一种面向煤矿的信息物理融合系统模型

白鱼秀，郑欢欢

（榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000）

0 引 言

信息物理融合系统（Cyber-Physical System, CPS）是一个在环境感知的基础上融合了物理和计算单元的计算机网络系统，以实现物理与信息世界之间的虚实互联，智能地响应真实世界场景的动态变化，使之具有决策、判断和管控能力。矿井生产环境庞大且复杂多变，安全事故难以预料、破坏性严重且具有次生和衍生危害，矿井生产系统的整体行为及其趋势无法在其真实的实体系统下确定，且无法在物理上通过单独分析其各组成要素确定。针对煤矿安全生产的需要，本文拟采用智能设备、数据计算、控制等技术，给出一个基于CPS的智能煤矿系统模型，为煤矿CPS研究提供新的方向。

1 信息物理融合系统介绍

传统的物理系统侧重关注影响系统实现的细节因子，信息系统重点关注系统功能的实现。而CPS以实现物理系统与信息系统的深度耦合为目标，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或是控制一个物理实体。传统系统的功能性划分会带来子系统间的冲突问题，而通过CPS的数据信息传输、算法优化和控制修正，能够从根本上解决子系统间的冲突问题，达成系统融合目标，实现虚拟世界和现实世界的感知、通信、控制。

美国在2006年发布的《美国竞争力计划》明确将CPS列为重点研究项目；欧盟在2007年提出将CPS作为智能系统的一个重要发展方向；德国在2009年的《德国工业4.0实施建议》中提出：建设一个平台—“全新的基于服务和实时保障的CPS平台”；我国在2010年启动了“面向信息物理融合系统平台”等项目。CPS通过监视和感知物理实体以及数据计算与物理实体的交互，在各领域的应用越来越广泛，比如医疗保障、农业、电力、交通运输、工业生产等。

整个CPS系统可以抽象为由物理单元、计算单元和控制单元三部分组成，如图1所示。物理单元负责对实际物理环境中的现场人员、信息设备和信息系统的感知；计算单元负责物理实体与计算进程的交互以及多源信息的融合分析；控制单元则是根据定义规则和行为特性执行决策，改变物理实体，使得物理实体具有精确计算、协同控制的功能，整个过程中操作员辅助执行，可以参与任何过程。

图1 CPS系统模型

CPS将物理世界与信息世界深度融合，信息在异构网络空间中传递后又反馈给物理环境。CPS系统工作流程如图2所示。它利用无线传感网、嵌入式设备从物理环境中感知信息，并通过网络传输，由计算机融合多信息进行分析计算，最后再依据已设定的模型规则形成决策，向执行器发出操作指令。此过程是一个“感知-计算-执行”不断循环的过程，直到完成预定的控制目标。

图2 CPS系统工作流程

2 煤矿信息物理融合系统的建立

煤矿信息物理融合系统是建立在煤矿井下物理环境中的，通过无线传感网、物联网技术和计算机通信技术等的深度融合，实现对煤矿井下物理环境的实时监控与智能控制，构成一个动态的反馈系统。

2.1 煤矿CPS模型

针对煤矿井下环境和煤矿生产自身的特殊性，利用CPS技术和物联网技术及相关的大数据分析和解算方法，构建了一种面向煤矿信息的物理系统模型。如图3所示，该模型为煤矿生产的“感知-处理-监控”全过程提供智能支持，以保障矿井安全生产的动态优化与精准控制。

图3 煤矿CPS模型

本文的煤矿CPS模型主要包括信息获取层、数据计算层和协同控制层。信息获取层主要包括无线传感器网络、嵌入式设备和无线通信技术等感知物理环境的智能配置，并通过感知器和执行器将采集到的各类实时信息转化为计算机能够识别的信息传送到数据计算层；数据计算层主要将所收集的数据进行存储和计算并传输给系统控制层；协同控制层利用控制理论等技术对汇聚的信息进行处理分析，做出相应的决策并向执行器发送相应指令对信息获取层的仪器设备进行具体的操作控制。

2.2 煤矿CPS模型体系结构

（1）信息获取层：该层主要利用物理环境中的各种智能感知设备，如传感器设备、人员定位系统、报警设备、传输设备等，采集煤矿井下物理参数和物理状态信息，实时监控瓦斯浓度、风速和仪器设备状态等物理环境参数的变化。无线传感器将获取到的矿井环境参数进行数据融合，然后将采集到的实时信息通过可靠的有线、无线通信网络传输到数据计算层。

（2）数据计算层：该层是连接物理世界和现实世界的媒介，主要实现数据资源共享和复杂计算处理。煤矿井下型号各异的物理设备都具有一定的计算能力，数据库服务器存储传输获取到的数据，计算服务器对各个设备之间传输的异构数据进行计算与处理。按照数据传递的方向可分为上行和下行，上行表示物理世界数据向协同控制中心传送，下行表示现实世界协同控制中心指令向虚拟物理世界传送数据。

（3）协同控制层：该层主要帮助操作员实时监控煤矿井下物理环境的整个状态。借助大量的数据业务系统模型，采用先进软硬件技术对采集数据进行实时分析，并将判决信息反馈到实际煤矿生产现场，完成生产的实时监控；并且在必要时发出控制指令，由执行器实现相应的反馈操控，形成一个完整的闭环系统。

煤矿CPS模型的三层结构之间高效交互映射，实现了煤矿井下资源配置和运行的实时响应和动态优化。

3 结 语

本文将CPS应用到煤矿井下生产中，给出了具有监测控制功能的煤矿CPS模型。该模型具有数据实时感知获取、运行状态实时处理计算、状态实时协同控制等功能。该模型的提出可以提高煤矿的安全控制，为构建“智慧矿山”提供重要的技术支持，为推动煤矿智能化建设奠定相关的理论基础。虽然CPS模型带来了很多技术优势，但是CPS以计算机网络为核心，容易受到网络的恶意攻击，后续本文将重点研究如何使CPS不易受篡改，提高其安全性。