基于粗糙集约简的液压支架监控系统数据处理策略

胡 波，廉自生

(1.太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024;2.太原电力高等专科学校，山西 太原 030013)

1 问题的提出

液压支架自动控制系统越来越广泛地应用于大型煤矿，支架监控系统是液压支架自动控制系统的人机交换界面，是工作人员获取井下采煤设备实时数据的主要平台。

当前国际上主流的液压支架电液控制系统如DBT 公司的PM4，MARCO 公司的PM31 和JOY 公司的RS20 等在通讯中均使用自主研发的通讯协议［1］，其监控系统也是基于其通讯协议开发的。本课题组在自主研发的液压支架电液控制系统基础上，开发液压支架监控系统，通讯协议采用固定帧数据格式。液压支架监控系统是基于组态软件来实现的。目前，几乎所有的组态软件底层都预先植入各种通用的通讯协议，如CAN 总线协议、Modbus总线协议等，以便与相关设备直接建立通讯。但是，固定帧格式数据不能直接被组态软件识别，因此支架监控系统和支架主控制器支架间的通讯不能直接建立。另外，矿井下一个综采工作面上液压支架的数量一般有100～230 架，支架监控系统和支架主控制器之间通讯数据量巨大，容易造成通讯通道阻塞，通讯延迟，支架动作缓慢等状况。基于以上两方面问题，本文利用粗糙集理论先对大量通讯数据进行约简，然后通过在组态软件中对全局脚本和mscomm 控件编程来处理约简后的数据，实现组态软件与支架主控制器之间的串口通讯。

本课题中组态软件采用西门子公司的Wincc。

2 粗糙集理论及约简

2.1 粗糙集概念

粗糙集理论(RS 理论)是由波兰学者Pawlak Z.在1982年提出，是一种处理不完整性和不确定性知识的数学工具，能有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等不完备信息，并从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律［2］。粗糙集理论的主要思想是在保持分类能力不变的前提下，利用已知的知识库，通过对知识的约简，导出概念的分类规则。

一个信息系统I 是一个四元组:I=〈U，A，V，f〉，其中，U 为论域，是全体对象的有限集合;A 为有限个属性集合;Va为属性的值域集合，V=∪Va(a ∈A);f 为信息函数，f:U×A →V。对于该信息系统I，设cij表示可辨识矩阵中第i 行第j 列的元素。这样可辨识矩阵可定义为

其中D 为决策属性，i，j=1，2，3，…，n。

2.2 粗糙集知识约简

知识约简就是在保持知识库分类能力不变的前提下，删除其中不相关或次要的知识［3］。由于减少了约束条件，约简以后的分类规则具有相对简洁的形式。

求解知识表达系统中最小相对约简，就是要在保持整体条件属性支持度不变的情况下，尽可能快地寻找所含条件属性最少的约简。

考虑粗糙集知识约简问题的实际特点，根据模式定理，采用基于{0，1}符号集的二进制一维编码形式，以该属性是否被选取来决定该位为0 或1。采用区分矩阵约简方法需生成可辨识矩阵，通过可辨识矩阵，可将未出现的属性(无用属性)去除，并将其中所有仅包含单个属性(核属性)的元素取出作为约简结果中不可缺的组成部分保留。

3 Wincc 中固定帧数据处理及串口通讯的实现

3.1 固定帧格式数据的粗糙集约简

由于监控系统和支架主控制器之间通讯数据量巨大，不适合直接在Wincc 中编程处理，因此用粗糙集先对通讯数据进行属性约简预处理。

按照给定的数据帧格式及信号功能定义，可得液压支架控制器传输的数据如表1 所示(本文以单架操作和一组液压支架成组操作数据为例说明)。

根据粗糙集概念，定义U 为{表1 中所有数据};定义A 为{字头，目标地址，源地址，命令分类，命令，参数分类，方向，参数场};

表1 通讯数据帧格式定义表

定义Va为{A 中每个属性定义下的参数分类};定义f:U×A。对于该信息系统，根据粗糙集属性约简规则可以对表1 数据进行约简并生成3 个辨识矩阵如下:

3 个辨识矩阵对应命令列表如表2、表3 和表4 所示。

3.2 粗糙集约简后数据在Wincc 中的处理

辨识矩阵中每行数列代表一帧数据，3 个矩阵中的行数列分别代表单架动作、成组动作和支架读取数据。

表2 支架单动作约简

表3 支架成组动作约简

表4 支架读参数数据约简

在第1 个矩阵中，第1 列数据代表支架动作目标地址，即接受指令的支架控制器;第2 列数据代表源地址，即发出指令的支架控制器，根据每列数据不同，可以得知每行数据传输的起始支架控制器和接收指令的支架控制器，以及数据传输的方向;第3 列数据代表具体命令，指由源控制器要对目标支架进行的操作。根据以上分析，依据文献［4］，在Wincc 环境中，调用脚本语言编程环境，根据辨识矩阵中每行所列数据及各行数据之间的异同，分析出数据规律，然后用VB 语言进行编程，实现任意两行数据的区分相互。

同理，第2 和第3 个辨识矩阵经过粗糙集约简后，已经在很大程度上减少了程序辨识的繁琐程度，按照数据变化规律，对其进行编程，实现每行数据的辨识。

3.3 串口通讯的建立

进入Wincc，首先对液压支架控制点进行组态，此过程包括数据库的建立、图形组态、动态链接等，然后在图形组态画面中另建小块画面作为串口通讯调试区域，在画面中建立接收框和约简框，分别对其编程待用。依据文献［5］，调用mscomm控件，对其功能进行定义并编程，以实现Wincc 串口通信功能。另打开串口调试助手，设置调试助手的数据格式及波特率，然后与Wincc 通讯试验区域进行通讯试验，根据试验结果修改全局脚本和mscomm 控件中的程序再进行调试。调试成功后，表明基于Wincc 的串口通讯建立完成。

4 系统通讯测试

将液压支架控制器与支架监控系统通过串口相连接，进行现场模拟试验。在支架控制器操作面板上点击操作按钮，观察串口通信测试区域和相应的组态画面。当按下“升柱”按钮时，监控系统测试框中出现“A55A0002000300F00000000000000000 00”，约简框中出现“A55A0203F0”，同时组态画面中第2 架支架“升柱”灯变红闪烁，通过多次试验和调试，均实现预先设定的结果，可以得出结论，控制器和监控系统之间的串口通讯已经成功建立。

5 结束语

通过采用粗糙集约简理论对组态软件不能识别且数量巨大的固定帧格式数据进行约简，并利用组态软件中提供的脚本语言对全局脚本及串口通信控件进行编程，实现液压支架主控制器与监控系统之间的通讯，为数量巨大的固定帧格式数据的串口通讯提供了一种新的方法。该方法对固定帧数据作为通讯协议应用于实际生产具有重要意义。

［1］孙晓健，张东来.CAN 总线在液压支架电液控制系统的应用［J］.微计算机信息(嵌入式与SOC)2006，22 (6－2):97.

［2］刘 萍，王周敬.基于粗糙集和信息熵的属性约简算法［J］.福建电脑，2005 (10).

［3］周世官，张 云.基于粗糙集约简预处理的模拟电路故障诊断［J］.工业仪表与自动化装置，2010 (3).

［4］SIMATIC HMI WinCC V7.0 SP1 MDM－WinCC:组态系统手册(中文).

［5］SIMATIC HMI WinCC V7.0 SP1 MDM－WinCC:通信系统手册(中文).