多技術(shù)輔助的高可靠礦井通信網(wǎng)絡(luò)框架

何衛(wèi)剛,王曉敏

(1.國家能源投資集團神東煤炭集團寸草塔煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209;2.陜西省寶雞市鳳翔區(qū)公安局,陜西 寶雞 721400)

0 引言

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中現(xiàn)有通信能力、信息采集能力、智能化程度已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ),但存在著礦井網(wǎng)絡(luò)可靠性不足,資源利用率不高的問題;生產(chǎn)系統(tǒng)多系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互融合不強,多網(wǎng)單獨運維難度大,人員工作量大等。針對存在的問題,需要構(gòu)架多技術(shù)輔助的高可靠礦井通信網(wǎng)絡(luò)框架,通信部分引入具有自主網(wǎng)能力,超遠距離無線通信技術(shù)作為系統(tǒng)通信的備份,保證重要信息在系統(tǒng)受損時依然可達。實現(xiàn)一種有線和無線一體化考慮的,并且對于應(yīng)用層數(shù)據(jù)敏感的網(wǎng)絡(luò)管控機制,有效保證緊急信息的優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)服務(wù),提高整體網(wǎng)絡(luò)對于安全信息,事故故障信息等重要信息的服務(wù)質(zhì)量。管控系統(tǒng)部分形成邊緣和云端協(xié)同的管控機制,邊緣節(jié)點和端設(shè)備可以在故障發(fā)生時,提供局部優(yōu)化的設(shè)備管控措施,有效保證礦井生存環(huán)境,將故障導(dǎo)向安全。智能計算及推理部分實施一種多模態(tài)下數(shù)據(jù)融合和推理技術(shù)。

1 自底向上的虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前煤礦所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與通信技術(shù)[1]基本都是固有如以太網(wǎng)、485、232等為代表的Out of State網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議,其自身協(xié)議屬性導(dǎo)致在民用商用場景下體現(xiàn)出高可靠、高穩(wěn)定、低成本等特點。但是其自身的無狀態(tài)特點并不適應(yīng)于礦井這類高危場景,尤其是在礦井中已經(jīng)部署了大量感知設(shè)備[2]的今天,大量感知設(shè)備采用有線或者無線接入的方式,周期性或者觸發(fā)式的采樣發(fā)送,數(shù)量眾多的攝像頭導(dǎo)致礦井網(wǎng)絡(luò)自身的吞吐能力[3]難以承載巨大的數(shù)據(jù)傳輸量,丟包和延遲問題凸顯,而由于這類無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不具備針對信息QoS采用不同處理方式的能力,如火災(zāi),CO超標等可能會由于網(wǎng)絡(luò)擁塞[4]在傳輸過程中被丟棄,導(dǎo)致重要信息的丟失或者延遲過高致使礦井內(nèi)關(guān)鍵信息傳輸?shù)目煽啃韵陆怠?/p>

隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)[5]和軟件定義無線電[6]等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟,建設(shè)一套自底向上的虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[7]對于礦井內(nèi)信息面向QoS的針對性處理可以大幅降低重要信息的丟包和延遲概率,保障重要信息的實時性和可靠性。在物理層方面,利用無線通信眾多可調(diào)參數(shù)如DSSS、頻寬、信號強度及調(diào)制解調(diào)方式對重要信息進行合適調(diào)節(jié)可保障其在物理層層面上數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?在數(shù)據(jù)鏈路層采用面向QoS的無線退避機制[8],使重要信息在射頻資源競爭上獲得優(yōu)先,保障重要信息優(yōu)先獲得無線資源,提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性;在網(wǎng)絡(luò)層及交換設(shè)備方面,對于數(shù)據(jù)隊列摒棄以往先入先出的隊列調(diào)度方式,采用根據(jù)QoS優(yōu)先級的隊列調(diào)度算法[9],減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的隊列延遲;在傳輸控制層方面,利用TCP調(diào)度原理[10],中間設(shè)備合理設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)報文段的接受窗口尺寸,對于非重要數(shù)據(jù)流進行傳輸層的抑制避免擁塞,保障重要信息流的吞吐能力;在應(yīng)用層方面,對于云端采集到的數(shù)據(jù)信息采用優(yōu)先級的多隊列機制,不同等級QoS進入不同隊列,實現(xiàn)面向QoS的高可靠軟總線,減少對于重要信息的處理延遲[11],網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自底向上的QoS敏感的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)

2 多技術(shù)融合的自組網(wǎng)系統(tǒng)

