一種面向煤礦的信息物理融合系統(tǒng)模型

白魚(yú)秀，鄭歡歡

（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System, CPS）是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上融合了物理和計(jì)算單元的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)物理與信息世界之間的虛實(shí)互聯(lián)，智能地響應(yīng)真實(shí)世界場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)變化，使之具有決策、判斷和管控能力。礦井生產(chǎn)環(huán)境龐大且復(fù)雜多變，安全事故難以預(yù)料、破壞性嚴(yán)重且具有次生和衍生危害，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的整體行為及其趨勢(shì)無(wú)法在其真實(shí)的實(shí)體系統(tǒng)下確定，且無(wú)法在物理上通過(guò)單獨(dú)分析其各組成要素確定。針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的需要，本文擬采用智能設(shè)備、數(shù)據(jù)計(jì)算、控制等技術(shù)，給出一個(gè)基于CPS的智能煤礦系統(tǒng)模型，為煤礦CPS研究提供新的方向。

1 信息物理融合系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)側(cè)重關(guān)注影響系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)因子，信息系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。而CPS以實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的深度耦合為目標(biāo)，它通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或是控制一個(gè)物理實(shí)體。傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能性劃分會(huì)帶來(lái)子系統(tǒng)間的沖突問(wèn)題，而通過(guò)CPS的數(shù)據(jù)信息傳輸、算法優(yōu)化和控制修正，能夠從根本上解決子系統(tǒng)間的沖突問(wèn)題，達(dá)成系統(tǒng)融合目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的感知、通信、控制。

美國(guó)在2006年發(fā)布的《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》明確將CPS列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目；歐盟在2007年提出將CPS作為智能系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向；德國(guó)在2009年的《德國(guó)工業(yè)4.0實(shí)施建議》中提出：建設(shè)一個(gè)平臺(tái)—“全新的基于服務(wù)和實(shí)時(shí)保障的CPS平臺(tái)”；我國(guó)在2010年啟動(dòng)了“面向信息物理融合系統(tǒng)平臺(tái)”等項(xiàng)目。CPS通過(guò)監(jiān)視和感知物理實(shí)體以及數(shù)據(jù)計(jì)算與物理實(shí)體的交互，在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，比如醫(yī)療保障、農(nóng)業(yè)、電力、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)等。

整個(gè)CPS系統(tǒng)可以抽象為由物理單元、計(jì)算單元和控制單元三部分組成，如圖1所示。物理單元負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)際物理環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)人員、信息設(shè)備和信息系統(tǒng)的感知；計(jì)算單元負(fù)責(zé)物理實(shí)體與計(jì)算進(jìn)程的交互以及多源信息的融合分析；控制單元?jiǎng)t是根據(jù)定義規(guī)則和行為特性執(zhí)行決策，改變物理實(shí)體，使得物理實(shí)體具有精確計(jì)算、協(xié)同控制的功能，整個(gè)過(guò)程中操作員輔助執(zhí)行，可以參與任何過(guò)程。

圖1 CPS系統(tǒng)模型

CPS將物理世界與信息世界深度融合，信息在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)空間中傳遞后又反饋給物理環(huán)境。CPS系統(tǒng)工作流程如圖2所示。它利用無(wú)線傳感網(wǎng)、嵌入式設(shè)備從物理環(huán)境中感知信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，由計(jì)算機(jī)融合多信息進(jìn)行分析計(jì)算，最后再依據(jù)已設(shè)定的模型規(guī)則形成決策，向執(zhí)行器發(fā)出操作指令。此過(guò)程是一個(gè)“感知-計(jì)算-執(zhí)行”不斷循環(huán)的過(guò)程，直到完成預(yù)定的控制目標(biāo)。

圖2 CPS系統(tǒng)工作流程

2 煤礦信息物理融合系統(tǒng)的建立

煤礦信息物理融合系統(tǒng)是建立在煤礦井下物理環(huán)境中的，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)等的深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下物理環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能控制，構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的反饋系統(tǒng)。

