面向煤矿应用的信息物理融合系统模型

何雄伟，袁学松

（1.惠州卫生职业技术学院教育技术与信息中心，广东惠州516025；2.安徽机电职业技术学院信息工程系，安徽芜湖241001）

信息-物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS）[1-2]是一种具有计算与通信能力的，通过监控物理实体，安全、可靠且有效地实时与物理系统整合的系统，是以通信、计算和控制为核心的高度集成、可监视、可控制的工程系统，实现了信息世界与物理世界的融合。由于煤矿系统环境比较复杂，使得煤矿系统的信息化成为提高煤炭工业生产和安全水平的重要发展方向，其信息化主要是通过采用先进的监测设备、数据通信、信息处理和自动化控制等信息技术，建立起具有煤矿安全监测、灾害自动预警和智能生产控制等功能的信息化、智能化煤矿系统[3]。因此，文中将信息-物理融合系统应用到煤矿系统中，给出了一种面向煤矿应用的信息-物理融合系统模型（Cyber-Physical Systems model for Coal Mine application，CPSCM），该模型是在煤矿复杂环境下利用信息感知技术、计算处理和协同控制等技术构建信息-物理融合系统，一方面可以无处不在地实时获取可靠的信息，另一方面可以通过系统的反馈环路对煤矿进行精确监测，所以用于煤矿系统的信息-物理融合系统可以有效消除安全隐患、降低事故发生率。

1 相关研究

信息-物理融合系统是近几年新兴的一个前沿性热点领域[4-5]。美国和欧盟都在大力加强对信息-物理融合系统研究的资助，主要范围包括基础结构、基本理论、网络基础、技术应用等方面。国内外研究人员针对这一问题进行了大量研究[6-7]。在信息-物理融合系统结构研究方面，文献[8]给出了信息-物理融合系统的抽象结构和实现架构，并分析了其运行方式和物理构成，以及分析了信息-物理融合系统与计算机系统、嵌入式系统、工业控制系统、无线传感器网络、物联网、物理控制系统以及混杂系统的联系，指出信息-物理融合系统在社会生活、分布式能源开发和建设、交通运输、生物医疗、工业自动化、城市基础设施建设等方面具有广阔的应用前景；文献[9]给出了一种信息-物理融合系统模型，主要是从实时任务调度与实时网络来保证系统的实时性需求；文献[10]给出了一种结合形式化方法与面向方面技术的信息-物理设计框架，并对该框架需解决的关键问题进行了分析，同时给出了可信信息-物理融合系统模型；文献[11]从整体角度出发，对信息-物理融合系统特性、架构及挑战进行了系统分析，并以电力能源行业为例进行了研究。在信息-物理融合系统应用案例方面，文献[12]初步分析了信息-物理融合系统应用于电力、交通、医疗与航空航天等领域的现状，并总结该类应用存在实时性、系统工程、系统建模与验证、安全可靠性等问题需要解决。

2 CPSCM模型设计

2.1 CPSCM模型框架

用于煤矿系统的信息-物理融合系统的功能需求包括煤矿环境监测、自动预警及职能控制、应急救援、无线多媒体业务传输、设备仪表读数读取、机车无线定位与导航、人员定位与追踪等。根据煤矿环境和功能需求，文中设计了一种用于煤矿系统的信息-物理融合系统模型（CPSCM），如图1所示。该模型包括传感器、执行器、控制处理单元与通信器件，其中为了提高系统的稳定性与可靠性，在物理系统与控制系统之间设有一个反馈环路。

图1 CPSCM模型图

所给CPSCM模型主要包括物理系统模块、信息感知模块、计算处理模块、协同控制模块和应用服务模块等。其中，物理系统模块主要包括嵌入式系统、混合系统、动态系统和分布式系统等物理系统；信息感知模块主要是利用无线传感器网络和无线通信技术进行各类信息采集和传输；计算处理模块主要是利用执行器对所收集信息进行计算处理后并作出相应响应；协同控制模块主要是利用控制理论对汇聚节点传输的信息进行分析处理并向执行器发送相关指令；应用服务模块主要根据执行器发出的指令对仪器设备状态、风速、瓦斯浓度、馈电状态等监测对象执行具体行动（比如指示灯亮、电铃振响等）。

