特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)

鄭 晅，付 帥，李 雪

(長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，西安 710064)

特長(zhǎng)公路隧道通常需要建立規(guī)模龐大的通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效排除污染物的目的，風(fēng)機(jī)布設(shè)數(shù)量大，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，多風(fēng)機(jī)通風(fēng)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性、時(shí)變性和滯后性，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制的實(shí)時(shí)性、可靠性，需要建立多風(fēng)機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)[1]。隨著中國(guó)交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，特長(zhǎng)公路隧道數(shù)量在不斷增加，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2018年底，中國(guó)已建成特長(zhǎng)隧道1 058處、4 706.6 km，長(zhǎng)隧道4 315處、7 421.8 km，共12 128.4 km[2]。特長(zhǎng)公路隧道在高交通負(fù)荷和交通擁堵工況下，車輛排放污染物不斷累積，難以擴(kuò)散，嚴(yán)重危害司乘人員身心健康及行車安全，隧道通風(fēng)控制問(wèn)題不斷凸顯[3]。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的特長(zhǎng)公路隧道多風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)保證特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)協(xié)同控制、提升隧道運(yùn)營(yíng)安全品質(zhì)意義重大。

關(guān)于隧道通風(fēng)控制架構(gòu)研究，中外主要集中于基于PLC的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)架構(gòu)、基于ZigBee的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)架構(gòu)和基于OPC的多層過(guò)程系統(tǒng)架構(gòu)。Wang[4]基于PLC的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)架構(gòu)主要在物理層實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制，未考慮風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳輸，未能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)協(xié)同控制；Fu等[5]基于ZigBee的隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸，但未考慮風(fēng)機(jī)控制的實(shí)時(shí)性；劉浩[6]基于OPC的多層過(guò)程系統(tǒng)架構(gòu)解決了風(fēng)機(jī)控制信息傳輸?shù)慕涌趩?wèn)題，但是信息通信復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。以上研究主要集中于單一的技術(shù)應(yīng)用，未考慮將數(shù)據(jù)采集、信息通信、數(shù)據(jù)處理和風(fēng)機(jī)控制集中于一體，融合物理層和信息層，實(shí)現(xiàn)隧道多風(fēng)機(jī)協(xié)同控制。

信息物理系統(tǒng)(cyber physical system, CPS)是一個(gè)利用智能傳感器、計(jì)算和信息技術(shù)有效集成信息和物理組件的系統(tǒng)，通過(guò)3C(computing，communicating，control)技術(shù)的有機(jī)整合與協(xié)調(diào)，完成對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的感知與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活智能化[7]。CPS可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握物理設(shè)備的運(yùn)營(yíng)情況，實(shí)現(xiàn)合理的決策和控制[8]。CPS可以保證分布的物理系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信與計(jì)算實(shí)現(xiàn)跨空間結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的決策控制[9]。同時(shí)，CPS通過(guò)通信與計(jì)算，包括跨空間的多種系統(tǒng)級(jí)服務(wù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，方便系統(tǒng)級(jí)服務(wù)的開(kāi)發(fā)和部署[10]。目前，CPS在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括智能電網(wǎng)[11-16]、智能交通[17-21]、智能醫(yī)療[22-24]、航空航天[25-27]等。

基于上述背景，根據(jù)CPS框架架構(gòu)的組成要素及關(guān)鍵功能，設(shè)計(jì)基于CPS的5層特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)，有利于提升特長(zhǎng)公路隧道隧道風(fēng)機(jī)控制智能化、信息化水平，滿足面向服務(wù)的隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)需求。

1 特長(zhǎng)公路隧道風(fēng)機(jī)控制需求

1.1 隧道風(fēng)機(jī)控制功能需求分析

從特長(zhǎng)公路隧道風(fēng)機(jī)控制的全流程，即從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理計(jì)算、通信和控制考慮，結(jié)合公路隧道日益豐富的運(yùn)營(yíng)服務(wù)，如風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可視化分析等，特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)控制基本應(yīng)用需求如下：