煤礦中一般采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲,這種帶有冗余特征的網(wǎng)絡(luò)拓撲其重要意義在于個別節(jié)點失效時依然可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑,這種設(shè)計可以在單點失效的有效保證網(wǎng)絡(luò)的基本功能,但是并不能適應(yīng)多點失效情況下對于數(shù)據(jù)多跳傳輸?shù)囊?尤其在發(fā)生坍塌或者火災(zāi)等器質(zhì)性災(zāi)變時。而現(xiàn)有的礦井內(nèi)的無線通信網(wǎng)絡(luò)大多采用4G、Zigbee、WiFi、Bluetooth等無線協(xié)議,上述協(xié)議本身并不具備遠程通信能力,且由于本身大多采用高頻或者超高頻的載波頻率致使它們在惡劣環(huán)境下信息傳輸距離嚴重受限,障礙物傳統(tǒng)能力十分有限;除Zigbee和BLE這類低功耗的無線傳輸協(xié)議,大多不具備電池供電的潛力,而通常災(zāi)害發(fā)生時,不僅是網(wǎng)絡(luò)受到損失,電力供應(yīng)也很難滿足。

設(shè)計一種有線與無線相結(jié)合,選取窄帶的物理層編碼協(xié)議如Chirp、FSK等,通過低頻無線電傳輸實現(xiàn)無線的穿透和跨越障礙能力,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層無線有線統(tǒng)一管理,實現(xiàn)結(jié)合有線基礎(chǔ)網(wǎng)的無線自組網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)故障發(fā)生時會有無線通訊多跳組合跨越故障段結(jié)合軟件定義機制保障關(guān)鍵信息在災(zāi)害發(fā)生時依然可達。設(shè)計適合礦井內(nèi)無線節(jié)點的休眠和節(jié)能機制[12],提升災(zāi)害發(fā)生時網(wǎng)絡(luò)存活時間,保障高效救援[13],無線自組網(wǎng)技術(shù)如圖2所示。

圖2 基于有線主干的無線自組網(wǎng)技術(shù)

3 計算前移的邊云協(xié)同框架

礦井內(nèi)計算基本都采用集中式處理[14],導(dǎo)致所有設(shè)備、傳感器、人員的采樣信息都需經(jīng)過主干網(wǎng)傳輸至地面,再交由地面集中式處理。上述方法對于網(wǎng)絡(luò)負載較大,大量采樣尤其是視覺影像會占據(jù)網(wǎng)絡(luò)大量帶寬,并且決策系統(tǒng)的中心化會導(dǎo)致判斷和執(zhí)行脫節(jié),即從事件的發(fā)生到做出合適的相應(yīng)動作之間延遲過大,不利于緊急狀況的處理。

引入邊云的協(xié)同框架[15],會使計算進一步遷移,提升系統(tǒng)響應(yīng)速度,降低從決策到響應(yīng)的時延,并且由于邊緣端所具備的計算能力使礦井網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的采樣數(shù)量大幅下降,從而減少了由網(wǎng)絡(luò)能力不足所帶來的整體系統(tǒng)瓶頸。而邊云協(xié)同系統(tǒng)同樣可以根據(jù)SDN控制器[16]對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控結(jié)果采取邊云端計算的相互卸載,實現(xiàn)計算系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合的管控方式,大大提升整體系統(tǒng)的運行效率[17],邊云協(xié)同架構(gòu)如圖3所示。另外中心決策所帶來的另一弊端在于整體系統(tǒng)嚴重依賴于中心,而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或者中心服務(wù)器出現(xiàn)故障時,整體系統(tǒng)效能大幅下降甚至癱瘓,致使整體系統(tǒng)魯棒性不足。采用邊云協(xié)同架構(gòu)情況下,當(dāng)失去云端支撐,邊緣系統(tǒng)依然能夠提供局部優(yōu)化[18]的管控措施,可以有效保證礦井生存環(huán)境,將故障導(dǎo)向安全。

圖3 礦井邊云協(xié)同架構(gòu)

4 面向設(shè)備能力的邊云系統(tǒng)

現(xiàn)有設(shè)備管理系統(tǒng)僅僅是以設(shè)備采樣和設(shè)備控制為核心來設(shè)計的,這類設(shè)備管理系統(tǒng)能夠提供設(shè)備實例的增刪改查,設(shè)備狀態(tài)信息的記錄和設(shè)備時序數(shù)據(jù)的持久化等基本功能。而面向工業(yè)場景的設(shè)備管理系統(tǒng),不僅需要對設(shè)備的狀態(tài)信息進行管控,更多要實現(xiàn)對設(shè)備能力的充分利用,完成從人管理機器、操作機器,到人定義場景、場景驅(qū)動任務(wù)、任務(wù)分配給機器、機器靈活協(xié)作實現(xiàn)復(fù)雜工序的轉(zhuǎn)變。其中設(shè)備能力虛擬化是其中的一個核心技術(shù),不同種類設(shè)備從本體出發(fā)具備承擔(dān)各種任務(wù)的能力,設(shè)備可實現(xiàn)能力的不同取決于其外設(shè)、負載、輸入等因素,即使是同一個型號的PLC單元,也會因其引腳的功能定義不同而可承擔(dān)不同的角色,執(zhí)行不同的邏輯,解決不同的問題。