2.2 CPSCM模型工作流程

所给CPSCM模型的工作流程主要是：首先通过传感器节点采集所需监测数据（比如瓦斯浓度、风速、仪器设备状态、馈电状态等），然后由执行器根据获取的信息发出指令控制物理系统进行相应响应（比如报警、断电、风机转速、更改设备状态等），同时也可通过汇聚节点将采集的信息传输至控制节点实现协同后，再发出相关指令至执行器控制各物理系统协同工作，最终形成一个自组织传输与智能控制的反馈环路。其工作流程图如图2所示。

2.3 CPSCM模型关键技术

图2 CPSCM模型工作流程图

物理信息融合系统要求时间控制精准且安全性高，但是由于用于煤矿系统的物理信息融合系统是在一种分散的环境下，无法在有效时间内收集足够多的信息实现精确控制，因此将当前已有的分布式控制技术、无线传感器网络感知技术和通信技术仍面临一些困难。目前，用于煤矿系统的物理信息融合系统应首要解决信息感知、计算处理和协同控制三个关键性技术。

1）信息感知技术。由于传统的信息感知技术是在低潜在因素环境下，所以可以收集最新的数据并立即执行。但是基于CPS的信息感知技术的网络化特性将会引发决策的不确定性，从而将导致执行器动作出现延迟执行的情况，有可能造成一些重大事故[13]。解决这一问题主要措施是：一是通过解决现实与虚拟的协作样式来实现物理进程与计算进程之间的对应关系；二是无线传感器网络在采集融合过程中首先确定采集标准、响应时间的特性，然后反馈给物理层调节传感器采集速率、改变传感器类型增加采集信息量，并根据监测对象情况实施分级、分区断电控制。同时也应注意信息的存储和处理、数据的恢复和检索等问题的解决。

2）计算处理技术。由于物理信息融合系统易受容错、安全和分散控制等因素影响，使得其对计算处理能力有更高要求[14]，所以基于CPS的计算处理技术采用如下语义集成方法：首先详细描述监测对象的物理属性，然后据此重新定义计算方法与指令，最后使计算进程与物理实体动作形成映射关系。通过采用上述语义集成方法，可以使海量数据处理与命令执行快速准确，保证了物理信息融合系统的实时性与可靠性，且这种方式是在设计阶段就考虑了软件与硬件之间的交互，可很好地降低或避免系统错误。在软件方面，一方面应着力发展操作系统、数据库管理系统、中间件等基础软件；另一方面应根据系统的网络化特性构建合适的框架用以开发开源的产品级工具软件。在硬件方面，一方面嵌入式系统的设计应更加注重可预知性和可靠性，用以适应系统中有限的资源；另一方面嵌入式系统应采用多核架构并具有扩展IP与网络通信接口的功能，同时要有硬件开发工具与软件包支持，用以实现复杂的业务功能。

3）协同控制技术。由于传统不确定决策模型[15]不适用于物理信息融合系统，所以用于煤矿系统的物理信息融合系统根据需求形成新的协同控制理论，主要包括多层协议操作、专用/共享备用路径设计、业务快速回复、容错管理与控制、检测精度影响、自愈技术与可再生网络模型等。由于当前大多控制理论是基于事件驱动的，计算机系统处理器是基于异步的，所以在物理信息融合系统中需要根据实际需求重新整合，才能实现计算、通信与协同控制。由于信息-物理融合系统要求计算进程与物理进程的交互需时间精确，所以在设计连续动态反馈环路与实时控制管理环路时，应考虑模式转换、故障检测、实时交互、系统的稳定性、瞬态响应与参数变化等。

3 实例分析

风电瓦斯闭锁系统[16]主要是为了防止电气设备引发瓦斯或煤尘燃烧爆炸，其主要作用是在局部通风机停止工作时，可以立刻断开局部通风机供风巷道中全部电源，以避免停风或瓦斯浓度超出阈值[17]后因通电产生电火花，然后在瓦斯浓度低于安全阈值时恢复通电。基于信息-物理融合的风电瓦斯闭锁系统如图3所示。

