多技術輔助的高可靠礦井通信網絡框架

何衛剛,王曉敏

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

0 引言

煤礦生產系統中現有通信能力、信息采集能力、智能化程度已經具備一定的基礎,但存在著礦井網絡可靠性不足,資源利用率不高的問題;生產系統多系統、數據交互融合不強,多網單獨運維難度大,人員工作量大等。針對存在的問題,需要構架多技術輔助的高可靠礦井通信網絡框架,通信部分引入具有自主網能力,超遠距離無線通信技術作為系統通信的備份,保證重要信息在系統受損時依然可達。實現一種有線和無線一體化考慮的,并且對于應用層數據敏感的網絡管控機制,有效保證緊急信息的優先網絡服務,提高整體網絡對于安全信息,事故故障信息等重要信息的服務質量。管控系統部分形成邊緣和云端協同的管控機制,邊緣節點和端設備可以在故障發生時,提供局部優化的設備管控措施,有效保證礦井生存環境,將故障導向安全。智能計算及推理部分實施一種多模態下數據融合和推理技術。

1 自底向上的虛擬化網絡架構

目前煤礦所采用的網絡協議與通信技術[1]基本都是固有如以太網、485、232等為代表的Out of State網絡及通信協議,其自身協議屬性導致在民用商用場景下體現出高可靠、高穩定、低成本等特點。但是其自身的無狀態特點并不適應于礦井這類高危場景,尤其是在礦井中已經部署了大量感知設備[2]的今天,大量感知設備采用有線或者無線接入的方式,周期性或者觸發式的采樣發送,數量眾多的攝像頭導致礦井網絡自身的吞吐能力[3]難以承載巨大的數據傳輸量,丟包和延遲問題凸顯,而由于這類無狀態網絡協議不具備針對信息QoS采用不同處理方式的能力,如火災,CO超標等可能會由于網絡擁塞[4]在傳輸過程中被丟棄,導致重要信息的丟失或者延遲過高致使礦井內關鍵信息傳輸的可靠性下降。

隨著軟件定義網絡[5]和軟件定義無線電[6]等網絡虛擬化技術的發展和逐步成熟,建設一套自底向上的虛擬化網絡架構[7]對于礦井內信息面向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參數如DSSS、頻寬、信號強度及調制解調方式對重要信息進行合適調節可保障其在物理層層面上數據傳輸的成功率;在數據鏈路層采用面向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先,保障重要信息優先獲得無線資源,提升數據傳輸的實時性;在網絡層及交換設備方面,對于數據隊列摒棄以往先入先出的隊列調度方式,采用根據QoS優先級的隊列調度算法[9],減少數據傳輸過程中的隊列延遲;在傳輸控制層方面,利用TCP調度原理[10],中間設備合理設置轉發報文段的接受窗口尺寸,對于非重要數據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;在應用層方面,對于云端采集到的數據信息采用優先級的多隊列機制,不同等級QoS進入不同隊列,實現面向QoS的高可靠軟總線,減少對于重要信息的處理延遲[11],網絡協議棧架構如圖1所示。

圖1 自底向上的QoS敏感的網絡協議棧架構

2 多技術融合的自組網系統

煤礦中一般采用環形網絡拓撲,這種帶有冗余特征的網絡拓撲其重要意義在于個別節點失效時依然可以實現網絡路徑,這種設計可以在單點失效的有效保證網絡的基本功能,但是并不能適應多點失效情況下對于數據多跳傳輸的要求,尤其在發生坍塌或者火災等器質性災變時。而現有的礦井內的無線通信網絡大多采用4G、Zigbee、WiFi、Bluetooth等無線協議,上述協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境下信息傳輸距離嚴重受限,障礙物傳統能力十分有限;除Zigbee和BLE這類低功耗的無線傳輸協議,大多不具備電池供電的潛力,而通常災害發生時,不僅是網絡受到損失,電力供應也很難滿足。

設計一種有線與無線相結合,選取窄帶的物理層編碼協議如Chirp、FSK等,通過低頻無線電傳輸實現無線的穿透和跨越障礙能力,實現網絡層無線有線統一管理,實現結合有線基礎網的無線自組網技術。當故障發生時會有無線通訊多跳組合跨越故障段結合軟件定義機制保障關鍵信息在災害發生時依然可達。設計適合礦井內無線節點的休眠和節能機制[12],提升災害發生時網絡存活時間,保障高效救援[13],無線自組網技術如圖2所示。

圖2 基于有線主干的無線自組網技術

3 計算前移的邊云協同框架

礦井內計算基本都采用集中式處理[14],導致所有設備、傳感器、人員的采樣信息都需經過主干網傳輸至地面,再交由地面集中式處理。上述方法對于網絡負載較大,大量采樣尤其是視覺影像會占據網絡大量帶寬,并且決策系統的中心化會導致判斷和執行脫節,即從事件的發生到做出合適的相應動作之間延遲過大,不利于緊急狀況的處理。

