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第 44 卷 第 5 期 2018年 5 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 ; 分析研究言 ♦ _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 1 丨 ■ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 1 丨 | 令 _ 丨 1 文章编号671-251X 201805-0020-06 DOI 0.13272.issn.1671-251x.2017120017 矿山分市式分级自治系统设计 李敬兆， 江洋 安黴理工大学电气与信息工程学院， 安 黴 淮 南 232001 摘要针对矿山管理系统对精准开采、 异构性、分布性、自治性、数据驱动性等特性的需求，提出了 一种基 于矿山信息物理融合系统的矿山分布式分级自治系统。该系统由智慧感控层、 信息传输层、 统一调度层、 模 型描述层和管控应用层5 个层级组成 智慧感控层的感控节点可实现对人、 机 、 环的泛在感知、 控制和调节； 信息传输层将骨干网络和子网络相结合、 有线网络与无线网络相结合， 可提高数据传输的可靠性， 减少“ 信息 孤岛” 的产生； 统一调度层可实现系统语义和系统时间的统一， 提高了数据利用效率； 模型描述层可实现对矿 山整体的数字描绘； 管控应用层接入矿山应用系统， 可降低矿山应用系统的开发难度， 提高矿山管理的智慧 性。该系统具有可靠性、 协同性和自治性， 为实现矿山精准开采、 无人值守和少人作业提供了技术支撑。 关键词 矿山精准开采无人值守矿山管理系统分布式分级自治信息物理融合系统 中图分类号TD67 文献标志码 A 网络出版地址Ettp / kns. cnki. net/kcms/detail/32.1627. TP.20180427.0905.001. html Design of mine distributed hierarchical autonomous system LI Jingzhao, JIANG Yang School of Electrical and Ination Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract In view of requirements for characteristics of mine management system such as precision mining, heterogeneity, distribution, autonomy and data driving, a mine distributed hierarchical autonomous system based on mine cyber-physical system was proposed. The system is composed of wisdom sensing and control layer, ination transmission layer, unified scheduling layer, model description layer and control and application layer. Sensing and control nodes of the wisdom sensing and control layer can realize ubiquitous perception, control and adjustment for human, machine and environment. The ination transmission layer not only combines backbone network and sub-network, but also combines wired network and wireless network, so as to improve reliability of data transmission and reduce generation of ination isolated islands. The unified scheduling layer can realize unification of system semantics and system time, which improves efficiency of data utilization. The model description layer can realize digital description of overall mine. The control and application layer is accessed to mine 收稿日期收稿日期 2017-12-08;修回日期修回日期 2018-04-21;责任编辑责任编辑 盛男。 