基于粗糙集約簡的液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理策略

胡 波，廉自生

(1.太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024;2.太原電力高等專科學校，山西 太原 030013)

1 問題的提出

液壓支架自動控制系統(tǒng)越來越廣泛地應用于大型煤礦，支架監(jiān)控系統(tǒng)是液壓支架自動控制系統(tǒng)的人機交換界面，是工作人員獲取井下采煤設備實時數(shù)據(jù)的主要平臺。

當前國際上主流的液壓支架電液控制系統(tǒng)如DBT 公司的PM4，MARCO 公司的PM31 和JOY 公司的RS20 等在通訊中均使用自主研發(fā)的通訊協(xié)議［1］，其監(jiān)控系統(tǒng)也是基于其通訊協(xié)議開發(fā)的。本課題組在自主研發(fā)的液壓支架電液控制系統(tǒng)基礎上，開發(fā)液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，通訊協(xié)議采用固定幀數(shù)據(jù)格式。液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)是基于組態(tài)軟件來實現(xiàn)的。目前，幾乎所有的組態(tài)軟件底層都預先植入各種通用的通訊協(xié)議，如CAN 總線協(xié)議、Modbus總線協(xié)議等，以便與相關(guān)設備直接建立通訊。但是，固定幀格式數(shù)據(jù)不能直接被組態(tài)軟件識別，因此支架監(jiān)控系統(tǒng)和支架主控制器支架間的通訊不能直接建立。另外，礦井下一個綜采工作面上液壓支架的數(shù)量一般有100～230 架，支架監(jiān)控系統(tǒng)和支架主控制器之間通訊數(shù)據(jù)量巨大，容易造成通訊通道阻塞，通訊延遲，支架動作緩慢等狀況。基于以上兩方面問題，本文利用粗糙集理論先對大量通訊數(shù)據(jù)進行約簡，然后通過在組態(tài)軟件中對全局腳本和mscomm 控件編程來處理約簡后的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)組態(tài)軟件與支架主控制器之間的串口通訊。

本課題中組態(tài)軟件采用西門子公司的Wincc。

2 粗糙集理論及約簡

2.1 粗糙集概念

粗糙集理論(RS 理論)是由波蘭學者Pawlak Z.在1982年提出，是一種處理不完整性和不確定性知識的數(shù)學工具，能有效地分析和處理不精確、不一致、不完整等不完備信息，并從中發(fā)現(xiàn)隱含的知識，揭示潛在的規(guī)律［2］。粗糙集理論的主要思想是在保持分類能力不變的前提下，利用已知的知識庫，通過對知識的約簡，導出概念的分類規(guī)則。

一個信息系統(tǒng)I 是一個四元組:I=〈U，A，V，f〉，其中，U 為論域，是全體對象的有限集合;A 為有限個屬性集合;Va為屬性的值域集合，V=∪Va(a ∈A);f 為信息函數(shù)，f:U×A →V。對于該信息系統(tǒng)I，設cij表示可辨識矩陣中第i 行第j 列的元素。這樣可辨識矩陣可定義為

其中D 為決策屬性，i，j=1，2，3，…，n。

2.2 粗糙集知識約簡

知識約簡就是在保持知識庫分類能力不變的前提下，刪除其中不相關(guān)或次要的知識［3］。由于減少了約束條件，約簡以后的分類規(guī)則具有相對簡潔的形式。

求解知識表達系統(tǒng)中最小相對約簡，就是要在保持整體條件屬性支持度不變的情況下，盡可能快地尋找所含條件屬性最少的約簡。

考慮粗糙集知識約簡問題的實際特點，根據(jù)模式定理，采用基于{0，1}符號集的二進制一維編碼形式，以該屬性是否被選取來決定該位為0 或1。采用區(qū)分矩陣約簡方法需生成可辨識矩陣，通過可辨識矩陣，可將未出現(xiàn)的屬性(無用屬性)去除，并將其中所有僅包含單個屬性(核屬性)的元素取出作為約簡結(jié)果中不可缺的組成部分保留。

3 Wincc 中固定幀數(shù)據(jù)處理及串口通訊的實現(xiàn)

3.1 固定幀格式數(shù)據(jù)的粗糙集約簡

由于監(jiān)控系統(tǒng)和支架主控制器之間通訊數(shù)據(jù)量巨大，不適合直接在Wincc 中編程處理，因此用粗糙集先對通訊數(shù)據(jù)進行屬性約簡預處理。

按照給定的數(shù)據(jù)幀格式及信號功能定義，可得液壓支架控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)如表1 所示(本文以單架操作和一組液壓支架成組操作數(shù)據(jù)為例說明)。

根據(jù)粗糙集概念，定義U 為{表1 中所有數(shù)據(jù)};定義A 為{字頭，目標地址，源地址，命令分類，命令，參數(shù)分類，方向，參數(shù)場};

