1種面向豬舍的信息物理融合系統(tǒng)模型

曹振麗

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的信息物理融合系統(tǒng)建模方法大多局限于時(shí)間域內(nèi)的分析，且沒有考慮計(jì)算過程和物理過程，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交互對(duì)系統(tǒng)行為所帶來的影響等問題，擴(kuò)展了傳統(tǒng)模型以刻畫系統(tǒng)中的時(shí)空相關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交互以及模型結(jié)合等問題，將時(shí)間和空間的事件信息明確地抽象到編程模型中，在大數(shù)據(jù)背景下進(jìn)行形式化的描述及一體化建模。以豬舍中風(fēng)扇開啟為例，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析，證明該模型可應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，從而有利于設(shè)計(jì)人員更好地分析網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算過程在與物理過程融合、物理環(huán)境交互中的動(dòng)態(tài)行為，對(duì)加深系統(tǒng)的理解和應(yīng)用具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：豬舍；數(shù)據(jù)流；信息物理融合系統(tǒng)；建模；大數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TP301文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0193-03

隨著畜禽養(yǎng)殖工廠化、集約化、規(guī)模化發(fā)展，飼養(yǎng)密度的增加使得養(yǎng)殖環(huán)境不斷惡化，導(dǎo)致禽流感、豬流感等疾病大規(guī)模暴發(fā)，給養(yǎng)殖戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，人們?cè)絹碓街匾曅笄蒺B(yǎng)殖環(huán)境，對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境采用實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)措施。

信息物理融合系統(tǒng)是指集通信、計(jì)算和控制能力于一體的監(jiān)控物理世界中各實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。通過建立模型的物理過程和計(jì)算平臺(tái)，可以促進(jìn)操作過程，有助于用戶更好地了解系統(tǒng)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)更好的控制[2]。張侃等針對(duì)目前在信息物理融合系統(tǒng)的安全性和正確性較為缺乏的問題上，采用形式化方法，建立了一種可信的框架模型，但是其缺點(diǎn)是缺少描述時(shí)空特性的形式化建模方法[3]。胡雅菲等對(duì)信息物理融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，指出它是一種全新的全局控制、局部操控、具有多學(xué)科交叉應(yīng)用的混合網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測(cè)未來的重點(diǎn)研究方向[4]。李仁發(fā)等介紹了信息物理融合系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，分析了信息物理融合系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)，從3個(gè)方面概括它在設(shè)計(jì)上面臨的主要挑戰(zhàn)[5]。王小樂等提出了一種面向服務(wù)的包含節(jié)點(diǎn)層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和資源層4層體系的框架，并結(jié)合4層架構(gòu)討論了信息物理融合系統(tǒng)領(lǐng)域未來的研究方向[6]。

多數(shù)研究集中在特定場(chǎng)景下對(duì)信息物理融合系統(tǒng)建模或是對(duì)傳統(tǒng)的、靜態(tài)的、精確的數(shù)據(jù)建模，對(duì)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流背景下的信息物理融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流建模研究較少。信息物理融合系統(tǒng)中的時(shí)間主要是用來預(yù)測(cè)、度量和控制物理世界的屬性。傳統(tǒng)的建模方法有一定的局限性，大多局限于時(shí)間域內(nèi)的分析，沒有考慮計(jì)算與物理過程通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交互對(duì)系統(tǒng)行為所帶來的影響，因此，須要擴(kuò)展現(xiàn)有模型以刻畫系統(tǒng)中的時(shí)空相關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交互以及模型結(jié)合等問題[7]。

此外，基于事件模型的傳統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在特定時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生的某件事觸發(fā)了狀態(tài)變化。然而究其本質(zhì)，反映到系統(tǒng)中是以數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的變化。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)反映了真實(shí)世界的事件、對(duì)象及其相互關(guān)系，是對(duì)真實(shí)世界的數(shù)字化表達(dá)，因此，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們須要切換到數(shù)據(jù)視角，以數(shù)據(jù)為中心來開展業(yè)務(wù)研究[8]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的畜禽舍信息物理融合系統(tǒng)，還能根據(jù)用戶要求，通過控制單元的控制語句自行設(shè)定溫度、濕度、氨氣濃度等環(huán)境參數(shù)的采集時(shí)間和監(jiān)測(cè)范圍，結(jié)合執(zhí)行單元的相關(guān)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制畜禽舍內(nèi)相關(guān)設(shè)備如排氣風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、噴淋裝置和電源燈的開關(guān)等，使動(dòng)物能夠處在相對(duì)適宜的環(huán)境下，滿足養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境控制的要求。同時(shí)，系統(tǒng)中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為養(yǎng)殖戶提供預(yù)警等。各種傳感器按照設(shè)定的采樣頻率，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，源源不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這些傳送的數(shù)據(jù)就構(gòu)成數(shù)據(jù)流。面向豬舍的信息物理融合系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

