煤矿信息物理融合系统的模型与技术研究

张文

摘 要：信息物理融合系统（CPS）是一种集计算、网络和物理世界于一体的复杂系统，通过计算、通信以及控制技术的深度融合与相互协作，可以实现工矿系统的控制与信息服务。针对煤矿安全生产的需求，结合井下复杂的环境，构建具有环境监测功能以及多功能控制的CPS模型。在此基础上，分析面向煤矿信息物理融合系统的信息获取、计算和协同控制技术。煤矿信息物理融合系统模型的构建和关键技术的改进对提高产量、安全生產、矿井信息化具有极大的推动作用。

关键词：CPS；工况系统；信息获取；协同控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

信息物理融合系统（CPS）是一种新型网络系统，其以井下环境为处理对象，通过在设备中嵌入一定的计算和通信功能，运用无线传感器网络，利用信息获取、计算和协同控制等技术，可以在复杂的环境下获得准确的信息，实现对外部环境的可靠数据传输与信息处理，并通过反馈回路对物理对象进行实时准确的控制。

1 煤矿信息物理融合系统模型

CPS是一个网络化系统。随着网络和物理实体之间的融合得到进一步增强，有效提升了CPS的功能性和实用性。由于煤矿井下环境复杂，因此存在特殊的功能需求，如图1所示。

煤矿信息物理融合系统能够充分融合计算与物理属性，从而达到准确描述物理世界的效果。其模型的构建基于应用需求考虑，涉及算法和反馈环节等，指定控制器进行操作。

CPS一般由传感器、执行器、控制处理单元和通信器件组成。在控制与物理系统之间有一个反馈回路，有效增强了系统的稳定性。依据CPS的定义，结合矿井安全生产情况和功能需求，构建了CPS模型，如图2所示。

由图2可看出，传感器节点把采集到的瓦斯浓度、风速以及仪器仪表等数据传给执行器，由执行器发出指令控制风机的转速，发出报警信号，切断电源等。同时，可以通过Sink节点把数据传输到各控制节点，由节点A，B，C发出控制指令供执行器执行，从而形成智能控制的反馈回路。

在信息物理融合系统中，通信设备之间的距离、电压等与信息系统的通信能力、处理器、内存大小是契合的。因此，在建模时要考虑计算进程与物理进程两方面的因素。另外，因为煤矿井下存在无线传输衰减明显、工作环境差等因素，所以煤矿信息物理融合系统的建模还应考虑误差、丢失等因素。

CPS工作流程如图3所示。

2 煤矿CPS的技术研究

由于煤矿井下无线信号衰减明显，电气要求为防爆等级，分散的环境无法收集足够的信息等原因，制约了分布式控制技术、通信技术和无线传感技术直接应用于安全性要求高的煤矿井下。因此，针对这种情况，需要处理好信息获取、计算和协同控制之间的关系。

信息获取技术。首先，掌握现实与网络之间的运作模式，促进计算进程和物理进程相互协同，在计算算法中阐明传感器节点的特性，包括传感器响应时间等；然后，将已经掌握的信息反馈给物理系统，通过调节传感器采集的速度来增加采集的信息量。

计算技术。煤矿CPS需要有效的模型和计算逻辑。通过语义集成方法，能够使大量数据得到处理，命令得以快速执行，从而保证系统的实时性要求，在一定程度上避免了系统错误的发生。

协同控制技术。为了实现煤矿信息物理融合系统的实时性，需要协同控制。采用计算抽样的方法可以提高信息处理的能力。对CPS来说，计算与物理世界之间的相互协作要求时间精确，因此需要构建动态反馈回路。CPS的理论技术体系如图4所示。

3 结 语

本文将信息物理融合系统与煤矿相结合，针对矿井复杂的环境以及特殊功能需求构建能够高效获取信息、具有协同控制能力的煤矿信息物理融合系统模型，并对构建煤矿 CPS所需的关键技术进行了阐述。煤矿信息物理融合系统模型的构建，不仅丰富了CPS的模型理论，更对网络技术的发展和矿井信息化具有一定的促进作用，同时，CPS技术的不断发展将会对科研理论带来巨大的价值。

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