表1 通訊數(shù)據(jù)幀格式定義表

定義Va為{A 中每個屬性定義下的參數(shù)分類};定義f:U×A。對于該信息系統(tǒng)，根據(jù)粗糙集屬性約簡規(guī)則可以對表1 數(shù)據(jù)進行約簡并生成3 個辨識矩陣如下:

3 個辨識矩陣對應命令列表如表2、表3 和表4 所示。

3.2 粗糙集約簡后數(shù)據(jù)在Wincc 中的處理

辨識矩陣中每行數(shù)列代表一幀數(shù)據(jù)，3 個矩陣中的行數(shù)列分別代表單架動作、成組動作和支架讀取數(shù)據(jù)。

表2 支架單動作約簡

表3 支架成組動作約簡

表4 支架讀參數(shù)數(shù)據(jù)約簡

在第1 個矩陣中，第1 列數(shù)據(jù)代表支架動作目標地址，即接受指令的支架控制器;第2 列數(shù)據(jù)代表源地址，即發(fā)出指令的支架控制器，根據(jù)每列數(shù)據(jù)不同，可以得知每行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗贾Ъ芸刂破骱徒邮罩噶畹闹Ъ芸刂破鳎约皵?shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?第3 列數(shù)據(jù)代表具體命令，指由源控制器要對目標支架進行的操作。根據(jù)以上分析，依據(jù)文獻［4］，在Wincc 環(huán)境中，調(diào)用腳本語言編程環(huán)境，根據(jù)辨識矩陣中每行所列數(shù)據(jù)及各行數(shù)據(jù)之間的異同，分析出數(shù)據(jù)規(guī)律，然后用VB 語言進行編程，實現(xiàn)任意兩行數(shù)據(jù)的區(qū)分相互。

同理，第2 和第3 個辨識矩陣經(jīng)過粗糙集約簡后，已經(jīng)在很大程度上減少了程序辨識的繁瑣程度，按照數(shù)據(jù)變化規(guī)律，對其進行編程，實現(xiàn)每行數(shù)據(jù)的辨識。

3.3 串口通訊的建立

進入Wincc，首先對液壓支架控制點進行組態(tài)，此過程包括數(shù)據(jù)庫的建立、圖形組態(tài)、動態(tài)鏈接等，然后在圖形組態(tài)畫面中另建小塊畫面作為串口通訊調(diào)試區(qū)域，在畫面中建立接收框和約簡框，分別對其編程待用。依據(jù)文獻［5］，調(diào)用mscomm控件，對其功能進行定義并編程，以實現(xiàn)Wincc 串口通信功能。另打開串口調(diào)試助手，設置調(diào)試助手的數(shù)據(jù)格式及波特率，然后與Wincc 通訊試驗區(qū)域進行通訊試驗，根據(jù)試驗結(jié)果修改全局腳本和mscomm 控件中的程序再進行調(diào)試。調(diào)試成功后，表明基于Wincc 的串口通訊建立完成。

4 系統(tǒng)通訊測試

將液壓支架控制器與支架監(jiān)控系統(tǒng)通過串口相連接，進行現(xiàn)場模擬試驗。在支架控制器操作面板上點擊操作按鈕，觀察串口通信測試區(qū)域和相應的組態(tài)畫面。當按下“升柱”按鈕時，監(jiān)控系統(tǒng)測試框中出現(xiàn)“A55A0002000300F00000000000000000 00”，約簡框中出現(xiàn)“A55A0203F0”，同時組態(tài)畫面中第2 架支架“升柱”燈變紅閃爍，通過多次試驗和調(diào)試，均實現(xiàn)預先設定的結(jié)果，可以得出結(jié)論，控制器和監(jiān)控系統(tǒng)之間的串口通訊已經(jīng)成功建立。

5 結(jié)束語

通過采用粗糙集約簡理論對組態(tài)軟件不能識別且數(shù)量巨大的固定幀格式數(shù)據(jù)進行約簡，并利用組態(tài)軟件中提供的腳本語言對全局腳本及串口通信控件進行編程，實現(xiàn)液壓支架主控制器與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊，為數(shù)量巨大的固定幀格式數(shù)據(jù)的串口通訊提供了一種新的方法。該方法對固定幀數(shù)據(jù)作為通訊協(xié)議應用于實際生產(chǎn)具有重要意義。

［1］孫曉健，張東來.CAN 總線在液壓支架電液控制系統(tǒng)的應用［J］.微計算機信息(嵌入式與SOC)2006，22 (6－2):97.

［2］劉 萍，王周敬.基于粗糙集和信息熵的屬性約簡算法［J］.福建電腦，2005 (10).

［3］周世官，張 云.基于粗糙集約簡預處理的模擬電路故障診斷［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2010 (3).

［4］SIMATIC HMI WinCC V7.0 SP1 MDM－WinCC:組態(tài)系統(tǒng)手冊(中文).

［5］SIMATIC HMI WinCC V7.0 SP1 MDM－WinCC:通信系統(tǒng)手冊(中文).