(1)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)：實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)壓-風(fēng)速、CO-VI濃度等數(shù)據(jù)的采集；能對(duì)隧道內(nèi)的交通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行中電壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速及溫度等數(shù)據(jù)的采集；對(duì)特殊工況(擁堵、火災(zāi)、不良?xì)夂虻?下的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因此需要數(shù)據(jù)采集模塊。

(2)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸以及控制指令等信息的有效發(fā)送，因此需要數(shù)據(jù)傳輸模塊。

(3)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用等功能，因此需要數(shù)據(jù)管理模塊。

(4)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，因此需要數(shù)據(jù)處理模塊。

(5)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)狀況報(bào)表展示等，因此需要可視化模塊。

(6)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)異常狀態(tài)挖掘以及故障預(yù)警等，因此需要數(shù)據(jù)挖掘模塊。

(7)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備以及其他設(shè)施的檢修信息管理，因此需要設(shè)備檢修模塊。

(8)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及管理人員手動(dòng)控制等，因此需要智能控制模塊。

1.2 特長(zhǎng)公路隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合1.1節(jié)中應(yīng)用需求分析，為滿足風(fēng)機(jī)協(xié)同控制的需求，考慮提高風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)各種配置及規(guī)則數(shù)據(jù)、基本信息數(shù)據(jù)以及訪問(wèn)頻繁但變更較少的數(shù)據(jù)的利用效率，減少重復(fù)數(shù)據(jù)或者信息的訪問(wèn)量，減輕系統(tǒng)負(fù)載，提出了應(yīng)用接入層。通過(guò)CPS中間件，針對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的異構(gòu)性，提供具有統(tǒng)一訪入口、使用方法。此外，為了實(shí)現(xiàn)功能模塊之間的協(xié)同管理和統(tǒng)一資源配置，以達(dá)到特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制目標(biāo)，提出CPS層。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)為：感控層、信息層、應(yīng)用接入層、應(yīng)用層和CPS層，得到基于CPS的特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)協(xié)同控制架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)CPS協(xié)同控制架構(gòu)

如圖1所示，感控層實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)數(shù)據(jù)的采集以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的感知；信息層實(shí)現(xiàn)事件/信息之間的傳輸交換；CPS應(yīng)用接入層為系統(tǒng)各種配置及規(guī)則數(shù)據(jù)、用戶的基本信息數(shù)據(jù)以及個(gè)性化定制信息數(shù)據(jù)，以及訪問(wèn)頻繁但變更較少的數(shù)據(jù)提供支撐，減少重復(fù)數(shù)據(jù)或者信息的訪問(wèn)量，提高資源利用效率，減輕系統(tǒng)負(fù)載；應(yīng)用層提供隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)機(jī)控制基本應(yīng)用，如遠(yuǎn)程控制、設(shè)備檢修等基礎(chǔ)上，應(yīng)用層還可以提供多層次的服務(wù)，為隧道消防、隧道照明、隧道供配電等其他隧道運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)提供接口；CPS層對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及確定不同工況下風(fēng)機(jī)控制策略，最后形成風(fēng)機(jī)控制指令。

該系統(tǒng)架構(gòu)從隧道環(huán)境及風(fēng)機(jī)狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制的目標(biāo)，加強(qiáng)了對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)變化的敏感度，實(shí)現(xiàn)資源共同利用。

2 特長(zhǎng)公路隧道風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)CPS模型

2.1 感控層

感控層通過(guò)隧道內(nèi)分布式傳感器單元采集隧道內(nèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸至CPS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理。感控層與CPS層中的CPS單元松耦合，有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算，提高資源利用效率和計(jì)算能力。通過(guò)CPS單元處理實(shí)時(shí)信息/數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史信息/數(shù)據(jù)，獲得不同工況下多風(fēng)機(jī)的控制策略，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸至各執(zhí)行器進(jìn)行風(fēng)機(jī)狀態(tài)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的協(xié)同控制。