基金项目基金项目 国家自然科学基金资助项目（ 61170060;安徽省学术和和技术带头人学术科研活动资助项目（ 2015D046;安徽省高等学校优秀拔尖 人才资助项目（ gxbjZD2016044。 作者筒介作者筒介李敬兆“964 男 ， 安徽淮南人， 教 授 ， 博士研究生导师， 博 士 ， 主要研究方向为物联网、 嵌 入 式 系 统 ， E-mail z _aU St 126. com。 通信作者 江洋“991 一） ， 男 ， 安徽寿县人， 硕士研究生， 主要研究方向为物联网、 嵌入式系统， E-mail iangyaiig5a sina. com。 引用格式引用格式李敬兆， 江 洋 .矿 山 分 布 式 分 级 自 治 系 统 设 计 工 矿 自 动 化 ， 2018,4450-25. LI JingzhaoJIANG Yang. Design of mine distributed hierarchical autonomous system[J]. Industry and Mine Automation, 2018 44 50-25. 2 0 1 8 年 第 5 期李 敬 兆 等 矿 山 分 布 式 分 级 自 治 系 统 设 计 21 矿山分 分级自治系统分为智慧感控层、 信 息传输层、 统一调度层、 模型描述层、 管控应用层， 如 图 1 所示。智慧感控层由各种感控节点组成， 感控 节点负责感知人、 机 、 环的隐性数据， 对数据进行初 后上传至系统各类服 的数据库， 同时可 通过初级决 算实现 功能。信息传输层实现 上传下达的功能， 既可将智慧感控层的数据或指令 上传至统一调度层， 也可将统一调度层的数据或指 达给智慧感控层的指定感控节点。统一调度层 以数据为中心 工作， 实现对数据的 、 搜索、 调配、 管理， 处理不 系统之间 不 的“ 交流不畅” 问题， 同步系统各部分的时间。 描述层利用数据库中的数据信息建立物 地 理模型， ， 建立系统的逻辑模 型 。 管控应用层由各种Agent组 成 ， 为矿山应用系 Fig. 矿山从开采到运输各工作过程需要大量人 与 ， 不仅不利于矿山的综合管控， 也不利于对矿山工 作人员进行安全防护。同时， 建设资源节约型社会 要求资源开采过程中尽可能减少浪费， 精准开采成 为 矿 山 管 理 的 重 要 指 标 。信 息 物 理 融 合 系 统 Cyber-Physical System， CPS是近十年内提出的 新型网络 系统， 利用计算、 通信和控制等理 论与技术， 构造一个以感知、 分析、 决策、 执行为过程 的闭环反馈系统， 实现信息空间和物理空间的深度 合 ， 提高系统可靠性、 安全性、 、 自 [12]。 鉴此， 笔者结合矿山管理系统特性[ 3 5 *和 C P S体系 结构[612]， 提出了一种基于矿山C P S的矿山分布式 分级自治系统， 可实现矿山精准开采， 达到无人或少 人值守的目的， 是未来矿山管理系统发展的趋势 之。 1矿山管理系统特性需求 1 异构性。矿山中设备组成复杂多样， 通信 网络种类繁多， 这要求矿山 系统是一个开放的 异构系统， 能集 功能 各异的子系统， 并 有线 线网络将各子系统连接在一起。 2 分 。矿山的地 功能需求决定 了矿山 系统的组成必然是分 的， 这要求各 子系统之间必须 高实时 高可靠性的数据 交。 3 自 。 于 矿 山 开 采 的 高 度 ， 矿山的无人值守和少人 人自动化开采势在 必行， 这要求除了矿山开采设备自动化 ， 矿山管 理系统整 必须具有智慧性， 使得该系统可 在少人 人 安全可靠地自主 。 数据驱动性。矿山 系统 中会 产生 实时数据， 相对于传统的 动方式， 数据驱动方 符合矿山 系统的要求， 能更有 地 运 用 矿 山 数 据 ， 提高矿山 系统整 i 。 application system, which can reduce development difficulty of the mining application system and improve wisdom of mine management. The system has reliability, cooperativity and autonomy, and provides technical support for mine precise mining, unattended work and few people operation. Key words mine precision mining; unattended operation; mine