面向煤礦應(yīng)用的信息物理融合系統(tǒng)模型

何雄偉，袁學松

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

信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）[1-2]是一種具有計算與通信能力的，通過監(jiān)控物理實體，安全、可靠且有效地實時與物理系統(tǒng)整合的系統(tǒng)，是以通信、計算和控制為核心的高度集成、可監(jiān)視、可控制的工程系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息世界與物理世界的融合。由于煤礦系統(tǒng)環(huán)境比較復雜，使得煤礦系統(tǒng)的信息化成為提高煤炭工業(yè)生產(chǎn)和安全水平的重要發(fā)展方向，其信息化主要是通過采用先進的監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)通信、信息處理和自動化控制等信息技術(shù)，建立起具有煤礦安全監(jiān)測、災害自動預警和智能生產(chǎn)控制等功能的信息化、智能化煤礦系統(tǒng)[3]。因此，文中將信息-物理融合系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦系統(tǒng)中，給出了一種面向煤礦應(yīng)用的信息-物理融合系統(tǒng)模型（Cyber-Physical Systems model for Coal Mine application，CPSCM），該模型是在煤礦復雜環(huán)境下利用信息感知技術(shù)、計算處理和協(xié)同控制等技術(shù)構(gòu)建信息-物理融合系統(tǒng)，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(tǒng)的反饋環(huán)路對煤礦進行精確監(jiān)測，所以用于煤礦系統(tǒng)的信息-物理融合系統(tǒng)可以有效消除安全隱患、降低事故發(fā)生率。

1 相關(guān)研究

信息-物理融合系統(tǒng)是近幾年新興的一個前沿性熱點領(lǐng)域[4-5]。美國和歐盟都在大力加強對信息-物理融合系統(tǒng)研究的資助，主要范圍包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、基本理論、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、技術(shù)應(yīng)用等方面。國內(nèi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)研究方面，文獻[8]給出了信息-物理融合系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)架構(gòu)，并分析了其運行方式和物理構(gòu)成，以及分析了信息-物理融合系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、物理控制系統(tǒng)以及混雜系統(tǒng)的聯(lián)系，指出信息-物理融合系統(tǒng)在社會生活、分布式能源開發(fā)和建設(shè)、交通運輸、生物醫(yī)療、工業(yè)自動化、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景；文獻[9]給出了一種信息-物理融合系統(tǒng)模型，主要是從實時任務(wù)調(diào)度與實時網(wǎng)絡(luò)來保證系統(tǒng)的實時性需求；文獻[10]給出了一種結(jié)合形式化方法與面向方面技術(shù)的信息-物理設(shè)計框架，并對該框架需解決的關(guān)鍵問題進行了分析，同時給出了可信信息-物理融合系統(tǒng)模型；文獻[11]從整體角度出發(fā)，對信息-物理融合系統(tǒng)特性、架構(gòu)及挑戰(zhàn)進行了系統(tǒng)分析，并以電力能源行業(yè)為例進行了研究。在信息-物理融合系統(tǒng)應(yīng)用案例方面，文獻[12]初步分析了信息-物理融合系統(tǒng)應(yīng)用于電力、交通、醫(yī)療與航空航天等領(lǐng)域的現(xiàn)狀，并總結(jié)該類應(yīng)用存在實時性、系統(tǒng)工程、系統(tǒng)建模與驗證、安全可靠性等問題需要解決。

2 CPSCM模型設(shè)計

2.1 CPSCM模型框架

用于煤礦系統(tǒng)的信息-物理融合系統(tǒng)的功能需求包括煤礦環(huán)境監(jiān)測、自動預警及職能控制、應(yīng)急救援、無線多媒體業(yè)務(wù)傳輸、設(shè)備儀表讀數(shù)讀取、機車無線定位與導航、人員定位與追蹤等。根據(jù)煤礦環(huán)境和功能需求，文中設(shè)計了一種用于煤礦系統(tǒng)的信息-物理融合系統(tǒng)模型（CPSCM），如圖1所示。該模型包括傳感器、執(zhí)行器、控制處理單元與通信器件，其中為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，在物理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間設(shè)有一個反饋環(huán)路。

