矿山物联网生产设备协同管控系统设计.pdf

第44卷 第 “期 2018年6月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 ▲ 丨 丨 “ 丨 丨 丨 丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨 矿山物联网顶层设计” 专栏 文章编号671-251X201806-0001-05DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17335 矿 山 物 联 网 生 产 设 备 协 同 管 控 系 统 设 计 李学恩1 游博1 陈卿23 王红星1 1.中国科学院自动化研究所， 北 京 100190; 2.中国矿业大学信息与控制工程学院， 江 苏 徐 州 221116; 3.矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室， 江 苏 徐 州 221008 摘要 针对矿山物联网生产设备协同管控规模大、 时序约束严格、 局部控制等特点， 结合矿山物联网生产 设备协同管控系统架构， 建立了矿山物联网生产设备多级协同管控模型， 提出了基于数据驱动与知识驱动的 矿山物联网生产设备协同管控方法， 描述了各层级子系统及其设备之间的任务分配与协同机制， 并由此构建 了基于平行管理的矿山物联网生产设备协同管控系统。该系统可实现矿山物联网数据的分布式协同处理与 设备协同管控， 减少人为干预， 提高生产效率。 关键词 矿山物联网； 精准开采； 设备协同管控；多级协同管控； 任务协同机制；时序约束；平行管理 中图分类号TD67 文献标志码A 网络出版地址Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180524. 1956. 001. html Design of cooperative management and control system for production equipments in mine Internet of things LI Xue en1， YOU Bo1 , CHEN Qing2, 3， WANG Hongxing1 1. Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190, China; 2. School of Ination and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116, China; 3. The National and Local Joint Engineering Laboratory of Mine Internet Application Technology， Xuzhou 221008, China Abstract For characteristics of large-scale， strict timing constraint and decentralized control of cooperative management and control for production equipments in mine Internet of thingsIoT， a multi level cooperative management and control model for production equipments in mine IoT was established combing with architecture of a cooperative management and control system. A cooperative management and control for production equipments in mine IoT was proposed which was based on data-driven and knowledge-driven， and task allocation and collaboration mechanism among subsystems and their equipments at all levels was described. Thus a cooperative management and control system for production equipments in mine IoT based on parallel management was established. The system can realize distributed collaborative data processing and cooperative management and control of production equipments of mine 收稿日期2018-05-02;修回日期2018-05-22;责任编辑 李明。 基金项目 国家重点研发计划资助项目（2017YFC0804407;江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目（CXLX13_941。 作者筒介李学恩“969 男， 河南民权人， 研究员， 博士， 主要研究方向为物联网与智能感知，E-mail xueen. liia. ac cn。通信作者 陈卿 1984），男，江苏徐州人，博士研究生，主要研究方向为矿震波速反演，E-mailhenqxzitgmail. com。 引用格式李学恩， 游博， 陈卿， 等.矿山物联网生产设备协同管控系统设计工矿自动化，2018，446-5. LI Xueen, YOU Bo, CHEN Qinget al. Design of cooperative management and control system for production equipments in mine Internet of things[J]. Industry and Mine Automation,2018,446 1-5. 