基于CPS的军队油库管理系统研究

2017-09-28何明星王丽娜孙希艳

电脑知识与技术 2017年24期

关键词：油库军队标签

何明星，王丽娜，孙希艳

(冶金自动化研究设计院，北京100071)

基于CPS的军队油库管理系统研究

何明星，王丽娜，孙希艳

(冶金自动化研究设计院，北京100071)

当前军队油库的设备信息管理多为分布式总线型通讯，通讯速率低且接口不统一，管理效率较低，不能满足现代战争的需要。该文提出一种基于语义标签的军队油库CPS架构，建立了设备互联的物理通讯网络，定义互操作的语义标签，构建了自主决策的管理控制策略，提高了系统对各种作业的自适应能力，有力地保障了军队油库的安全供应。

军队油库；CPS；语义标签；自主决策

军队的油库是重要的战略和战备单位，在日常的训练和维护中向各作战单位提供燃料保障战斗单元的正常运转。现代化的战争是信息化水平的较量，而当前的军队油库的设备技术水平参差不齐，因此存在较多的管理问题，主要有：(1)多种设备或传感器尚未实现信息互联，只能执行本地的查看和操作；(2)设备的联网仅限于数据的显示和存储，设备与设备之间的未实现连接；(3)数据的存储和分析由中心服务器执行，各信息单元没有自主的分析和处理能力。

由于战备的需要，军队油库与一般民用油库有很多的不同，军队油库的测量设备要求安全可靠性高，操作简便、自动化程度高，军队的油库油品数量大、种类多、收发油操作频繁，军队油库的日报、周报、月报等要及时准确，以便于掌握当前的存储收发情况进行战备物料的调拨。

为提高军队油库应对战备训练的反应速度，必须要改进军队油库设备的信息化水平，增强油料管理的执行效率，便于军队各部门实时掌握油料信息，并以数据分析结果为依据做出合理的决策。本文提出了基于物理信息融合CPS(Cyber Physical Systems)的军队油库管理模型，将军队油库的管理模型由原有的设备和数据管理升级成为一个由生产力流、物料流和信息流组合的整体，实现对军队油库的整体管控。

1 方案设计

CPS是指以当前设备为基础，在生产物理系统中引入嵌入式技术和网络通讯技术，使原有系统的各设备节点具有计算、通讯、感知的能力，通过具体应用的建模和决策，使原系统具有自适应和自调节功能，从而达到改善系统自动化程度、提高效率的目的。

构建军队油库CPS系统分为三个部分，第一部分要实现现有的电动设备、传感器、执行器、测量仪表的升级改造，引入网络接口，统一网络协议，实现设备与设备的互通互联，第二部分根据业务的操作流程和信息流的处理方式，将物理设备与信息点进行映射定义，第三部分制定军队油库的语义标签模型，满足油库信息的作业要求，实现油库设备的协同工作和辅助决策。

图1 军队CPS系统结构图

军队油库的CPS系统整体架构如图1所示，按不同的总线类型将油库的所有设备进行联接后，分别进入CPS网关将数据重新打包整理，建立起完整的设备互通网络。在设备网络基础上，将所有信息进行归类，并定义不同的设备标签，完成设备环境到信息环境的切换，为保证安全在链路层还须引入隔离防火墙、网闸等安全装置。最后设计面向用户的数据处理和分析模型，并提供人机界面，使用户操作更加简便易用。

2 系统实现

2.1 军队油库CPS信息单元

当前的军队油库中的电气设备来自众多的设备制造商，集成化程度低且互不兼容，传感器及设备主要为执行上位机的控制命令，设备的状态获取速度低，实时性较低，因此基础设施的没有自主的感知和决策能力难以实现CPS系统复杂的设备操作。

图2 CPS信息单元的网络结构

军队油库的CPS信息单元如图2所示，将油库系统中的所有设备均进行网络连通，连接方式分为有线数据传输和无线数据传输两类，有线网络采用TCP/IP网络，无线网络主信道为WIFI，近距离无线数据采集为RFID。数据传输网络支持MOD⁃BUS及工业以太网等通讯协议，完成设备之间的数据交换。在传输网络中，根据不同的功能，军队油库定义了四种功能节点：