2.1 煤礦CPS模型

針對(duì)煤礦井下環(huán)境和煤礦生產(chǎn)自身的特殊性，利用CPS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)的大數(shù)據(jù)分析和解算方法，構(gòu)建了一種面向煤礦信息的物理系統(tǒng)模型。如圖3所示，該模型為煤礦生產(chǎn)的“感知-處理-監(jiān)控”全過(guò)程提供智能支持，以保障礦井安全生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化與精準(zhǔn)控制。

圖3 煤礦CPS模型

本文的煤礦CPS模型主要包括信息獲取層、數(shù)據(jù)計(jì)算層和協(xié)同控制層。信息獲取層主要包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式設(shè)備和無(wú)線通信技術(shù)等感知物理環(huán)境的智能配置，并通過(guò)感知器和執(zhí)行器將采集到的各類實(shí)時(shí)信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信息傳送到數(shù)據(jù)計(jì)算層；數(shù)據(jù)計(jì)算層主要將所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算并傳輸給系統(tǒng)控制層；協(xié)同控制層利用控制理論等技術(shù)對(duì)匯聚的信息進(jìn)行處理分析，做出相應(yīng)的決策并向執(zhí)行器發(fā)送相應(yīng)指令對(duì)信息獲取層的儀器設(shè)備進(jìn)行具體的操作控制。

2.2 煤礦CPS模型體系結(jié)構(gòu)

（1）信息獲取層：該層主要利用物理環(huán)境中的各種智能感知設(shè)備，如傳感器設(shè)備、人員定位系統(tǒng)、報(bào)警設(shè)備、傳輸設(shè)備等，采集煤礦井下物理參數(shù)和物理狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速和儀器設(shè)備狀態(tài)等物理環(huán)境參數(shù)的變化。無(wú)線傳感器將獲取到的礦井環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后將采集到的實(shí)時(shí)信息通過(guò)可靠的有線、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)計(jì)算層。

（2）數(shù)據(jù)計(jì)算層：該層是連接物理世界和現(xiàn)實(shí)世界的媒介，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享和復(fù)雜計(jì)算處理。煤礦井下型號(hào)各異的物理設(shè)備都具有一定的計(jì)算能力，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)傳輸獲取到的數(shù)據(jù)，計(jì)算服務(wù)器對(duì)各個(gè)設(shè)備之間傳輸?shù)漠悩?gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與處理。按照數(shù)據(jù)傳遞的方向可分為上行和下行，上行表示物理世界數(shù)據(jù)向協(xié)同控制中心傳送，下行表示現(xiàn)實(shí)世界協(xié)同控制中心指令向虛擬物理世界傳送數(shù)據(jù)。

（3）協(xié)同控制層：該層主要幫助操作員實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦井下物理環(huán)境的整個(gè)狀態(tài)。借助大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)模型，采用先進(jìn)軟硬件技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并將判決信息反饋到實(shí)際煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，完成生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；并且在必要時(shí)發(fā)出控制指令，由執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的反饋操控，形成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。

煤礦CPS模型的三層結(jié)構(gòu)之間高效交互映射，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下資源配置和運(yùn)行的實(shí)時(shí)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將CPS應(yīng)用到煤礦井下生產(chǎn)中，給出了具有監(jiān)測(cè)控制功能的煤礦CPS模型。該模型具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知獲取、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)處理計(jì)算、狀態(tài)實(shí)時(shí)協(xié)同控制等功能。該模型的提出可以提高煤礦的安全控制，為構(gòu)建“智慧礦山”提供重要的技術(shù)支持，為推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)奠定相關(guān)的理論基礎(chǔ)。雖然CPS模型帶來(lái)了很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是CPS以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，容易受到網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊，后續(xù)本文將重點(diǎn)研究如何使CPS不易受篡改，提高其安全性。