management system; distributed hierarchical autonomy; cyber-physical system 0引言 2矿山分布式分级自治系统体系结构 数据管理 数据搜索-协调管理语义解释 1 Architecture of mine distributed hierarchical autonomous system 模型描述层 语义服务器 数据服务器 时间服务器 统一调度层智慧感控层信息传输层 22 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 统提供可靠的数据接口， 从而实现矿山应用系统对 系统底层感控节点的控制操作。 2.1 智慧感控层 智慧感控层由各种感控节点组成， 可实现对矿 山中人、 机 、 环的感知、 控制、 调节。感控节点结构如 图 2 所示。感控节点工作时， 传感器采集相应的人、 机 、 环数据并传送至控制器的模/数转换单元， 数据 经处理后传送至数据分类单元， 数据分类单元提取 控制器需要的数据并传送至本地管理单元， 本地管 理单元为数据添加时间戳并分配存储地址， 然后将 数据存入本地数据存储器。之后， 数据分类单元将 全部数据传送至本地协议转换单元进行格式处理， 再传送至本地管理单元， 本地管理单元为数据分配 相应的设备号和时间戳， 数 据 经 C P S网络通信模块 上传至数据服务器， 实现数据共享。控制器向数据 服务器申请需要的远程数据， 同时向本地数据存储 器申请本地数据， 经过决策处理单元计算后输出控 制命令， 控制命令经驱动器后由执行器执行。本地 时钟通过网络通信自动校准本地时间， 使本地时间 系 统 时 间 统 。 图图2感控节点结构感控节点结构 Fig. 2 Structure of sensing and control node 2.2 信息传输层 为满足异构性、 高可靠性、 高传输速度、 强抗干 扰能力的要求， 信息传输层采用骨干网络和子网络 相结合、 有线网络和无线网络相结合的方式。骨干 网络由高速率光纤环网构成， 可高效率地完成数据 的上传下达任务。在骨干网络中设置冗余光纤网 络 ， 当环路中任意网络节点（ 如环网交换机） 或线缆 出现故障时， 相应的网络节点自动切换至对应的冗 余光纤网络节点中， 从而保障骨干网络的数据传输 不会受到影响， 提高骨干网络节点间的物理连通性 和数据传输可靠性。子网络包含各种有线网络和无 线网络， 各种机电、 通信、 安全等固定设备通过有线 子网络接入骨干网络， 一些移动设备、 手持设备等通 过固定式或移动式无线基站等设备形成的无线子网 络连接到骨干网络[13]。 信息传输层将分布式的矿山异构感控节点有机 统一，实现感控节点间的互联互通。为保证信息传 输层的通信效率， 骨干网络和大部分子网络采用 T C P协议传输非实时数据， 采 用 U D P协议传输实 时数据。同时， 对于使用厂家自定义网络协议的部 分子网络， 需通过网关将通信数据包的网络传输层 协议转换为T C P或 U D P协议， 以实现数据的正确 传。 2.3 统一调度层 统一调度层主要负责远程数据和系统时间的管 理 ， 实现智慧感控层感控节点采集数据在不同感控 节点的高效利用，减少操作人员对矿山运行的干预， 高 矿山 系统 的自 。 统一调度层作用①使智慧感控层中的感控节 点通过发布/订阅模式向统一调度层请求其他感控 节点的远程数据， 从而提高数据利用效率， 降低网络 尤其骨干网络中数据拥塞情况， 将数据快速、 准确地 发送给智慧感控层中需要的感控节点， 减少感控节 点因等待数据而浪费的时间。②由于矿山设备种 类繁多， 不同设备中定义数据的语义可能不同， 统一 调度层起到“ 翻译” 的作用， 统一不同设备传送数据 的语义， 避免设备不能准确解读远程数据的情况发 生，同时也降低系统的复杂程度。③为模型描述层 提供数据支持， 使模型描述层可高效、 动态地修改物 地 的 数 。 统一调度层工作流程 当统一调度层接收到智 慧感控层中感控节点上传的数据时， 统一调度层按 数据 中的 设 号 时间 数据 数据服 对应的存储单元内， 以备操作人员查询， 同时向智慧 感 层 的 感 节 点 数 据 服 ， 实 现 感 节 点 间 的 数据 。 统 调 层接 智 慧感 控层中感控节点提交的数据请求信息时， 首先根据 语义服务器中预先存放的语义信息翻译数据请求信 息 ， 后 所 需数据 应 的 设 号 时间 交 给数据搜索器， 数据搜索器根据设备号和时间戳在 数据服务器中搜索对应的数据， 之后协调管理器将 数据和对应的设备号、 时间戳封装后， 根据语义服务 器中的语义翻译成对应的信息， 并将信息反馈给提 2 0 1 8 年 第 5 期李 敬 兆 等 矿 山 分 布 式 分 级 自 治 系 统 设 计 23 交数据请求的相应感控节点。