煤礦信息物理融合系統的模型與技術研究

張文

摘 要：信息物理融合系統（CPS）是一種集計算、網絡和物理世界于一體的復雜系統，通過計算、通信以及控制技術的深度融合與相互協作，可以實現工礦系統的控制與信息服務。針對煤礦安全生產的需求，結合井下復雜的環境，構建具有環境監測功能以及多功能控制的CPS模型。在此基礎上，分析面向煤礦信息物理融合系統的信息獲取、計算和協同控制技術。煤礦信息物理融合系統模型的構建和關鍵技術的改進對提高產量、安全生產、礦井信息化具有極大的推動作用。

關鍵詞：CPS；工況系統；信息獲?。粎f同控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

信息物理融合系統（CPS）是一種新型網絡系統，其以井下環境為處理對象，通過在設備中嵌入一定的計算和通信功能，運用無線傳感器網絡，利用信息獲取、計算和協同控制等技術，可以在復雜的環境下獲得準確的信息，實現對外部環境的可靠數據傳輸與信息處理，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模型

CPS是一個網絡化系統。隨著網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。其模型的構建基于應用需求考慮，涉及算法和反饋環節等，指定控制器進行操作。

CPS一般由傳感器、執行器、控制處理單元和通信器件組成。在控制與物理系統之間有一個反饋回路，有效增強了系統的穩定性。依據CPS的定義，結合礦井安全生產情況和功能需求，構建了CPS模型，如圖2所示。

由圖2可看出，傳感器節點把采集到的瓦斯濃度、風速以及儀器儀表等數據傳給執行器，由執行器發出指令控制風機的轉速，發出報警信號，切斷電源等。同時，可以通過Sink節點把數據傳輸到各控制節點，由節點A，B，C發出控制指令供執行器執行，從而形成智能控制的反饋回路。

在信息物理融合系統中，通信設備之間的距離、電壓等與信息系統的通信能力、處理器、內存大小是契合的。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、工作環境差等因素，所以煤礦信息物理融合系統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、計算和協同控制之間的關系。

信息獲取技術。首先，掌握現實與網絡之間的運作模式，促進計算進程和物理進程相互協同，在計算算法中闡明傳感器節點的特性，包括傳感器響應時間等；然后，將已經掌握的信息反饋給物理系統，通過調節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，能夠使大量數據得到處理，命令得以快速執行，從而保證系統的實時性要求，在一定程度上避免了系統錯誤的發生。

協同控制技術。為了實現煤礦信息物理融合系統的實時性，需要協同控制。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作要求時間精確，因此需要構建動態反饋回路。CPS的理論技術體系如圖4所示。

3 結 語

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

參考文獻

[1]王喜文.圖解工業4.0的核心技術——信息物理融合系統（CPS）[J].物聯網技術，2017，7（4）：4-5.

[2]李必信，周穎.信息物理融合系統導論[M].北京：科學出版社，2016.

[3]徐靜，譚章祿.智慧礦山系統工程與關鍵技術[J].煤炭科學技術，2014，42（4）：79-82.

[4]溫景容，武穆清，宿景芳.信息物理融合系統[J].自動化學報，2012，38（4）：507-517.

[5]王莉.智慧礦山概念及關鍵技術探討[J]. 工礦自動化，2014，40（6）：37-41.

[6]王中杰，謝璐璐.信息物理融合系統研究綜[J].自動化學報，2011，37（10）：1157-1166.

[7]孫彥景，于滿，何妍君.煤礦信息物理融合系統模型[J].計算機研究與發展，2011（52）：295-301.

[8]胡雅菲，李方敏，劉新華.CPS 網絡體系結構及關鍵技術[J].計算機研究與發展，2010（S2）： 304-311.

[9]何積豐.信息物理融合系統[J].中國計算機學會通訊，2010，6（1）：25-29.

[10]譚朋柳，舒堅，吳振華.一種信息物理融合系統體系結構[J].計算機研究與發展，2010（S2）：312-316.