煤礦信息物理融合系統(tǒng)的模型與技術研究

引 言

信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是一種新型網(wǎng)絡系統(tǒng)，其以井下環(huán)境為處理對象，通過在設備中嵌入一定的計算和通信功能，運用無線傳感器網(wǎng)絡，利用信息獲取、計算和協(xié)同控制等技術，可以在復雜的環(huán)境下獲得準確的信息，實現(xiàn)對外部環(huán)境的可靠數(shù)據(jù)傳輸與信息處理，并通過反饋回路對物理對象進行實時準確的控制。

1 煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型

CPS 是一個網(wǎng)絡化系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡和物理實體之間的融合得到進一步增強，有效提升了CPS 的功能性和實用性。由于煤礦井下環(huán)境復雜，因此存在特殊的功能需求，如圖 1 所示。

煤礦信息物理融合系統(tǒng)能夠充分融合計算與物理屬性， 從而達到準確描述物理世界的效果。其模型的構(gòu)建基于應用 需求考慮，涉及算法和反饋環(huán)節(jié)等，指定控制器進行操作。 CPS 一般由傳感器、執(zhí)行器、控制處理單元和通信器件 組成。在控制與物理系統(tǒng)之間有一個反饋回路，有效增強了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。依據(jù) CPS 的定義，結(jié)合礦井安全生產(chǎn)情況和功能需求，構(gòu)建了CPS 模型，如圖 2 所示。

由圖 2 可看出，傳感器節(jié)點把采集到的瓦斯?jié)舛取L速以及儀器儀表等數(shù)據(jù)傳給執(zhí)行器，由執(zhí)行器發(fā)出指令控制風機的轉(zhuǎn)速，發(fā)出報警信號，切斷電源等。同時，可以通過 Sink 節(jié)點把數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁骺刂乒?jié)點，由節(jié)點 A，B，C 發(fā)出控制指令供執(zhí)行器執(zhí)行，從而形成智能控制的反饋回路。

在信息物理融合系統(tǒng)中，通信設備之間的距離、電壓等與信息系統(tǒng)的通信能力、處理器、內(nèi)存大小是契合的。因此，在建模時要考慮計算進程與物理進程兩方面的因素。另外，因為煤礦井下存在無線傳輸衰減明顯、工作環(huán)境差等因素，所以煤礦信息物理融合系統(tǒng)的建模還應考慮誤差、丟失等因素。

CPS 工作流程如圖 3 所示。

2 煤礦 CPS的技術研究

由于煤礦井下無線信號衰減明顯，電氣要求為防爆等級， 分散的環(huán)境無法收集足夠的信息等原因，制約了分布式控制技術、通信技術和無線傳感技術直接應用于安全性要求高的煤礦井下。因此，針對這種情況，需要處理好信息獲取、計算和協(xié)同控制之間的關系。

信息獲取技術。首先，掌握現(xiàn)實與網(wǎng)絡之間的運作模式， 促進計算進程和物理進程相互協(xié)同，在計算算法中闡明傳感器節(jié)點的特性，包括傳感器響應時間等；然后，將已經(jīng)掌握的信息反饋給物理系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)傳感器采集的速度來增加采集的信息量。

計算技術。煤礦CPS 需要有效的模型和計算邏輯。通過語義集成方法，能夠使大量數(shù)據(jù)得到處理，命令得以快速執(zhí)行， 從而保證系統(tǒng)的實時性要求，在一定程度上避免了系統(tǒng)錯誤的發(fā)生。

協(xié)同控制技術。為了實現(xiàn)煤礦信息物理融合系統(tǒng)的實時性，需要協(xié)同控制。采用計算抽樣的方法可以提高信息處理的能力。對 CPS來說，計算與物理世界之間的相互協(xié)作要求時間精確，因此需要構(gòu)建動態(tài)反饋回路。CPS的理論技術體系如圖 4所示。

3 結(jié) 語

本文將信息物理融合系統(tǒng)與煤礦相結(jié)合，針對礦井復雜的環(huán)境以及特殊功能需求構(gòu)建能夠高效獲取信息、具有協(xié)同控制能力的煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型，并對構(gòu)建煤礦 CPS 所需的關鍵技術進行了闡述。煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型的構(gòu)建，不僅豐富了 CPS 的模型理論，更對網(wǎng)絡技術的發(fā)展和 礦井信息化具有一定的促進作用，同時，CPS 技術的不斷發(fā)展 將會對科研理論帶來巨大的價值。