1)信息节点。信息节点是用来采集数据的嵌入式设备管理器，包括传感器、RFID收发器、总线节点数据器、动力设备接口等，信息节点一般不进行数据的存储，但其数据格式可通过XML进行配置。

2)通讯节点。通讯节点用来将原有数据总线或仪表寄存器数据都转化成CPS系统的两种标准链路，并时行必要的数据帧转化。军队油库CPS支持RS232，RS485、CAN总线、USB及以太网五种网络接口的对接。

3)执行节点。执行节点将对现场的设备进行直接操作，它一般含有相应的动力驱动机构，如阀门执行器、变频器、压力控制开关等，执行节点不但要保证网络发出的操作命令可以得到迅速准确的执行，而且还要在操作完成之后向命令源回复确认响应。

4)策略节点。策略节点用来完成一定量的数据运算或逻辑组合控制功能，如控制液位的多段式油位补充控制，恒压的PID控制算法，油路切换阀门的联动等。策略节点一般不单独使用，必须有相应的设备节点作为控制对象。

在这几类节点组成的网络中，节点与节点之间的网络应答采用智能Agent方式，通讯的网络设备可以划分可以在一个虚拟的子网中运行，降低网络的负载量。军队油库CPS系统同时提供一个OPC接口，当外部系统需要访问CPS内部的信息时，通过OPC连接已经授权的数据项。军队油库的信息单元网络具有灵活度高、功能完备的特点，各种信息单元构成了军队油库CPS的基础。

2.2 语义标签模型

在传统的军队油库系统中，服务器通过工业现场总线或网络接口获取设备的信息，网络的中信息交换是以设备的实体对象属性为交换介质，要求信息者向持有信息者发出请求，被控对象将请求的信息返回，信息的内容则物理实体的状态。对于军队油库的CPS系统，在物理环境的基础上需构建一个信息交换的环境，从系统的角度看，在信息环境中网络节点之间交换的是信息对象，而信息对象则定义为设备的响应、开关控制、状态的反馈等，而信息对象则构成了军队油库CPS系统的主体。

为将网络对象统一化，采用语义标签的形式进行定义，军队油库的语义模型如图3所示。

图3 语义标签模型

通过对军队油库的设备进行分析总结，网络节点的语义标签分为三个子段，第一子段为节点的基本信息，如编号、型号、序号等，第二子段为功能信息，要设置的状态，要存取的寄存器，要执行的逻辑等等，第三子段为存储信息，即为序列化后的信息，如历史信息、运行日志等。

因此，军队油库系统的语义标签定义为：

其中KPN代表的是网络节点的逻辑信息，对其形式化定义，则有：

式2中P为集合定义，T为转移定义，F逻辑定义，I为映射关系，M为零状态。

通过语义标签的定义，军队油库的CPS系统可实现任意维度的信息的组合，实现对信息环境的独立管控。

2.3 军队油库的管控模型

军队油库的策略管控模型的任务是改变原系统的信息自下向上流动的方式，实现设备之间的互相感知，作业时可进行相互协调，处理突出事件时自主决策。针对军队油库高安全性高可靠性的要求，管控策略结构如图4所示。

图4 语义标签模型

制定的管控策略有：

1)信息节点只实现自身感知和匹配感知，如果已定义设备组，只在设备组内响应感知的要求，降低通信开销，如果处于管控状态，则只进行自我感知。

2)协商与调度机制。进行协调工作之前，策略节点须先成配置文件，将各节点的执行动作下发到相关节点，并启动监听机制，完成各节点之间的配合。当各节点之间的协商结果存在冲突时，由策略节点进行仲裁调度，调度结果会下发给涉及的所有节点。

3)自主决策。自主决策是在多个策略节点之间进行的，根据军队的油库的控制要求，生成的主要策略有零收发油策略、油液位控制策略、油流量管理策略、油品质量监测略、报表上报策略等。军队油库CPS策略的使用可以极大地减少人工操作，提高自动化效率，降低错误操作的发生几率。

3 结论

军队油库CPS的充分利用自动化技术和信息技术及物联网等手段，将原有油库的设备网络由分散型或总线型控制改造成基于语义标签的多维度的网络，增强了军队油库设备的感知和通讯功能，提高了系统对各种作业的自适应能力，具有高度灵活、运行成本低、稳定可靠的特点，有力地保障了军队油库的安全供应，对提高军队战斗力具有重大的意义。

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