2.1.1 風(fēng)機(jī)集群劃分

針對(duì)特長(zhǎng)公路隧道風(fēng)機(jī)需進(jìn)行集群劃分，方便隧道風(fēng)機(jī)協(xié)同控制。劃分思路如下，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)隧道出、入口段：根據(jù)特長(zhǎng)公路隧道風(fēng)機(jī)整體布局情況，考慮風(fēng)機(jī)控制的主要目的是保障隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[28]可得，隧道洞口污染物累積嚴(yán)重，可對(duì)污染物濃度高及風(fēng)機(jī)密集區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)劃分，并設(shè)置智能傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和分析，達(dá)到風(fēng)機(jī)智能控制的目的。

(2)隧道中間段：隧道中間段按照距離進(jìn)行劃分，可根據(jù)橫通道數(shù)目，選取距離1～2 km作為一個(gè)控制段。

(3)豎井段：豎井是隧道通風(fēng)的主要基礎(chǔ)設(shè)施，布設(shè)的軸流風(fēng)機(jī)可以有效地為隧道內(nèi)提供源源不斷的新鮮空氣，保障隧道內(nèi)的駕乘人員的健康。

復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)CPS架構(gòu)感控層由風(fēng)機(jī)集群、傳感器、執(zhí)行器和嵌入式控制模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)、環(huán)境的感知、控制、調(diào)節(jié)，基本架構(gòu)如圖3所示。

圖2 特長(zhǎng)公路隧道多風(fēng)機(jī)集群劃分示意圖

圖3 感控層架構(gòu)圖

如圖3所示，傳感器單元負(fù)責(zé)隧道內(nèi)數(shù)據(jù)的采集，可分為環(huán)境傳感器和風(fēng)機(jī)傳感器。環(huán)境傳感器感知數(shù)據(jù)主要是隧道內(nèi)的交通量、風(fēng)壓-風(fēng)速、CO-VI濃度；風(fēng)機(jī)傳感器主要針對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)得采集：溫度、風(fēng)壓、電壓、電流和轉(zhuǎn)速等。執(zhí)行器單元負(fù)責(zé)接收風(fēng)機(jī)控制指令(啟停、調(diào)頻變速等)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)集群運(yùn)行狀態(tài)的改變。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)集群的系統(tǒng)自治，每個(gè)風(fēng)機(jī)集群都有對(duì)應(yīng)的嵌入式控制模塊，其主要包括計(jì)算、通信以及控制單元。計(jì)算單元可根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理邏輯，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輔助預(yù)先制定的不同工況風(fēng)機(jī)控制策略對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制；通信單元既負(fù)責(zé)單個(gè)風(fēng)機(jī)集群內(nèi)部數(shù)據(jù)、控制指令的傳輸，也負(fù)責(zé)和其余風(fēng)機(jī)集群信息的傳遞和接收更高層次的指令；存儲(chǔ)單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及管理，包括歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.1.2 風(fēng)機(jī)集群信息傳輸

為滿足風(fēng)機(jī)集群之間信息傳輸要求，風(fēng)機(jī)集群之間的傳輸采用主干網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)絡(luò)結(jié)合、有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的形式。主干網(wǎng)絡(luò)可由光纖網(wǎng)絡(luò)等傳輸速度較快、可靠性較高的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，保證信息向上或者向下的傳輸；子網(wǎng)絡(luò)可采用ZigBee等無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，用于風(fēng)機(jī)集群之間的隧道環(huán)境數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)等信息的交換，最后統(tǒng)一于有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息傳送以及存儲(chǔ)、計(jì)算和控制，基本傳輸原理如圖4所示。

2.2 信息層

復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)CPS架構(gòu)信息層利用CPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，連接系統(tǒng)各個(gè)處于不同空間和時(shí)間的子系統(tǒng)，如感控層、應(yīng)用層，保證各層之間相互通信、數(shù)據(jù)信息傳輸，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)協(xié)同控制。為保證信息層數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，對(duì)信息層中涉及的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)和事件/信息優(yōu)先級(jí)進(jìn)行研究。