1.2傳感器的數(shù)據(jù)建模

傳感器是用于感知物理世界的物理對(duì)象所處狀態(tài)的硬件設(shè)備，提供感知服務(wù)，是物理世界和信息世界互相交互的紐帶，是物理世界與信息世界溝通的橋梁。由于數(shù)據(jù)流的不確定性、動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性，因此，對(duì)傳感器中的數(shù)據(jù)不能像傳統(tǒng)的確定性數(shù)據(jù)那樣描述，對(duì)大數(shù)據(jù)流某一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的描述須要同時(shí)引入時(shí)間、數(shù)值、概率這3個(gè)屬性，才能完整刻畫不確定數(shù)據(jù)流。

1.3無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)建模

已有的系統(tǒng)建模研究大都忽視了計(jì)算與物理過程通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交互對(duì)系統(tǒng)行為所帶來的影響，這正是建模研究中所需要進(jìn)行擴(kuò)展的部分。可靠性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)能量損耗、環(huán)境影響等，常常會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)包丟失，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的可靠性能較低。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)缺失數(shù)據(jù)，從而極大地影響了整個(gè)信息物理融合系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一點(diǎn)可以采用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高效的節(jié)點(diǎn)部署策略、可靠的傳輸技術(shù)和可靠性管理技術(shù)等，以便提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流按傳遞的方向可分為上行和下行2種，上行方向表示源節(jié)點(diǎn)將感知的數(shù)據(jù)流向sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送，主要用于信息的采集。研究發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)者關(guān)注的是上行方向數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，下行方向表示發(fā)送的廣播或單播數(shù)據(jù)流是由sink節(jié)點(diǎn)指向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或局部網(wǎng)絡(luò)。

式中：WirelessNet表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)；sid表示向無線網(wǎng)絡(luò)上行傳送數(shù)據(jù)的傳感器編號(hào)；updata表示該傳感器向無線網(wǎng)絡(luò)上行傳送的數(shù)據(jù)；downdata表示該無線網(wǎng)絡(luò)下行傳送的數(shù)據(jù)，該下行數(shù)據(jù)不僅僅傳送給計(jì)算控制單元，也傳送到用戶的計(jì)算機(jī)及手機(jī)上；cuid表示該無線網(wǎng)絡(luò)下行發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算（控制）單元的編號(hào)，wstime表示該無線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)時(shí)間。由于傳送的數(shù)據(jù)是不確定數(shù)據(jù)流形式，因此該數(shù)據(jù)的描述形式采用公式（5）的三元組進(jìn)行刻畫：

2結(jié)論

首先，本研究介紹了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)控越來越被重視

[JP2]的原因，以及信息物理融合系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，并對(duì)國內(nèi)外建模的研究現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行了陳述。接著，摒棄傳統(tǒng)的以事件為中心建模，提出在大數(shù)據(jù)背景下切換到數(shù)據(jù)視角，以數(shù)據(jù)為中心來研究面向養(yǎng)殖環(huán)境的豬舍信息物理融合系統(tǒng)的建模。然后，在考慮計(jì)算與物理過程通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交互對(duì)系統(tǒng)行為所帶來的影響后，對(duì)傳統(tǒng)建模的組成部分進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展，分別描述數(shù)據(jù)流情形下的物理世界、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算（控制）單元、執(zhí)行器的數(shù)據(jù)建模的形式化，實(shí)現(xiàn)計(jì)算世界與物理世界異構(gòu)信息的交互融合，將時(shí)間和空間的事件信息抽象到編程模型中，設(shè)計(jì)一種面向豬舍養(yǎng)殖環(huán)境的信息物理融合系統(tǒng)模型。最終，通過實(shí)例分析，證明該模型可應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中。[JP]

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明星，馬武彬，鄧蘇，等. 面向服務(wù)的信息物理融合系統(tǒng)建模與驗(yàn)證[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（6）：1770-1773.

[2]路易斯·阿爾梅達(dá). 信息物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)[J]. 楊盤隆，譯. 中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2012，8（3）：26-31.

[3]張侃，張廣泉，張茗泰. 一種可信的信息物理融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架初探[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，48（增刊2）：242-246.

[4]胡雅菲，李方敏，劉新華. CPS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，47（增刊2）：304-311.

[5]李仁發(fā)，謝勇，李蕊，等. 信息-物理融合系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2012，49（6）：1149-1161.

[6]王小樂，陳麗娜，黃宏斌，等. 一種面向服務(wù)的CPS體系框架[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，47（增刊2）：299-303.

[7]周興社，楊亞磊，楊剛. 信息物理融合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為模型構(gòu)建方法[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2014，37（6）：1411-1423.

[8]潘柱廷. 切換到數(shù)據(jù)視角，以數(shù)據(jù)為中心[J]. 中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2013，9（7）：44-48.

[FQ）]

[HT5”SS〗江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年第45卷第5期

[SQ*5]

[HT6F]周良富，周立新，薛新宇，等. 氣體噴射壓縮器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（5）：196-199.