圖1 CPSCM模型圖

所給CPSCM模型主要包括物理系統(tǒng)模塊、信息感知模塊、計算處理模塊、協(xié)同控制模塊和應(yīng)用服務(wù)模塊等。其中，物理系統(tǒng)模塊主要包括嵌入式系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、動態(tài)系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)等物理系統(tǒng)；信息感知模塊主要是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)進行各類信息采集和傳輸；計算處理模塊主要是利用執(zhí)行器對所收集信息進行計算處理后并作出相應(yīng)響應(yīng)；協(xié)同控制模塊主要是利用控制理論對匯聚節(jié)點傳輸?shù)男畔⑦M行分析處理并向執(zhí)行器發(fā)送相關(guān)指令；應(yīng)用服務(wù)模塊主要根據(jù)執(zhí)行器發(fā)出的指令對儀器設(shè)備狀態(tài)、風速、瓦斯?jié)舛?、饋電狀態(tài)等監(jiān)測對象執(zhí)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(jié)點采集所需監(jiān)測數(shù)據(jù)（比如瓦斯?jié)舛?、風速、儀器設(shè)備狀態(tài)、饋電狀態(tài)等），然后由執(zhí)行器根據(jù)獲取的信息發(fā)出指令控制物理系統(tǒng)進行相應(yīng)響應(yīng)（比如報警、斷電、風機轉(zhuǎn)速、更改設(shè)備狀態(tài)等），同時也可通過匯聚節(jié)點將采集的信息傳輸至控制節(jié)點實現(xiàn)協(xié)同后，再發(fā)出相關(guān)指令至執(zhí)行器控制各物理系統(tǒng)協(xié)同工作，最終形成一個自組織傳輸與智能控制的反饋環(huán)路。其工作流程圖如圖2所示。

2.3 CPSCM模型關(guān)鍵技術(shù)

圖2 CPSCM模型工作流程圖

物理信息融合系統(tǒng)要求時間控制精準且安全性高，但是由于用于煤礦系統(tǒng)的物理信息融合系統(tǒng)是在一種分散的環(huán)境下，無法在有效時間內(nèi)收集足夠多的信息實現(xiàn)精確控制，因此將當前已有的分布式控制技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)和通信技術(shù)仍面臨一些困難。目前，用于煤礦系統(tǒng)的物理信息融合系統(tǒng)應(yīng)首要解決信息感知、計算處理和協(xié)同控制三個關(guān)鍵性技術(shù)。

1）信息感知技術(shù)。由于傳統(tǒng)的信息感知技術(shù)是在低潛在因素環(huán)境下，所以可以收集最新的數(shù)據(jù)并立即執(zhí)行。但是基于CPS的信息感知技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化特性將會引發(fā)決策的不確定性，從而將導致執(zhí)行器動作出現(xiàn)延遲執(zhí)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(xiàn)實與虛擬的協(xié)作樣式來實現(xiàn)物理進程與計算進程之間的對應(yīng)關(guān)系；二是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在采集融合過程中首先確定采集標準、響應(yīng)時間的特性，然后反饋給物理層調(diào)節(jié)傳感器采集速率、改變傳感器類型增加采集信息量，并根據(jù)監(jiān)測對象情況實施分級、分區(qū)斷電控制。同時也應(yīng)注意信息的存儲和處理、數(shù)據(jù)的恢復和檢索等問題的解決。

2）計算處理技術(shù)。由于物理信息融合系統(tǒng)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(shù)采用如下語義集成方法：首先詳細描述監(jiān)測對象的物理屬性，然后據(jù)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(guān)系。通過采用上述語義集成方法，可以使海量數(shù)據(jù)處理與命令執(zhí)行快速準確，保證了物理信息融合系統(tǒng)的實時性與可靠性，且這種方式是在設(shè)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(tǒng)錯誤。在軟件方面，一方面應(yīng)著力發(fā)展操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、中間件等基礎(chǔ)軟件；另一方面應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化特性構(gòu)建合適的框架用以開發(fā)開源的產(chǎn)品級工具軟件。在硬件方面，一方面嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)更加注重可預知性和可靠性，用以適應(yīng)系統(tǒng)中有限的資源；另一方面嵌入式系統(tǒng)應(yīng)采用多核架構(gòu)并具有擴展IP與網(wǎng)絡(luò)通信接口的功能，同時要有硬件開發(fā)工具與軟件包支持，用以實現(xiàn)復雜的業(yè)務(wù)功能。

3）協(xié)同控制技術(shù)。由于傳統(tǒng)不確定決策模型[15]不適用于物理信息融合系統(tǒng)，所以用于煤礦系統(tǒng)的物理信息融合系統(tǒng)根據(jù)需求形成新的協(xié)同控制理論，主要包括多層協(xié)議操作、專用/共享備用路徑設(shè)計、業(yè)務(wù)快速回復、容錯管理與控制、檢測精度影響、自愈技術(shù)與可再生網(wǎng)絡(luò)模型等。由于當前大多控制理論是基于事件驅(qū)動的，計算機系統(tǒng)處理器是基于異步的，所以在物理信息融合系統(tǒng)中需要根據(jù)實際需求重新整合，才能實現(xiàn)計算、通信與協(xié)同控制。由于信息-物理融合系統(tǒng)要求計算進程與物理進程的交互需時間精確，所以在設(shè)計連續(xù)動態(tài)反饋環(huán)路與實時控制管理環(huán)路時，應(yīng)考慮模式轉(zhuǎn)換、故障檢測、實時交互、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)與參數(shù)變化等。