2.2.1 基于發(fā)布/訂閱方式的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

為滿足CPS網(wǎng)絡(luò)快速高效數(shù)據(jù)分發(fā)的要求，采用一種適應(yīng)CPS網(wǎng)絡(luò)需求的數(shù)據(jù)分發(fā)方法，即發(fā)布/訂閱方式，在網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力和計(jì)算能力有限的情況下盡可能提高數(shù)據(jù)分發(fā)的質(zhì)量和效率，降低網(wǎng)絡(luò)尤其是骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)擁塞情況，將數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確提供給風(fēng)機(jī)集群，提高資源利用效率。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)的發(fā)布/訂閱模型，如圖5所示。

圖4 風(fēng)機(jī)集群信息傳輸流程圖

風(fēng)機(jī)集群發(fā)布數(shù)據(jù)流程如圖6所示。風(fēng)機(jī)集群自治系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，首先由感控層中的傳感器單元獲取隧道內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括機(jī)械設(shè)備狀態(tài)，空間環(huán)境等數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。感控節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，設(shè)備號(hào)進(jìn)行匹配，數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理為對(duì)應(yīng)信息。信息層將信息存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，再送到應(yīng)用接入層，由系統(tǒng)語(yǔ)義規(guī)則對(duì)其進(jìn)行解析，獲取其中的時(shí)間戳，設(shè)備號(hào)和具體數(shù)據(jù)。

圖5 DDS發(fā)布/訂閱模型圖

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)布流程圖

感控層中的風(fēng)機(jī)集群可向信息層申請(qǐng)訂閱數(shù)據(jù)，其流程如圖7所示。風(fēng)機(jī)集群將目標(biāo)數(shù)據(jù)的設(shè)備號(hào)，時(shí)間戳發(fā)送至信息層；信息層通過(guò)應(yīng)用接入層根據(jù)語(yǔ)義服務(wù)器中的內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)訂閱請(qǐng)求進(jìn)行“翻譯”，之后通過(guò)信息層存儲(chǔ)器獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，并發(fā)送給風(fēng)機(jī)集群。

圖7 數(shù)據(jù)訂閱流程圖

2.2.2 風(fēng)機(jī)事件/信息優(yōu)先級(jí)劃分

風(fēng)機(jī)CPS控制系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，在某一時(shí)刻，同一節(jié)點(diǎn)上可能收到多個(gè)數(shù)據(jù)包需要處理，或多個(gè)數(shù)據(jù)包需要發(fā)送出去，此時(shí)需要建立事件/信息的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)事件優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包優(yōu)先被處理和發(fā)送，以便縮短高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包在處理前或發(fā)送前的排隊(duì)等待時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

根據(jù)公路隧道運(yùn)營(yíng)工況劃分[29]，對(duì)于特長(zhǎng)公路隧道事件/信息優(yōu)先級(jí)的分配從以下兩個(gè)方面考慮。

(1)考慮隧道運(yùn)行狀況的四種工況：正常、怠速、擁堵以及特殊工況(火災(zāi)、大霧等不良?xì)夂?，優(yōu)先級(jí)排序?yàn)椋禾厥夤r>擁堵>怠速>正常；不同優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)每個(gè)事件/信息的緊迫程度，以便訂閱者可以根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分配系統(tǒng)資源有效減少并發(fā)性帶來(lái)的系統(tǒng)問(wèn)題。

(2)量化置信度：采用置信度函數(shù)，對(duì)事件/信息的可信度進(jìn)行量化處理。置信度和置信度衰減方程—指定事件/信息置信度以及它是如何隨著時(shí)間的推移而消失的。置信度及其方程由特定的設(shè)備和控制邏輯決定，為訂閱者在任何時(shí)間點(diǎn)計(jì)算訂閱事件信息的置信度提供一種標(biāo)準(zhǔn)方法。置信度函數(shù)可定義為

CONk=Confidence(k,time,loc,p)

