基于信息物理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

梁昂昂

摘 要：本文探討了一種智能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，其能夠動(dòng)態(tài)、自動(dòng)地解釋和調(diào)節(jié)環(huán)境條件。在本文中，我們介紹了系統(tǒng)開發(fā)框架，并提出能夠測(cè)量、分析和調(diào)節(jié)熱舒適度的功能。為了延長系統(tǒng)的壽命、低容量通信的機(jī)制、分布式計(jì)算和基于習(xí)慣的自適應(yīng)控制。本文建議對(duì)現(xiàn)場(chǎng)部署的評(píng)估驗(yàn)證了所提議系統(tǒng)功能。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室，也可以應(yīng)用到其他類似的環(huán)境中，這些環(huán)境旨在支持人類的生活和生產(chǎn)，并將對(duì)智慧城市的創(chuàng)造產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：信息物理 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 物理性能

一、背景介紹

網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)包含許多分布式的、連接的和自主操作的傳感器和執(zhí)行器。一般來說，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)可以用來收集足夠的信息、有關(guān)物理環(huán)境的傳感器以及最終為人們提供有用和及時(shí)的服務(wù)。從系統(tǒng)的角度來看是由計(jì)算、通信和控制等部分集成的，通過來自傳感器的數(shù)據(jù)操縱網(wǎng)絡(luò)或者物理設(shè)備。許多研究表明，該系統(tǒng)可在室內(nèi)應(yīng)用。目前，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的活動(dòng)越來越復(fù)雜和復(fù)雜。雖然對(duì)應(yīng)的已經(jīng)提出了很多集成工具和工具的技術(shù)。然而，現(xiàn)有技術(shù)主要是促進(jìn)分析活動(dòng)（例如，數(shù)據(jù)收集、測(cè)量和解釋）和總結(jié)活動(dòng)（例如，報(bào)告結(jié)果）。實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件可以顯著地影響實(shí)驗(yàn)和其他活動(dòng)的結(jié)果。例如，有不同的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)（例如：、溶劑、催化劑、試劑、產(chǎn)品）和環(huán)境敏感設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件的變化可以明顯地影響實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究結(jié)果。因此，一個(gè)合適進(jìn)行環(huán)境的預(yù)分析和調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)室條件可以使得測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更準(zhǔn)確、更有意義，轉(zhuǎn)而言之，一個(gè)“智能/智能實(shí)驗(yàn)室”對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)是必要的。對(duì)任何地方和任何時(shí)候的活動(dòng)都有效。這問題研究人員似乎沒有仔細(xì)研究過。在類似的環(huán)境中，如醫(yī)院的房間、工廠車間等。有些實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件不能將已測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的數(shù)據(jù)。只能通過統(tǒng)計(jì)分析來進(jìn)行動(dòng)態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)。因?yàn)闆]有執(zhí)行器和控制環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的算法。針對(duì)這一情況，在本文中，我們描述了一個(gè)智能實(shí)驗(yàn)室是如何通過CPS構(gòu)建，用于收集和處理相關(guān)信息。

二、具備調(diào)節(jié)舒適的實(shí)驗(yàn)室

2.1實(shí)驗(yàn)室的功能。

實(shí)驗(yàn)室是為了提高工作活動(dòng)的效率提供了一個(gè)舒適的環(huán)境，滿足人們的需要。特別是一個(gè)智能實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)該具備能夠優(yōu)化工作，保護(hù)人們不受常見的危險(xiǎn)，如化學(xué)和細(xì)菌的意外泄漏的威脅；同時(shí)應(yīng)具備減少受傷和職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)設(shè)備和環(huán)境不受破壞以及具備保護(hù)跟蹤人員和設(shè)備的安全，在此基礎(chǔ)還要具備減少電力和其他資源消耗的功能。不會(huì)影響研究活動(dòng)的效率。為了達(dá)到上述的結(jié)果，應(yīng)該以動(dòng)態(tài)的、自動(dòng)化的方式設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)和相關(guān)物理量測(cè)量和調(diào)節(jié)。

2.2調(diào)節(jié)舒適度。

在實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)中，一個(gè)主要的物理量是熱舒適。決定熱舒適的因素包括空氣溫度、輻射溫度、空氣流速和相對(duì)濕度（RH）。當(dāng)環(huán)境的RH低于25%或更高時(shí)當(dāng)超過60%，熱舒適不良會(huì)導(dǎo)致人們情緒的不安和不適。一系列的溫度變化和RH變化的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)可以相關(guān)文獻(xiàn)中中找到。為了使分析過程標(biāo)準(zhǔn)化采用對(duì)應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)的平均值（PMV）作為定量指標(biāo)來預(yù)測(cè)。此外，針對(duì)人們不滿意的百分比是建立定量的相關(guān)指數(shù)來預(yù)測(cè)熱不滿足人群的百分比。誰覺得太冷或太熱（例如：不舒服）。同時(shí)，設(shè)備的可靠性也會(huì)受到影響。如溫度和RH（即：熱舒適）。例如，低RH可能會(huì)導(dǎo)致靜電問題。這可能對(duì)靜電敏感的設(shè)備和材料造成損壞。同樣，它在工作時(shí)易燃液體和氣體可能會(huì)引起爆炸和爆炸。另一方面，當(dāng)RH高（如>70%），。在儀器表面可能有冷凝會(huì)導(dǎo)致腐蝕。因此，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該自動(dòng)和動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)。在一般環(huán)境中部署該系統(tǒng)存在一定的困難，例如系統(tǒng)的電源供應(yīng)、處理，測(cè)量數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)間的通信。在一些實(shí)驗(yàn)室中，還有一些專業(yè)的要求。

