基于信息物理的实验系统构建

梁昂昂

摘 要：本文探讨了一种智能实验室环境下的网络物理系统，其能够动态、自动地解释和调节环境条件。在本文中，我们介绍了系统开发框架，并提出能够测量、分析和调节热舒适度的功能。为了延长系统的寿命、低容量通信的机制、分布式计算和基于习惯的自适应控制。本文建议对现场部署的评估验证了所提议系统功能。这项研究的重点是针对实验室，也可以应用到其他类似的环境中，这些环境旨在支持人类的生活和生产，并将对智慧城市的创造产生影响。

关键词：信息物理 实验系统 物理性能

一、背景介绍

网络物理系统包含许多分布式的、连接的和自主操作的传感器和执行器。一般来说，网络物理系统可以用来收集足够的信息、有关物理环境的传感器以及最终为人们提供有用和及时的服务。从系统的角度来看是由计算、通信和控制等部分集成的，通过来自传感器的数据操纵网络或者物理设备。许多研究表明，该系统可在室内应用。目前，在实验室进行的活动越来越复杂和复杂。虽然对应的已经提出了很多集成工具和工具的技术。然而，现有技术主要是促进分析活动（例如，数据收集、测量和解释）和总结活动（例如，报告结果）。实验室的环境条件可以显著地影响实验和其他活动的结果。例如，有不同的危险化学物质（例如：、溶剂、催化剂、试剂、产品）和环境敏感设备。实验室环境条件的变化可以明显地影响实验室内研究结果。因此，一个合适进行环境的预分析和调节的实验室条件可以使得测量数据转化为更准确、更有意义，转而言之，一个“智能/智能实验室”对于自动调节是必要的。对任何地方和任何时候的活动都有效。这问题研究人员似乎没有仔细研究过。在类似的环境中，如医院的房间、工厂车间等。有些实验室的环境条件不能将已测量的数据转换为有意义的数据。只能通过统计分析来进行动态环境的调节。因为没有执行器和控制环节在系统中的算法。针对这一情况，在本文中，我们描述了一个智能实验室是如何通过CPS构建，用于收集和处理相关信息。

二、具备调节舒适的实验室

2.1实验室的功能。

实验室是为了提高工作活动的效率提供了一个舒适的环境，满足人们的需要。特别是一个智能实验室，应该具备能够优化工作，保护人们不受常见的危险，如化学和细菌的意外泄漏的威胁；同时应具备减少受伤和职业病的风险，保护设备和环境不受破坏以及具备保护跟踪人员和设备的安全，在此基础还要具备减少电力和其他资源消耗的功能。不会影响研究活动的效率。为了达到上述的结果，应该以动态的、自动化的方式设计关注点和相关物理量测量和调节。

2.2调节舒适度。

在实验室的监测中，一个主要的物理量是热舒适。决定热舒适的因素包括空气温度、辐射温度、空气流速和相对湿度（RH）。当环境的RH低于25%或更高时当超过60%，热舒适不良会导致人们情绪的不安和不适。一系列的温度变化和RH变化的热舒适标准可以相关文献中中找到。为了使分析过程标准化采用对应的国际标准，预测的平均值（PMV）作为定量指标来预测。此外，针对人们不满意的百分比是建立定量的相关指数来预测热不满足人群的百分比。谁觉得太冷或太热（例如：不舒服）。同时，设备的可靠性也会受到影响。如温度和RH（即：热舒适）。例如，低RH可能会导致静电问题。这可能对静电敏感的设备和材料造成损坏。同样，它在工作时易燃液体和气体可能会引起爆炸和爆炸。另一方面，当RH高（如>70%），。在仪器表面可能有冷凝会导致腐蚀。因此，应当实现这个系统应该自动和动态地调节。在一般环境中部署该系统存在一定的困难，例如系统的电源供应、处理，测量数据和节点间的通信。在一些实验室中，还有一些专业的要求。

三、系统性能分析

针对实验室环境的舒适程度展开测试，通过实时的方式测量读数和计算，指标传感器读数分析和检测热舒适性变化和恢复（在异常情况下显示PMV和PPD）。在研究中，为了模仿一个炎热潮湿的环境，一个水蒸汽源被放置在传感器附近。然后根据收到的信号， PMV > 1.5，模仿出現紧急异常情况。首先，执行器节点的电风扇已经切换，提供适当的空气流通管制。之后5秒，PMV从2.15下降（“温暖”）到1.25（“稍暖”），表示环境受到了调节。与原始环境相比，受调节的环境也有类似的温度和，略高的RH和PMV。另一方面，如果通风不被CPS、温度和PMV引入，会提高到43°C和5.33（“非常热”），分别以参数显示条件。环境的恶化和明显的影响。最终可能影响实验室人员的安全。这实例表明，所提出的CPS可以有效检测并恢复热舒适和其他的恶化物理量。在第二个例子中，是带有传感器节点的CPS，并采用三种致动器节点进行分析。在这种情况下，在节点1之间放置了热水蒸汽源，同时节点2模拟一个温暖潮湿的环境。这时信息立即被分析，基于这样的分析信息，系统发现了测量量。与示例1相比虽然条件不同，但从节点开始是多样化的，没有造成任何瞬间的危险。随着房间的情况逐渐恶化执行器被打开，并通知相关管理或者实验操作人员。

在对大规模网络性能分析的测试上，系统收集27个小时的信息量进行评估网络性能。在评估中，针对一个传感器节点和执行器节点。在这项研究中，大量信息被收集。结果显示了系统可靠性（有效通信的比例）和接收包的质量（链接质量指标）。尽管有动态信息条件有限，但有效传输的比例很高。此外，所有接收到的消息都有校验和校验；因此，所有消息处理是有效且有意义的。在每个循环中，传感器节点和执行器节点。

在基于习惯控制的传感器节点的功耗测试上，在每个周期中中，传感器节点和执行器节点根据确定的工作周期开关开关。在这个1.8小时的监视，实验室活动从0秒到200秒，最后180秒。从170秒到770秒（期间）传感器节点具有自适应感知，配置器开启63次，消耗945 J。在存在检测事件时短暂延迟的操作。与此同时，在感知的配置器（即，感应到每一秒的时间和睡觉的其他时间）传感器节点开启1296次，消耗19290 J。没有任何睡眠操作的节点消耗50154 J。在低风险情况下的测量（例如没有实验室活动）执行器节点在周期之间切换。在一个模拟手术操作过程中，64.8 J和533.68 J被消耗。由执行机构节点（没有执行机构）和执行机构分别显示。实例表明，该机制能有效地延长节点和节点的寿命。系统可以放置在没有活动的地方连续供电。由于传感器节点测量的性能不受环境和计算的影响，所以调节不受缓慢变化的环境影响。系统可以在缓慢变化的环境中准确地执行任务。

四、结论

本文提出了一个基于信息物理的实验系统，为学校提供自动化的实验室条件。该系统具有自适应控制，分布式计算以及低容量和可靠数据通信的特点。测试结果显示，该系统可以调节热舒适，为一个全面的智能实验室环境，基于此开发的系统也可以用于其他相关物理量。这项研究不仅适合于实验室和学校，也适用于许多类似的环境。如，医院病房，工厂车间等对局部环境温度、湿度等物理量有要求的场所。自动室内环境调节系统对城市建设也很很重要。如果我们要发展智慧城市，大规模网络化的系统需要的安全性，经济性，有效性，节能性。基于信息物理小环境表明该系统可以满足所有这些条件。

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