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 理系统的发展趋势。 1矿山物联网生产设备协同管控需求1矿山物联网生产设备协同管控需求 矿山物联网生产设备协同管控具有以下特点 ---- 1 需获取广域且深度的互连互通、 实时、 海量 数 据 层 大数据信息。 2 具有不可分与不可知的复杂系统特征。 3 协同 大 。一次协同任务需要部署在很 大范围内的大 同完成， 且在大 协 同中存在大量并行协同任务和设备资源访问任务。 “ 时序约束严格。针对大 协同中存 在的并行协同任务， 除了要保证这些任务之 够 地共享各类资源， 防止冲突和死锁， 更重要的是 要保证这些任务之 任务与子任务之 严格 序约束关系。 “ 局部控制。在复杂系统中， 每个主体只能 从其所在相对较小的个体集合中 局部信息并做 出相应决策。系统的整体行为通过个体 竞争或 协 局 部 相 互 作 用 表 现 出 来 。 因此， 矿山物联网生 协同管控系统应具 有以下主要 “ 根据矿山生产设备运行和工况环境、 生产 业务及管理方 因素之 工作流和协同关系， 实现“ 人 、 机 、 环” 设备协同管控。将设备因素、 环境 因素、生 节与管理方 机结合，实现 联动与智 ， 提高整体管理水平与节 排 。 IoT, which can reduce human intervention and improve production efficiency. Key words mine Internet of things; precise mining; cooperative management and control of equipment; multi-level cooperative management and control; collaboration mechanism of task; timing constraint; parallel management 引言引言 完整的现代化生产矿区通常由上万套独立设备 同完 生 业 ， 矿 山 物 联 网 ， 各生 系统 ， 物理 分 ， 生产工 ， 底层 来自 网络[12]。为 物联网 矿山 生协同管控 ， 本文在分析矿山物联网 生 协同管控特点 ， 建立 了矿山物联网生 协同管控模型， 提出了 动与 动的矿山物联网生 协 同管控方法， 矿山物联网生 协同 管控系统。该系统通 矿山物联网 分布式 协同 与 协同管控， 可实现矿山 ， 人工 ， 高 生 。 矿 山 管 “ 通过大数据挖掘与知识描述， 实现矿山安 全生产过程中的隐性 隐性知识显性化。通过 集生产传输过程中的传 ， 形成云端 索 引。结合现有矿山生 图谱， 将综合 形成 论 。 “ 将设备功能服务管理与生产业务流程管理 相结合， 实现 动与 动 协同 管控。 2矿山物联网生产设备协同管控系统架构2矿山物联网生产设备协同管控系统架构 矿山物联网生 协同管控系统架构包括物 联网及其 、 集 、 、 业务逻辑层、 表现 [35]， 如 图 1 所示。 调度台 在线 监测 综合生产 运营管理 决策 分析 A Web JSP/Ajax/WebGIS Struts/ Web- Work SpringAOP/IOC ORM Hribemate/Ibatis DAO 工业实时关系 [g频磁遠J L i i s J 图1矿山物联网生产设备协同管控系统架构 Fig. 1 Architecture of cooperative management and control system for production equipment in Internet of things 物联网及其 主要由传感器、 执行器、 传感 网络节点、 物联网网关、 前置服务器 。传感器 主要 集 生 程中 传输 。 执行器用 程 或自动化控制。传感网络节点作为传输中继， 完成 物联网组网 ， 并对传感器、 执行器 行管 。传感网络节点同 协 ， 可根据 生成器 2 0 1 8 年 第 6 期李 学 恩 等 矿 山 物 联 网 生 产 设 备 协 同 管 控 系 统 设 计 |□设备协同管控系统边界设备智能协同管控模块中的功能元素 O沿欠知钟袖同鲜坊描也设备智能协同管控模块中的功能元素 U设 备 輸 侧控 徽 纖 备 协 同 雛 系 统 的 接 口 图2矿山物联网生产设备多级协同管控模型 Fig. 2 Multi-level cooperative management and control model for production equipment in Internet of things 域小组层和系统层[11]。每层之间既有相对狃 ， 又存在相互作用 。每一 目标 f 根 目标（ 如安全 度 、 高 耗 结合实际系统物 实 据 化 ， 协同任务调度进行优化， 得到任务分配 方案发 系统、 设备或下一 智能协同管控 。 实际系统接收到分配 协同任务后， 动下执行协同管控任务， 并根 一 传的实 行 更新， 同 行分析， 实 现或 或 ， 并发送任务执 行结 工 。 人工 ， 协 同管控任务 任务 执行完 新的任 务到来时终止。 每一 智能协同管控模块接口如图3 所 示 ， 其主要包括从本层级或下一层级上传的感知数 下一层级感知数据控制指令到下一层级下一层级状态报告 图3 智能协同管控 接口 Fig. 3 Interface of intelligent equipment cooperative management and control unit 需要将传感器 通信协 为物联网通信 协议格式。物联网网关作为物联网网络 ， 主要 物联网网络， 实现物联网与 网 接 。前置服务器用于物联网管 物联网 收集。 集 主要获取和集成各种数据， 包括生产调 业务 、 设备运行监控等实 。