因此,如何對設(shè)備能力進行抽象和虛擬化成為工業(yè)智能的一大核心挑戰(zhàn),有效地實現(xiàn)設(shè)備能力抽象,既可以降低設(shè)備的操作和維護難度,又可以使其具備一定的通用性和可遷移性。通過對設(shè)備操作接口進行抽象,技術(shù)人員可通過同一個接口或界面來操作所有同種類型的設(shè)備,學(xué)習(xí)和培訓(xùn)成本也相應(yīng)大大降低;當(dāng)設(shè)備開發(fā)具有統(tǒng)一接口抽象標準時,技術(shù)人員也不需要重復(fù)造輪子來對不同型號設(shè)備進行重復(fù)編程,大部分接口可通過模板化自動生成,從而提升設(shè)備功能的開發(fā)效率,縮短開發(fā)周期。通過對設(shè)備能力進行虛擬化,一方面可以使得同一個設(shè)備具備執(zhí)行不同任務(wù)的能力,如同一個工業(yè)安卓設(shè)備既可以用來作為設(shè)備操作面板,又可以用來做工人機器操作危險檢測,或作為工廠信息分發(fā)采集工具;另一方面針對實時性要求不高的場景,設(shè)備可同時進行多任務(wù)處理,如工業(yè)微控制器設(shè)備既可以定期上報傳感器信息,又可以作為本地運算來進行入侵檢測等。

綜合以上設(shè)備的能力抽象和虛擬化2點,設(shè)備可根據(jù)需求進行在線賦能,每種能力作為一個可復(fù)用的單元模塊,根據(jù)需求分發(fā)給指定設(shè)備進行OTA更新,同時設(shè)備上的能力管理程序?qū)δ芰Φ纳芷谶M行管控,通過遠程過程調(diào)用的方式受邊云系統(tǒng)調(diào)度指揮,實現(xiàn)了面向設(shè)備能力的如軟件定義的協(xié)同任務(wù)分配[19],提升工業(yè)場景下的設(shè)備靈活組織能力,降低任務(wù)排期部署過程的人力和物力的損耗,使得工業(yè)場景變得高度可定制化。

5 礦井內(nèi)多模態(tài)智能計算及推理技術(shù)

由于礦井內(nèi)部設(shè)備種類眾多,且產(chǎn)品型號存在重大差異,即使同種類的傳感器也無法保證采樣周期、采樣深度、時鐘的一致性,這種非對齊的數(shù)據(jù)容易使其融合和管理陷入困境,使傳統(tǒng)的智能推理算法難以正常發(fā)揮其作用,設(shè)計復(fù)雜,需要充足的專業(yè)知識,無法滿足礦井應(yīng)用中對于智能推理在準確率、召回率、實時性等指標的需求,因此通過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合[20]和推理技術(shù),提升模型訓(xùn)練水平和推理計算效果,對于礦井內(nèi)的智能分析具有重要的意義。多模態(tài)數(shù)據(jù)融合從文本、圖像、小型傳感器、視頻等多個領(lǐng)域獲取信息,實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換和融合,主要包括表示、融合、轉(zhuǎn)換、對齊4個步驟,通過編碼將單模態(tài)表示通過注意力機制投影到一個共享語義子空間中,通過權(quán)重加權(quán)或者拼接方法融合多模態(tài)數(shù)據(jù);通過特征壓縮的方式減少多模態(tài)內(nèi)部的冗余數(shù)據(jù),保留互補數(shù)據(jù);通過無監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式實現(xiàn)不同模態(tài)表示信息的對齊。對齊多模態(tài)數(shù)據(jù)之后,構(gòu)建多個模態(tài)數(shù)據(jù)中的知識圖譜,抽取實體和關(guān)系,提取其中的特征并形成推理,實現(xiàn)在復(fù)雜的礦井情境下的問題溯源,智能控制以及最優(yōu)能耗問題求解,可以根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài),實時選用最合適的控制方法,實現(xiàn)多種控制策略優(yōu)勢的綜合,使得系統(tǒng)的控制性能滿足較高的要求[21]。保證在礦井內(nèi)部安全、精準、快速的運行控制,多模態(tài)融合技術(shù)如圖4所示。

圖4 多模態(tài)融合技術(shù)

6 結(jié)論

智能礦井對網(wǎng)絡(luò)要求和信息處理可靠性、實時性、魯棒性要求極高,通過引入全協(xié)議棧的虛擬化技術(shù),可以大幅度提升整體網(wǎng)絡(luò)對于關(guān)鍵信息的處理和響應(yīng)速度;通過引入多技術(shù)輔助的無線網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù),可以大幅提升災(zāi)難發(fā)生時整體網(wǎng)絡(luò)的存活能力;通過引入邊云協(xié)同技術(shù),可以適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生和降低整體系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)的管控;通過引入多模態(tài)融合技術(shù),可以提升目前礦井內(nèi)智能推理和計算水平。