引入邊云的協同框架[15],會使計算進一步遷移,提升系統響應速度,降低從決策到響應的時延,并且由于邊緣端所具備的計算能力使礦井網絡所承擔的采樣數量大幅下降,從而減少了由網絡能力不足所帶來的整體系統瓶頸。而邊云協同系統同樣可以根據SDN控制器[16]對網絡的監控結果采取邊云端計算的相互卸載,實現計算系統與網絡系統相結合的管控方式,大大提升整體系統的運行效率[17],邊云協同架構如圖3所示。另外中心決策所帶來的另一弊端在于整體系統嚴重依賴于中心,而當網絡或者中心服務器出現故障時,整體系統效能大幅下降甚至癱瘓,致使整體系統魯棒性不足。采用邊云協同架構情況下,當失去云端支撐,邊緣系統依然能夠提供局部優化[18]的管控措施,可以有效保證礦井生存環境,將故障導向安全。

圖3 礦井邊云協同架構

4 面向設備能力的邊云系統

現有設備管理系統僅僅是以設備采樣和設備控制為核心來設計的,這類設備管理系統能夠提供設備實例的增刪改查,設備狀態信息的記錄和設備時序數據的持久化等基本功能。而面向工業場景的設備管理系統,不僅需要對設備的狀態信息進行管控,更多要實現對設備能力的充分利用,完成從人管理機器、操作機器,到人定義場景、場景驅動任務、任務分配給機器、機器靈活協作實現復雜工序的轉變。其中設備能力虛擬化是其中的一個核心技術,不同種類設備從本體出發具備承擔各種任務的能力,設備可實現能力的不同取決于其外設、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不同的角色,執行不同的邏輯,解決不同的問題。

因此,如何對設備能力進行抽象和虛擬化成為工業智能的一大核心挑戰,有效地實現設備能力抽象,既可以降低設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。通過對設備操作接口進行抽象,技術人員可通過同一個接口或界面來操作所有同種類型的設備,學習和培訓成本也相應大大降低;當設備開發具有統一接口抽象標準時,技術人員也不需要重復造輪子來對不同型號設備進行重復編程,大部分接口可通過模板化自動生成,從而提升設備功能的開發效率,縮短開發周期。通過對設備能力進行虛擬化,一方面可以使得同一個設備具備執行不同任務的能力,如同一個工業安卓設備既可以用來作為設備操作面板,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采集工具;另一方面針對實時性要求不高的場景,設備可同時進行多任務處理,如工業微控制器設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。

綜合以上設備的能力抽象和虛擬化2點,設備可根據需求進行在線賦能,每種能力作為一個可復用的單元模塊,根據需求分發給指定設備進行OTA更新,同時設備上的能力管理程序對能力的生命周期進行管控,通過遠程過程調用的方式受邊云系統調度指揮,實現了面向設備能力的如軟件定義的協同任務分配[19],提升工業場景下的設備靈活組織能力,降低任務排期部署過程的人力和物力的損耗,使得工業場景變得高度可定制化。

5 礦井內多模態智能計算及推理技術

由于礦井內部設備種類眾多,且產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,這種非對齊的數據容易使其融合和管理陷入困境,使傳統的智能推理算法難以正常發揮其作用,設計復雜,需要充足的專業知識,無法滿足礦井應用中對于智能推理在準確率、召回率、實時性等指標的需求,因此通過多模態數據融合[20]和推理技術,提升模型訓練水平和推理計算效果,對于礦井內的智能分析具有重要的意義。多模態數據融合從文本、圖像、小型傳感器、視頻等多個領域獲取信息,實現信息轉換和融合,主要包括表示、融合、轉換、對齊4個步驟,通過編碼將單模態表示通過注意力機制投影到一個共享語義子空間中,通過權重加權或者拼接方法融合多模態數據;通過特征壓縮的方式減少多模態內部的冗余數據,保留互補數據;通過無監督學習的方式實現不同模態表示信息的對齊。對齊多模態數據之后,構建多個模態數據中的知識圖譜,抽取實體和關系,提取其中的特征并形成推理,實現在復雜的礦井情境下的問題溯源,智能控制以及最優能耗問題求解,可以根據系統運行狀態,實時選用最合適的控制方法,實現多種控制策略優勢的綜合,使得系統的控制性能滿足較高的要求[21]。保證在礦井內部安全、精準、快速的運行控制,多模態融合技術如圖4所示。

圖4 多模態融合技術

6 結論

智能礦井對網絡要求和信息處理可靠性、實時性、魯棒性要求極高,通過引入全協議棧的虛擬化技術,可以大幅度提升整體網絡對于關鍵信息的處理和響應速度;通過引入多技術輔助的無線網絡自組織技術,可以大幅提升災難發生時整體網絡的存活能力;通過引入邊云協同技術,可以適應于網絡故障發生和降低整體系統對于網絡的管控;通過引入多模態融合技術,可以提升目前礦井內智能推理和計算水平。