2)通訊節(jié)點。通訊節(jié)點用來將原有數(shù)據(jù)總線或儀表寄存器數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化成CPS系統(tǒng)的兩種標(biāo)準(zhǔn)鏈路，并時行必要的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化。軍隊油庫CPS支持RS232，RS485、CAN總線、USB及以太網(wǎng)五種網(wǎng)絡(luò)接口的對接。

3)執(zhí)行節(jié)點。執(zhí)行節(jié)點將對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行直接操作，它一般含有相應(yīng)的動力驅(qū)動機構(gòu)，如閥門執(zhí)行器、變頻器、壓力控制開關(guān)等，執(zhí)行節(jié)點不但要保證網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的操作命令可以得到迅速準(zhǔn)確的執(zhí)行，而且還要在操作完成之后向命令源回復(fù)確認(rèn)響應(yīng)。

4)策略節(jié)點。策略節(jié)點用來完成一定量的數(shù)據(jù)運算或邏輯組合控制功能，如控制液位的多段式油位補充控制，恒壓的PID控制算法，油路切換閥門的聯(lián)動等。策略節(jié)點一般不單獨使用，必須有相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點作為控制對象。

在這幾類節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點與節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答采用智能Agent方式，通訊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以劃分可以在一個虛擬的子網(wǎng)中運行，降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量。軍隊油庫CPS系統(tǒng)同時提供一個OPC接口，當(dāng)外部系統(tǒng)需要訪問CPS內(nèi)部的信息時，通過OPC連接已經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)項。軍隊油庫的信息單元網(wǎng)絡(luò)具有靈活度高、功能完備的特點，各種信息單元構(gòu)成了軍隊油庫CPS的基礎(chǔ)。

2.2 語義標(biāo)簽?zāi)Ｐ?/h3>

在傳統(tǒng)的軍隊油庫系統(tǒng)中，服務(wù)器通過工業(yè)現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)接口獲取設(shè)備的信息，網(wǎng)絡(luò)的中信息交換是以設(shè)備的實體對象屬性為交換介質(zhì)，要求信息者向持有信息者發(fā)出請求，被控對象將請求的信息返回，信息的內(nèi)容則物理實體的狀態(tài)。對于軍隊油庫的CPS系統(tǒng)，在物理環(huán)境的基礎(chǔ)上需構(gòu)建一個信息交換的環(huán)境，從系統(tǒng)的角度看，在信息環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間交換的是信息對象，而信息對象則定義為設(shè)備的響應(yīng)、開關(guān)控制、狀態(tài)的反饋等，而信息對象則構(gòu)成了軍隊油庫CPS系統(tǒng)的主體。

為將網(wǎng)絡(luò)對象統(tǒng)一化，采用語義標(biāo)簽的形式進(jìn)行定義，軍隊油庫的語義模型如圖3所示。

圖3 語義標(biāo)簽?zāi)Ｐ?/p>

通過對軍隊油庫的設(shè)備進(jìn)行分析總結(jié)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的語義標(biāo)簽分為三個子段，第一子段為節(jié)點的基本信息，如編號、型號、序號等，第二子段為功能信息，要設(shè)置的狀態(tài)，要存取的寄存器，要執(zhí)行的邏輯等等，第三子段為存儲信息，即為序列化后的信息，如歷史信息、運行日志等。

因此，軍隊油庫系統(tǒng)的語義標(biāo)簽定義為：

其中KPN代表的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的邏輯信息，對其形式化定義，則有：

式2中P為集合定義，T為轉(zhuǎn)移定義，F(xiàn)邏輯定義，I為映射關(guān)系，M為零狀態(tài)。

通過語義標(biāo)簽的定義，軍隊油庫的CPS系統(tǒng)可實現(xiàn)任意維度的信息的組合，實現(xiàn)對信息環(huán)境的獨立管控。

2.3 軍隊油庫的管控模型

軍隊油庫的策略管控模型的任務(wù)是改變原系統(tǒng)的信息自下向上流動的方式，實現(xiàn)設(shè)備之間的互相感知，作業(yè)時可進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，處理突出事件時自主決策。針對軍隊油庫高安全性高可靠性的要求，管控策略結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 語義標(biāo)簽?zāi)Ｐ?/p>

制定的管控策略有：

1)信息節(jié)點只實現(xiàn)自身感知和匹配感知，如果已定義設(shè)備組，只在設(shè)備組內(nèi)響應(yīng)感知的要求，降低通信開銷，如果處于管控狀態(tài)，則只進(jìn)行自我感知。

2)協(xié)商與調(diào)度機制。進(jìn)行協(xié)調(diào)工作之前，策略節(jié)點須先成配置文件，將各節(jié)點的執(zhí)行動作下發(fā)到相關(guān)節(jié)點，并啟動監(jiān)聽機制，完成各節(jié)點之間的配合。當(dāng)各節(jié)點之間的協(xié)商結(jié)果存在沖突時，由策略節(jié)點進(jìn)行仲裁調(diào)度，調(diào)度結(jié)果會下發(fā)給涉及的所有節(jié)點。

3)自主決策。自主決策是在多個策略節(jié)點之間進(jìn)行的，根據(jù)軍隊的油庫的控制要求，生成的主要策略有零收發(fā)油策略、油液位控制策略、油流量管理策略、油品質(zhì)量監(jiān)測略、報表上報策略等。軍隊油庫CPS策略的使用可以極大地減少人工操作，提高自動化效率，降低錯誤操作的發(fā)生幾率。

3 結(jié)論

軍隊油庫CPS的充分利用自動化技術(shù)和信息技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等手段，將原有油庫的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)由分散型或總線型控制改造成基于語義標(biāo)簽的多維度的網(wǎng)絡(luò)，增強了軍隊油庫設(shè)備的感知和通訊功能，提高了系統(tǒng)對各種作業(yè)的自適應(yīng)能力，具有高度靈活、運行成本低、穩(wěn)定可靠的特點，有力地保障了軍隊油庫的安全供應(yīng)，對提高軍隊?wèi)?zhàn)斗力具有重大的意義。

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TD621

A

1009-3044(2017)24-0204-02

2017-07-12

2016年豐臺區(qū)科技三項費項目，項目名稱：基于軍隊的物聯(lián)集成服務(wù)平臺(編號：KSF201603)

何明星(1981—)，男，河北滄州人，講師，博士研究生。