该系统主要包括嵌入式系统、监测报警系统、感知系统、供电系统等子系统。系统通过嵌入式系统进行控制，采用3个本安电源给瓦斯传感器[18]与风量开关进行供电，根据3个瓦斯传感器收集的信息与2个开关量信号（风量开关量及局部通风机风量开关量），输出4组继电器触点控制局部通风机风量开关、回风巷风量开关、工作面风量开关、串联巷风量开关的开停，同时可将相关信息传送到光电耦合器进行处理和整形，监测系统则根据输出指令显示通道与瓦斯浓度，或是声光报警。采用该系统可以有效实施实时监控与应急处置，能有效避免特重大事故的发生，有效保障了煤矿生产安全和人员安全。

图3 基于CPS的风电瓦斯锁闭系统

4 建模验证

风电瓦斯闭锁系统应按照如下要求自动控制：当系统关闭时，瓦斯传感器自动关闭；当系统开启时，瓦斯传感器自动开启，如果煤矿内瓦斯浓度低于阈值时，则会在显示器上显示瓦斯浓度；如果煤矿内瓦斯超过阈值时，声光报警器则会立即响应报警。其中，信息物理融合系统包含4种服务：1）感知型服务：主要用于获取所处环境的数据，由于其按照一定时间间隔获取采集数据[19]，所以需设置一个时钟变量。例如瓦斯传感器采集瓦斯浓度数据服务。2）计算型服务：主要用于判断环境参数是否达到所设阈值。例如比较瓦斯浓度数值是否超出阈值。3）执行型服务：主要根据相关指令执行相应操作，用于控制所处环境。例如当瓦斯浓度超出阈值时，声光报警器发出警报。4）通信型服务：主要用于对上述三种服务的信息交互。例如控制继电器组发出相关指令。

由于风电瓦斯闭锁系统包含n个上述所列四类服务，因此该系统的服务模型建立如下式（1）所示：

其中，Nf表示系统整体服务名称，表示系统中所有服务之间的交互情况，表示每个服务时间自动机所组成的自动机网络。下表1给出了该系统各种服务的具体描述。

表1 风电瓦斯闭锁系统服务描述

采用Uppaal验证风电瓦斯闭锁系统服务的失效正确性，主要验证安全性（系统不会进入错误运行状态）、可达性（系统能运行到所期望的状态）、系统活性（期望事件最终能发生）、时间约束（期望的某种行为必须满足所规定的时间约束条件）4种性质。Uppaal的验证语法如式（2）所示：

其中，A[]p表示全部路径的全部状态均满足p，E＜＞p表示部分路径存在状态满足p，A＜＞p表示全部路径均存在状态满足p，E[]p表示部分路径的全部状态均满足p。所给系统验证结果如图4所示。

图4 系统实例性质验证结果

从图4可以看出，存在路径A[]not deadlock，表明系统不会出现死锁，则可验证系统安全性；存在路径E＜＞display.gas_on，表明系统可通过显示器显示瓦斯浓度，则可验证可达性；存在路径gas.con＞=0.3→gascon.belllight_on，表明系统最终可达到声光报警器报警状态，则可验证系统活性；存在路径 gas.inc→gascon.belllight_on and time.c＜=5，表明系统在规定时间内可及时触发声光报警器报警，则可验证系统时间约束条件。

5 结束语

所给CPSCM模型是基于煤矿复杂环境下，建立的自动化和智能化的煤矿监测系统[20]，该模型应着力研究信息感知、计算处理与协同控制三项关键性技术，通过风电瓦斯闭锁系统进行实例分析和阐述，并进行了建模验证。由实例分析可以看出，用于煤矿系统的信息-物理融合系统可以有效保障安全生产、降低事故发生率，且能满足突发事故救援需求，同时通过建模分析也验证了所给模型的有效性。因此，信息-物理融合系统可用于各种生产实践，有利于所在领域的信息化发展，具有较好的理论研究价值和实际推广应用价值。