为保证系统全局时间 一致， 统一调度层会定时将时间信息广播给智慧感 控层的各感控节点， 同时根据感控节点时间自动校 准的要求， 向指定感控节点发送时间信息。 2 8 模型描述层 能 。矿山应用系统由具有各种功能的应用软件实 现 ， 管控应用层隔绝了矿山应用系统与分布式分级 自治系统低层级的直接联系， 应用软件开发者仅需 根 据 Agent提供的接口即可开发相应功能的应用 软件， 从而降低了矿山应用系统应用软件的开发难 模型描述层主要包括物理模型、 地理模型、 逻辑 模型和模型推理引擎， 如 图 3 所示。 物理模型物理模型 1矿 井矿 井1 1运行管理运行管理 服务注册服务注册 逻辑模型逻辑模型 巷道巷道 1接口协议接口协议1 1安全管理安全管理1 1生产管理生产管理1 1设 备设 备1 流程引擎流程引擎 1人 员人 员1 1维护管理维护管理1 地理模型地理模型 1地 质地 质1 1安全管理安全管理1 1气 体气 体11人员管理人员管理1 1水文1 1对象建立对象建立11流程管理流程管理1 1救援管理救援管理1 1粉 尘粉 尘11任务调配任务调配11实例对象实例对象1 图图3模型描述层结构模型描述层结构 Fig. 3 Structure of model description layer 1物理模型。矿山一般按级分为矿井、 巷道， 它们与对应的设备、 人员构成了系统面向对象的物 理模型库， 该模型库与智慧感控层中各感控节点一 应 。 “ 地理模型。矿山管理系统的地理环境复 杂 ， 现有智慧矿山一般 采 用 G IS技术实现矿山的数 字描绘。提取矿山的地质、 气体、 水文、 粉尘等地理 信息要素来建立地理模型， 方便系统实时了解矿山 地 信息 。 “ 逻辑模型。逻辑模型是矿山整体信息的数 描 。 物 地 理 ， 建立矿山整体的逻辑模型， 实现生产管理、 维护 管理、 安全管理、 人员管理、 救援管理等， 使矿山分布 式分级自治系统可根据逻辑模型采取对应的自动 操作。 “ 模型推理引擎。模型推理引擎是一个基于 面向服务架构的计算环境， 包括运行管理、 流程引 擎 、 安全管理、 服务注册、 接口协议等[7]。 2 8 管控应用层 管 控 应 用 层 是一个 典 型 的 SOA Sebce- Oriented Architecture， 面 向 服 务 的 架 构 ）与多 Agent环境， 由各种Agent组成， 为矿山应用系统提 供数据接口， 并将相应的数据接入到模型推理引擎 中， 使矿山应用系统可快速、 可靠地接入矿山分布式 分级自治系统， 实现系统的人机交互、 远程控制等功 度 。同时， 由于管控应用层的存在， 应用软件开发者 可根据自身需求自主删减矿山应用系统的组成单 元 ， 提高了矿山分布式分级自治系统的自主性[14]。 3矿山分布式分级自治系统工作流程 3 8 感控节点工作流程 矿山分布式分级自治系统运行过程中， 首先由 智慧感控层中的感控节点获取矿山空间中相关数 据 ， 包括人员信息、 机械设备状态、 空间环境等数据， 从而将矿山中的隐性数据转变为显性数据。感控节 点将显性数据与对应的时间戳、 设备号进行匹配， 将 显性数据进一步处理为对应信息。信息传输层将信 息发送到统一调度层， 由系统对其进行解析， 获取其 中的时间戳、 设备号和具体数据， 再将它们存入对应 的数据库中。感控节点上传数据流程如图4 所示。 图图4感控节点上传数据流程感控节点上传数据流程 Fig. 4 Flow of data upload by sensing and control node 智慧感控层中的感控节点可向统一调度层申请 订阅数据， 其流程如图5 所示。感控节点将目标数 据 的 设 号 、 时间 信 息 传 层 发 统 调 度层通过管控应用层接入矿山应用系统， 降 低了矿山应用系统的开发难度， 提高了矿山管理的 智慧性。该系统具有可靠性、 协同性和自治性， 为实 现矿山精准开采、 无人值守和少人作业提供了技术 。 模型描述层 修改逻辑 模型 发达 誉 盛 返 发修回确 送改I s判断巨认 数命 检 索 获 取 数 据 标响 据令 修改指定 解 析 存 储指 定 指 定 是 否 数应 据 参数 信 息 数 据 ■ x ， 数 据 库 数 据 正 确 4/R 上传目标信息 发送最新数据 下载最新数据 发送控制命令 执行确认响应 返回控制命令 确认指令 发送命令执行 2 0 1 8 年 第 5 期李 敬 兆 等 矿 山 分 布 式 分 级 自 治 系 统 设 计 25 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *温景容， 武穆清， 宿景芳温景容， 武穆清， 宿景芳.信息物理融合系统信息物理融合系统[P].自动].自动 化学报，化学报，2 0 1 2 ,3 8 “507-517. 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