(1)

式(1)中：k為事件的編號(hào)；time是事件發(fā)生的時(shí)間；loc是事件發(fā)生的位置；p是采集到傳感器值的標(biāo)量和向量。置信度衰減方程函數(shù)可定義為

FA=Fade(time)

(2)

置信區(qū)間為：pi

圖8 事件處理流程

2.3 應(yīng)用接入層

應(yīng)用接入層通過(guò)CPS中間件，針對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的異構(gòu)性，將各種可以公用的能力進(jìn)行統(tǒng)一封裝，提供具有統(tǒng)一訪入口、使用方法和高性能計(jì)算服務(wù)。分布式應(yīng)用軟件借助CPS中間件共享資源，管理計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)行事件/信息傳遞。

CPS中間件可采用SCE層次結(jié)構(gòu)[30-31]，如圖9所示，采用了3層架構(gòu)分塊部署模型。前端服務(wù)器FS(Front Server)模塊對(duì)CPS層匯報(bào)特長(zhǎng)公隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、管理環(huán)境和風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)等資源，同時(shí)，可解決信息層和感控層中由于隧道風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程連接異構(gòu)和跨平臺(tái)應(yīng)用的缺陷，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了其所管理的感控層采集的結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的管理。

圖9 中間件層次結(jié)構(gòu)圖

中央服務(wù)器(center server,CS)為隧道風(fēng)機(jī)協(xié)同控制提供全局信息服務(wù)和元調(diào)度，結(jié)合應(yīng)用層需求和CPS層單元高效的處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)FS數(shù)據(jù)庫(kù)中多源數(shù)據(jù)的融合。

客戶端面向隧道運(yùn)營(yíng)管理部門及公眾提供統(tǒng)一的訪問(wèn)入口。API接口降低了開(kāi)發(fā)復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可伸縮性。

為了實(shí)現(xiàn)資源信息的高效傳輸，采用基于SCE的CPS中間件信息傳輸方式，如圖10所示。FS按照根據(jù)管理人員需求，定時(shí)查詢CPS處理單元控制命令狀態(tài)，并與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)控制命令狀態(tài)有更新，則向CS匯報(bào)；CS接收到匯報(bào)信息，則立即更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息，返回相應(yīng)的狀態(tài)碼；FS接收到正確的狀態(tài)碼，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的更新。

圖10 資源信息報(bào)告模式結(jié)構(gòu)

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層根據(jù)下層傳輸?shù)娘L(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道通風(fēng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)的監(jiān)控和預(yù)測(cè)以及優(yōu)化調(diào)度等功能。

針對(duì)特長(zhǎng)公路隧道運(yùn)營(yíng)服務(wù)的要求，應(yīng)用層在風(fēng)機(jī)控制基本應(yīng)用，如遠(yuǎn)程控制、設(shè)備檢修等基礎(chǔ)上，應(yīng)用層還可以提供多層次的服務(wù)，為隧道消防、隧道照明、隧道供配電等其他隧道運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)提供接口，實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營(yíng)一體化和不同工況下機(jī)電設(shè)備的協(xié)同控制，特別是在特殊工況(火災(zāi)等)發(fā)揮機(jī)電設(shè)備的作用，保證隧道內(nèi)司乘人員的安全以及為救援提供技術(shù)保障，平臺(tái)架構(gòu)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)應(yīng)用層平臺(tái)架構(gòu)

如圖11所示，隧道照明、供配電和消防系統(tǒng)可以共享風(fēng)機(jī)集群采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)信息處理，對(duì)感控層采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。

2.5 CPS層

CPS層是特長(zhǎng)隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)協(xié)同控制架構(gòu)的最頂層，該層可與其余各層進(jìn)行跨層互聯(lián)以提供特定的服務(wù)支持，以適應(yīng)多風(fēng)機(jī)協(xié)同控制的要求。同時(shí)，CPS層能對(duì)各層進(jìn)行協(xié)調(diào)并進(jìn)行沖突消解，規(guī)劃行為，共同完成任務(wù)以協(xié)同控制隧道風(fēng)機(jī)。CPS層協(xié)同控制原理，如圖12所示。