3 實例分析

風電瓦斯閉鎖系統(tǒng)[16]主要是為了防止電氣設(shè)備引發(fā)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?jié)舛瘸鲩撝礫17]后因通電產(chǎn)生電火花，然后在瓦斯?jié)舛鹊陀诎踩撝禃r恢復通電?；谛畔?物理融合的風電瓦斯閉鎖系統(tǒng)如圖3所示。

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

圖3 基于CPS的風電瓦斯鎖閉系統(tǒng)

4 建模驗證

風電瓦斯閉鎖系統(tǒng)應(yīng)按照如下要求自動控制：當系統(tǒng)關(guān)閉時，瓦斯傳感器自動關(guān)閉；當系統(tǒng)開啟時，瓦斯傳感器自動開啟，如果煤礦內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀陂撝禃r，則會在顯示器上顯示瓦斯?jié)舛?；如果煤礦內(nèi)瓦斯超過閾值時，聲光報警器則會立即響應(yīng)報警。其中，信息物理融合系統(tǒng)包含4種服務(wù)：1）感知型服務(wù)：主要用于獲取所處環(huán)境的數(shù)據(jù)，由于其按照一定時間間隔獲取采集數(shù)據(jù)[19]，所以需設(shè)置一個時鐘變量。例如瓦斯傳感器采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)服務(wù)。2）計算型服務(wù)：主要用于判斷環(huán)境參數(shù)是否達到所設(shè)閾值。例如比較瓦斯?jié)舛葦?shù)值是否超出閾值。3）執(zhí)行型服務(wù)：主要根據(jù)相關(guān)指令執(zhí)行相應(yīng)操作，用于控制所處環(huán)境。例如當瓦斯?jié)舛瘸鲩撝禃r，聲光報警器發(fā)出警報。4）通信型服務(wù)：主要用于對上述三種服務(wù)的信息交互。例如控制繼電器組發(fā)出相關(guān)指令。

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

其中，Nf表示系統(tǒng)整體服務(wù)名稱，表示系統(tǒng)中所有服務(wù)之間的交互情況，表示每個服務(wù)時間自動機所組成的自動機網(wǎng)絡(luò)。下表1給出了該系統(tǒng)各種服務(wù)的具體描述。

表1 風電瓦斯閉鎖系統(tǒng)服務(wù)描述

采用Uppaal驗證風電瓦斯閉鎖系統(tǒng)服務(wù)的失效正確性，主要驗證安全性（系統(tǒng)不會進入錯誤運行狀態(tài)）、可達性（系統(tǒng)能運行到所期望的狀態(tài)）、系統(tǒng)活性（期望事件最終能發(fā)生）、時間約束（期望的某種行為必須滿足所規(guī)定的時間約束條件）4種性質(zhì)。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(tài)均滿足p，E＜＞p表示部分路徑存在狀態(tài)滿足p，A＜＞p表示全部路徑均存在狀態(tài)滿足p，E[]p表示部分路徑的全部狀態(tài)均滿足p。所給系統(tǒng)驗證結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實例性質(zhì)驗證結(jié)果

從圖4可以看出，存在路徑A[]not deadlock，表明系統(tǒng)不會出現(xiàn)死鎖，則可驗證系統(tǒng)安全性；存在路徑E＜＞display.gas_on，表明系統(tǒng)可通過顯示器顯示瓦斯?jié)舛龋瑒t可驗證可達性；存在路徑gas.con＞=0.3→gascon.belllight_on，表明系統(tǒng)最終可達到聲光報警器報警狀態(tài)，則可驗證系統(tǒng)活性；存在路徑 gas.inc→gascon.belllight_on and time.c＜=5，表明系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)可及時觸發(fā)聲光報警器報警，則可驗證系統(tǒng)時間約束條件。

5 結(jié)束語

所給CPSCM模型是基于煤礦復雜環(huán)境下，建立的自動化和智能化的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[20]，該模型應(yīng)著力研究信息感知、計算處理與協(xié)同控制三項關(guān)鍵性技術(shù)，通過風電瓦斯閉鎖系統(tǒng)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(tǒng)的信息-物理融合系統(tǒng)可以有效保障安全生產(chǎn)、降低事故發(fā)生率，且能滿足突發(fā)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(tǒng)可用于各種生產(chǎn)實踐，有利于所在領(lǐng)域的信息化發(fā)展，具有較好的理論研究價值和實際推廣應(yīng)用價值。