在 位服务器中放置前置机， 通 过 Web Service 接口 生产调 业务 ， 将 通过数 平台（ 包括中 服务器、 数据存 发服 务 器 I/O Server存 类 。其中前 置机包括T L Q 消息中 节点、 TI-DX 节点、 前 置 DB 3 个部分， 中 服 务 器 包 括 TI-ETL 工具、 TI DX 节 点 、 T L Q 消息中 节 点 、 DXP 管 理 平 台 个部分。 位服务器 中安装I/O Server， 利 用 OPC接口 运行监 控等实 并发 。 通过分类存储管理， 建立数据共享机制， 业信息 ， 为系统 次 挖掘及 策支持。 主要使用实 、 流媒体软 〇racle-11g 进行 、 视频管理。 业务逻辑层主要采用Spring框架实现具体的 业务逻辑， 为业务逻辑 务控制 校验支 ， 并 通 务 实现与 互 ， 用 器 实例化、 管理业务逻辑， 为表现 统一 接口 。 表 现 层 利 用 Ajax， JSP， \ ebGIS技 术 ， 结合 Web Struts/ \ eb-\ork 框架完成 HTTP 请求处 理 、 页面实现、 数据校验 ， 主要包括分发器、 控 制 器 、 、 校验 、 网 图 。 3矿山物联网生产设备多级协同管控模型3矿山物联网生产设备多级协同管控模型 矿山 安全 生 业 务 管 一 行 划分， 每个 生产管理包括 系统， 均由 传感器、 执行器、 控制器、 处理器 [ 6 〃 ]。本 文将 网络服务形式统一 资源设备任务即本层级设备的访问和控制， 在协同 任务执行过程中由本层级实际系统在知识和数据驱 动下触发产生。 矿山物联网生产设备协同管控系统的任务分配 模块如图4 所示。该模块主要根据目标评估模块基 于协同管控目标（ 如安全、 节能、 高效等） 的评估、 优 化结果进行协同管控任务的规划和分配。协同任务 将按照规划目标在时间和空间分解成下一层级协同 管控任务 协 同 任 务 任 务 ， 并分别发送到下一层级及本层级不同的子系统及其 设备中执行。任 意 2 个关联层级之间的任务分配是 上层级发送给下层级“ 需要做什么” 的协同任务和下 层级产生“ 怎么执行” 的协同子任务和设备子任务。 JA任务分配管理器;PL规划器；EX执行器 图4任务分配模块 Fig. 4 Task allocation module 在目标评估的基础上， 通过协同管控在时间和 空间维度上的任务规划和分配， 实际系统按照基于 知识和数据驱动的设备协同管控方法， 自动按时序 同步或顺序触发执行相应的协同任务或设备任务。 对于多协同任务， 在任务规划和分配时应尽可能避 免时序和资源冲突， 并采用优先级和信号量控制机 制来保证时序同步， 避免冲突； 对于多设备任务， 由 于设备资源具有独占性， 采用资源预约机制来防止 设备任务之间的访问冲突问题[12]， 从而满足矿山物 联网生产设备协同管控规模大、 时序约束严格的 要。 5矿山物联网生产设备协同管控系统工程设计5矿山物联网生产设备协同管控系统工程设计 矿山物联网生产设备之间存在某种内在的冲 突、 联系和规律， 为有效发现和解决这些问题， 在进 行矿山物联网生产设备协同管控系统工程设计时， 设计为实际系统与人工系统并行互动的平行管理系 统[13]， 对实际系统和人工系统之间逐步进行学习训 练 、 计算实验、 评估、 管理与控制， 使实际系统趋向人 工系统， 进而借助人工系统使复杂问题简单化。基 于平行管理的矿山物联网生产设备协同管控系统如 图 5 所示。该系统通过大数据分析和平行协同的智 能学习训练， 可建立相应的数据库和知识库;采用基 于数据驱动与知识驱动的设备协同管控方法和智能 协同 ， 系 统 中 任务 分 ， 实现 协同 化 学 。 图5基于平行管理的矿山物联网生产设备协同管控系统 Fig. 5 Cooperative management and control system for production equipment in Internet of things based on parallel management 矿山物联网生产设备协同管控系统在工程实现 上主要由设备协同流程设计系统、 设备协同执行系 统 、 设备协同评估系统、 通信服务器及物联网设备或 设备模拟器组成[1415]， 如 图 “ 所示。设备模拟器用 于在平行系统中模拟实际系统中的设备功能； 通信 服务器实现设备协同执行系统与设备的通信； 设备 协同流程设计系统提供图形化的协同流程设计界 面 ， 支持用户进行直观、 快捷的设备协同流程设计； 图 “矿山物联网生产设备协同管控系统工程设计 Fig. 6 Engineering design of cooperative management and control system for production equipment in Internet of things 2 0 1 8 年 第 6 期 李 学 恩 等 矿 山 物 联 网 生 产 设 备 协 同 管 控 系 统 设 计 用户设计的设备协同程序保存于设备协同程序数据 库中； 设备协同执行系统模拟执行设备协同流程， 并 根据执行情况将执行结果存人历史数据库， 将系统 学习训练的结果存人知识库； 设备协同评估系统利 用知识库和数据库对设备协同管控效果进行分析 评估。 4结语4结语 从系统角度出发， 建立了矿山物联网生产设备 多级协同管控模型， 提出了基于数据驱动与知识驱 动的设备协同管控方法， 并构建了矿山物联网生产 设备协同管控系统。该系统将设备管理与生产管理 相结合， 按照业务应用需求组合物联网环境中矿山 生产设备的空间功能服务和空间信息服务， 通过业 务流程化建模， 可实现矿山物联网分布式多设备协 同工作，为矿山安全、高效、 精准开采提供技术支撑。 参 考 文 献 （ References [ 1] 徐 静 ， 谭章禄.智慧 矿 山 系 统 工 程 与 关 键 技 术 探 讨 [J ].煤炭科学技术，2014,42“79-82. 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