如圖12所示，CPS層可以接收感控層對(duì)風(fēng)機(jī)集群控制的反饋，其作用是監(jiān)管控制，讓風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)做出自配置和自適應(yīng)，從而執(zhí)行正確的和具有預(yù)防性的風(fēng)機(jī)控制策略。風(fēng)機(jī)事件定義為控制系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制命令等狀態(tài)變化過(guò)程。CPS層的風(fēng)機(jī)事件定義及風(fēng)機(jī)事件的協(xié)同控制策略如下。

風(fēng)機(jī)事件形式化描述為

ConEvent(id,time,loc,p)

(3)

(4)

式中：EC_id是隧道風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的唯一標(biāo)識(shí)；SR_id是連接到嵌入式控制模塊的傳感器的唯一標(biāo)識(shí)；SEQ_id是風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集的發(fā)生序列號(hào)；time是發(fā)生的時(shí)間；loc是發(fā)生的位置；p是采集到傳感器值的標(biāo)量和向量。

基于屬性的事件觸發(fā)機(jī)制為

(5)

式(5)中：p(t)表示t時(shí)刻EC獲得的傳感器單元采集值；p(t-1)表示t-1時(shí)刻EC獲取的傳感器采樣值；當(dāng)兩者差值的范數(shù)大于常數(shù)Cp，則觸發(fā)觀測(cè)事件。

基于時(shí)間周期的事件觸發(fā)機(jī)制為

(6)

式(6)中：tk表示t時(shí)刻EC獲得的傳感器采集值的當(dāng)前時(shí)刻，tk-1表示EC上一次獲取傳感器采樣值的時(shí)刻；當(dāng)兩者差值的范數(shù)大于常數(shù)，則觸發(fā)觀測(cè)事件。

基于位置的事件觸發(fā)機(jī)制為

(7)

式(7)中：loc(t)表示t時(shí)刻EC獲得的傳感器空間的位置；loc(t-1)表示t-1時(shí)刻EC獲取的傳感器空間的位置；當(dāng)兩者差值的范數(shù)大于常數(shù)Cloc，則觸發(fā)觀測(cè)事件。

則多風(fēng)機(jī)協(xié)同控制策略為

(8)

式(8)中：OP表示AND、OR或者NOT；當(dāng)式(8)為真時(shí)，觸發(fā)時(shí)空事件。

該控制策略的核心是利用全局優(yōu)化與區(qū)域協(xié)同自治的配合完成分布式風(fēng)機(jī)集群的協(xié)調(diào)調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的CPS協(xié)同控制。

3 結(jié)論

(1)基于CPS設(shè)計(jì)了一個(gè)5層的特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制架構(gòu)，包括感控層、信息層、應(yīng)用接入層、應(yīng)用層和CPS層。

(2)針對(duì)特長(zhǎng)公路隧道多風(fēng)機(jī)控制，給出了風(fēng)機(jī)集群劃分和風(fēng)機(jī)集群信息傳輸?shù)乃悸?；同時(shí)，結(jié)合特長(zhǎng)公路隧道復(fù)雜風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的信息層數(shù)據(jù)具有海量、多態(tài)、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，采用基于發(fā)布/訂閱方式的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，提高數(shù)據(jù)利用效率。

(3)為減少數(shù)據(jù)并發(fā)性帶來(lái)的數(shù)據(jù)包排隊(duì)等待時(shí)間，建立風(fēng)機(jī)事件信息的優(yōu)先級(jí)，增強(qiáng)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中時(shí)延的可預(yù)測(cè)性，從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

(4)應(yīng)用接入層通過(guò)基于SCE層次結(jié)構(gòu)的中間件解決，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和接入方式等的異構(gòu)性問(wèn)題；CPS層對(duì)風(fēng)機(jī)協(xié)同控制策略進(jìn)行了研究。