三、系統(tǒng)性能分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的舒適程度展開測(cè)試，通過實(shí)時(shí)的方式測(cè)量讀數(shù)和計(jì)算，指標(biāo)傳感器讀數(shù)分析和檢測(cè)熱舒適性變化和恢復(fù)（在異常情況下顯示PMV和PPD）。在研究中，為了模仿一個(gè)炎熱潮濕的環(huán)境，一個(gè)水蒸汽源被放置在傳感器附近。然后根據(jù)收到的信號(hào)， PMV > 1.5，模仿出現(xiàn)緊急異常情況。首先，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的電風(fēng)扇已經(jīng)切換，提供適當(dāng)?shù)目諝饬魍ü苤?。之?秒，PMV從2.15下降（“溫暖”）到1.25（“稍暖”），表示環(huán)境受到了調(diào)節(jié)。與原始環(huán)境相比，受調(diào)節(jié)的環(huán)境也有類似的溫度和，略高的RH和PMV。另一方面，如果通風(fēng)不被CPS、溫度和PMV引入，會(huì)提高到43°C和5.33（“非常熱”），分別以參數(shù)顯示條件。環(huán)境的惡化和明顯的影響。最終可能影響實(shí)驗(yàn)室人員的安全。這實(shí)例表明，所提出的CPS可以有效檢測(cè)并恢復(fù)熱舒適和其他的惡化物理量。在第二個(gè)例子中，是帶有傳感器節(jié)點(diǎn)的CPS，并采用三種致動(dòng)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。在這種情況下，在節(jié)點(diǎn)1之間放置了熱水蒸汽源，同時(shí)節(jié)點(diǎn)2模擬一個(gè)溫暖潮濕的環(huán)境。這時(shí)信息立即被分析，基于這樣的分析信息，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了測(cè)量量。與示例1相比雖然條件不同，但從節(jié)點(diǎn)開始是多樣化的，沒有造成任何瞬間的危險(xiǎn)。隨著房間的情況逐漸惡化執(zhí)行器被打開，并通知相關(guān)管理或者實(shí)驗(yàn)操作人員。

在對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)性能分析的測(cè)試上，系統(tǒng)收集27個(gè)小時(shí)的信息量進(jìn)行評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能。在評(píng)估中，針對(duì)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。在這項(xiàng)研究中，大量信息被收集。結(jié)果顯示了系統(tǒng)可靠性（有效通信的比例）和接收包的質(zhì)量（鏈接質(zhì)量指標(biāo)）。盡管有動(dòng)態(tài)信息條件有限，但有效傳輸?shù)谋壤芨?。此外，所有接收到的消息都有校?yàn)和校驗(yàn)；因此，所有消息處理是有效且有意義的。在每個(gè)循環(huán)中，傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。

在基于習(xí)慣控制的傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗測(cè)試上，在每個(gè)周期中中，傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)確定的工作周期開關(guān)開關(guān)。在這個(gè)1.8小時(shí)的監(jiān)視，實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)從0秒到200秒，最后180秒。從170秒到770秒（期間）傳感器節(jié)點(diǎn)具有自適應(yīng)感知，配置器開啟63次，消耗945 J。在存在檢測(cè)事件時(shí)短暫延遲的操作。與此同時(shí)，在感知的配置器（即，感應(yīng)到每一秒的時(shí)間和睡覺的其他時(shí)間）傳感器節(jié)點(diǎn)開啟1296次，消耗19290 J。沒有任何睡眠操作的節(jié)點(diǎn)消耗50154 J。在低風(fēng)險(xiǎn)情況下的測(cè)量（例如沒有實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)）執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)在周期之間切換。在一個(gè)模擬手術(shù)操作過程中，64.8 J和533.68 J被消耗。由執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)（沒有執(zhí)行機(jī)構(gòu)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別顯示。實(shí)例表明，該機(jī)制能有效地延長節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的壽命。系統(tǒng)可以放置在沒有活動(dòng)的地方連續(xù)供電。由于傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量的性能不受環(huán)境和計(jì)算的影響，所以調(diào)節(jié)不受緩慢變化的環(huán)境影響。系統(tǒng)可以在緩慢變化的環(huán)境中準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。

四、結(jié)論

本文提出了一個(gè)基于信息物理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為學(xué)校提供自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)室條件。該系統(tǒng)具有自適應(yīng)控制，分布式計(jì)算以及低容量和可靠數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)熱舒適，為一個(gè)全面的智能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，基于此開發(fā)的系統(tǒng)也可以用于其他相關(guān)物理量。這項(xiàng)研究不僅適合于實(shí)驗(yàn)室和學(xué)校，也適用于許多類似的環(huán)境。如，醫(yī)院病房，工廠車間等對(duì)局部環(huán)境溫度、濕度等物理量有要求的場(chǎng)所。自動(dòng)室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)城市建設(shè)也很很重要。如果我們要發(fā)展智慧城市，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)需要的安全性，經(jīng)濟(jì)性，有效性，節(jié)能性。基于信息物理小環(huán)境表明該系統(tǒng)可以滿足所有這些條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]信息-物理融合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為模型構(gòu)建方法[J]. 周興社，楊亞磊，楊剛.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào). 20

[2]信息物理融合系統(tǒng)研究綜述[J]. 王中杰，謝璐璐.自動(dòng)化學(xué)報(bào). 2011（10）14（06）

[3]Cyber Physical Systems—物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J]. 王振東，王慧強(qiáng)，陳曉明，林俊宇.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng). 2011（05）

[4]信息-物理融合系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題綜述[J]. 李仁發(fā)，謝勇，李蕊，李浪.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展. 2012（06）

[5]信息-物理融合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為模型構(gòu)建方法[J]. 周興社，楊亞磊，楊剛.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào). 2014（06）