煤矿信息物理融合系统的模型与技术研究

引 言

信息物理融合系统（CPS）是一种新型网络系统，其以井下环境为处理对象，通过在设备中嵌入一定的计算和通信功能，运用无线传感器网络，利用信息获取、计算和协同控制等技术，可以在复杂的环境下获得准确的信息，实现对外部环境的可靠数据传输与信息处理，并通过反馈回路对物理对象进行实时准确的控制。

1 煤矿信息物理融合系统模型

CPS 是一个网络化系统。随着网络和物理实体之间的融合得到进一步增强，有效提升了CPS 的功能性和实用性。由于煤矿井下环境复杂，因此存在特殊的功能需求，如图 1 所示。

煤矿信息物理融合系统能够充分融合计算与物理属性， 从而达到准确描述物理世界的效果。其模型的构建基于应用 需求考虑，涉及算法和反馈环节等，指定控制器进行操作。 CPS 一般由传感器、执行器、控制处理单元和通信器件 组成。在控制与物理系统之间有一个反馈回路，有效增强了系 统的稳定性。依据 CPS 的定义，结合矿井安全生产情况和功能需求，构建了CPS 模型，如图 2 所示。

由图 2 可看出，传感器节点把采集到的瓦斯浓度、风速以及仪器仪表等数据传给执行器，由执行器发出指令控制风机的转速，发出报警信号，切断电源等。同时，可以通过 Sink 节点把数据传输到各控制节点，由节点 A，B，C 发出控制指令供执行器执行，从而形成智能控制的反馈回路。

在信息物理融合系统中，通信设备之间的距离、电压等与信息系统的通信能力、处理器、内存大小是契合的。因此，在建模时要考虑计算进程与物理进程两方面的因素。另外，因为煤矿井下存在无线传输衰减明显、工作环境差等因素，所以煤矿信息物理融合系统的建模还应考虑误差、丢失等因素。

CPS 工作流程如图 3 所示。

2 煤矿 CPS的技术研究

由于煤矿井下无线信号衰减明显，电气要求为防爆等级， 分散的环境无法收集足够的信息等原因，制约了分布式控制技术、通信技术和无线传感技术直接应用于安全性要求高的煤矿井下。因此，针对这种情况，需要处理好信息获取、计算和协同控制之间的关系。

信息获取技术。首先，掌握现实与网络之间的运作模式， 促进计算进程和物理进程相互协同，在计算算法中阐明传感器节点的特性，包括传感器响应时间等；然后，将已经掌握的信息反馈给物理系统，通过调节传感器采集的速度来增加采集的信息量。

计算技术。煤矿CPS 需要有效的模型和计算逻辑。通过语义集成方法，能够使大量数据得到处理，命令得以快速执行， 从而保证系统的实时性要求，在一定程度上避免了系统错误的发生。

协同控制技术。为了实现煤矿信息物理融合系统的实时性，需要协同控制。采用计算抽样的方法可以提高信息处理的能力。对 CPS来说，计算与物理世界之间的相互协作要求时间精确，因此需要构建动态反馈回路。CPS的理论技术体系如图 4所示。

3 结 语

本文将信息物理融合系统与煤矿相结合，针对矿井复杂的环境以及特殊功能需求构建能够高效获取信息、具有协同控制能力的煤矿信息物理融合系统模型，并对构建煤矿 CPS 所需的关键技术进行了阐述。煤矿信息物理融合系统模型的构建，不仅丰富了 CPS 的模型理论，更对网络技术的发展和 矿井信息化具有一定的促进作用，同时，CPS 技术的不断发展 将会对科研理论带来巨大的价值。