1种面向猪舍的信息物理融合系统模型

曹振丽

摘要：针对传统的信息物理融合系统建模方法大多局限于时间域内的分析，且没有考虑计算过程和物理过程，通过网络实时交互对系统行为所带来的影响等问题，扩展了传统模型以刻画系统中的时空相关、网络交互以及模型结合等问题，将时间和空间的事件信息明确地抽象到编程模型中，在大数据背景下进行形式化的描述及一体化建模。以猪舍中风扇开启为例，对每个环节进行详细分析，证明该模型可应用于精准农业中，从而有利于设计人员更好地分析网络化计算过程在与物理过程融合、物理环境交互中的动态行为，对加深系统的理解和应用具有重要的意义。

关键词：猪舍；数据流；信息物理融合系统；建模；大数据；实时监测

中图分类号： TP301文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）05-0193-03

随着畜禽养殖工厂化、集约化、规模化发展，饲养密度的增加使得养殖环境不断恶化，导致禽流感、猪流感等疾病大规模暴发，给养殖户造成巨大的经济损失。因此，人们越来越重视畜禽养殖环境，对畜禽养殖环境采用实时监控与调节措施。

信息物理融合系统是指集通信、计算和控制能力于一体的监控物理世界中各实体的网络化计算机系统[1]。通过建立模型的物理过程和计算平台，可以促进操作过程，有助于用户更好地了解系统状态，最终实现更好的控制[2]。张侃等针对目前在信息物理融合系统的安全性和正确性较为缺乏的问题上，采用形式化方法，建立了一种可信的框架模型，但是其缺点是缺少描述时空特性的形式化建模方法[3]。胡雅菲等对信息物理融合系统网络体系结构及关键技术进行综述，指出它是一种全新的全局控制、局部操控、具有多学科交叉应用的混合网络，并预测未来的重点研究方向[4]。李仁发等介绍了信息物理融合系统的概念、特点和体系结构，分析了信息物理融合系统与嵌入式系统、网络的关联，从3个方面概括它在设计上面临的主要挑战[5]。王小乐等提出了一种面向服务的包含节点层、服务层、网络层和资源层4层体系的框架，并结合4层架构讨论了信息物理融合系统领域未来的研究方向[6]。

多数研究集中在特定场景下对信息物理融合系统建模或是对传统的、静态的、精确的数据建模，对农业大数据产生的数据流背景下的信息物理融合系统的数据流建模研究较少。信息物理融合系统中的时间主要是用来预测、度量和控制物理世界的属性。传统的建模方法有一定的局限性，大多局限于时间域内的分析，没有考虑计算与物理过程通过网络实时交互对系统行为所带来的影响，因此，须要扩展现有模型以刻画系统中的时空相关、网络交互以及模型结合等问题[7]。

此外，基于事件模型的传统研究发现，在特定时间和地点发生的某件事触发了状态变化。然而究其本质，反映到系统中是以数据为核心的数据驱动，导致系统的变化。在大数据时代，数据反映了真实世界的事件、对象及其相互关系，是对真实世界的数字化表达，因此，在大数据时代，人们须要切换到数据视角，以数据为中心来开展业务研究[8]。

1系统设计

本研究设计基于无线传感网络的畜禽舍信息物理融合系统，还能根据用户要求，通过控制单元的控制语句自行设定温度、湿度、氨气浓度等环境参数的采集时间和监测范围，结合执行单元的相关环境参数指标，可实现自动控制畜禽舍内相关设备如排气风机、风扇、喷淋装置和电源灯的开关等，使动物能够处在相对适宜的环境下，满足养殖舍内环境监测和环境控制的要求。同时，系统中对采集到的数据流进行实时预测，为养殖户提供预警等。各种传感器按照设定的采样频率，通过无线传感器网络，源源不断地进行数据传送，这些传送的数据就构成数据流。面向猪舍的信息物理融合系统组成架构如图1所示。

1.2传感器的数据建模

传感器是用于感知物理世界的物理对象所处状态的硬件设备，提供感知服务，是物理世界和信息世界互相交互的纽带，是物理世界与信息世界沟通的桥梁。由于数据流的不确定性、动态性和实时性，因此，对传感器中的数据不能像传统的确定性数据那样描述，对大数据流某一时刻对应的数据的描述须要同时引入时间、数值、概率这3个属性，才能完整刻画不确定数据流。

1.3无线网络数据建模

已有的系统建模研究大都忽视了计算与物理过程通过网络实时交互对系统行为所带来的影响，这正是建模研究中所需要进行扩展的部分。可靠性是无线传感器网络性能的重要指标，由于无线传感网络自身的特点，如节点能量损耗、环境影响等，常常会出现大量的数据包丢失，导致网络的可靠性能较低。由于传感器网络缺失数据，从而极大地影响了整个信息物理融合系统的准确性。针对这一点可以采用在无线传感器网络的设计阶段设计出合适的网络拓扑结构、高效的节点部署策略、可靠的传输技术和可靠性管理技术等，以便提高无线传感器网络的传输性能。无线传感器网络中的数据流按传递的方向可分为上行和下行2种，上行方向表示源节点将感知的数据流向sink节点进行传送，主要用于信息的采集。研究发现，大部分学者关注的是上行方向数据包的可靠传输，下行方向表示发送的广播或单播数据流是由sink节点指向整个网络或局部网络。

式中：WirelessNet表示无线传感网络；sid表示向无线网络上行传送数据的传感器编号；updata表示该传感器向无线网络上行传送的数据；downdata表示该无线网络下行传送的数据，该下行数据不仅仅传送给计算控制单元，也传送到用户的计算机及手机上；cuid表示该无线网络下行发送数据对应的计算（控制）单元的编号，wstime表示该无线网络传送数据的对应时间。由于传送的数据是不确定数据流形式，因此该数据的描述形式采用公式（5）的三元组进行刻画：

2结论

首先，本研究介绍了畜禽养殖环境的监控越来越被重视

[JP2]的原因，以及信息物理融合系统的相关知识，并对国内外建模的研究现状及存在问题进行了陈述。接着，摒弃传统的以事件为中心建模，提出在大数据背景下切换到数据视角，以数据为中心来研究面向养殖环境的猪舍信息物理融合系统的建模。然后，在考虑计算与物理过程通过网络实时交互对系统行为所带来的影响后，对传统建模的组成部分进行相应扩展，分别描述数据流情形下的物理世界、传感器、无线网络、计算（控制）单元、执行器的数据建模的形式化，实现计算世界与物理世界异构信息的交互融合，将时间和空间的事件信息抽象到编程模型中，设计一种面向猪舍养殖环境的信息物理融合系统模型。最终，通过实例分析，证明该模型可应用于精准农业中。[JP]

参考文献：

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[HT6F]周良富，周立新，薛新宇，等. 气体喷射压缩器关键参数设计与试验[J]. 江苏农业科学，2017，45（5）：196-199.