矿山信息与物理接口机制与安全交互方法研究

By analyzing the inessential differences of factors in the various application scenarios of coal mine cyber physical systems, the characteristics of complex scene sensing data in multi-source and multi-mode coal mines are extracted and the time-based physical continuous model and state-based information are analyzed by mode transition state method, besides, the information acquisition and high efficient transmission mechanism for physical information fusion system that carter to coal mine environment is studied. What’s more, each subsystem is refined by adopting a hierarch combination design philosophy; a distributed hierarchical autonomy strategy and physical information fusion architecture for coal mine cyber physical systems are proposed. And then it forms the self-adaptive information distribution and transmission theory for each unit of coal mine, as well as it reveals the link regularities and interface mechanism between the information parts and physical parts and establishes a sensing and control information exchange standard for coal mine cyber physical systems with characters, such as dynamic perception, state mapping and real-time control. Build a new type of underground coal mine network based on opportunistic routing to achieve a reliable, fast, and low energy-consuming interaction between physical world and information world. Build multitask processing mechanisms for coal mine cyber physical systems and carry out research on performance evaluation theory and test method for cyber physical systems, at the same time, verify the system accessibility and reliability, so that it can lay the theoretical foundation for large-scale application and provide the reliable support in coal mines.

通过分析煤矿信息物理系统各应用场景作用因素的非本质性差异，提取多源、多模态煤矿复杂场景感测数据的特征，采用模式转移状态方法分析基于时间的物理连续模型和基于状态的信息模型，研究面向煤矿环境的物理信息融合系统的信息获取与高效传递机制。通过对各子系统进行精化并采用分层组合的设计思想，提出煤矿信息物理系统分布式分级自治策略，构建煤矿信息物理系统融合体系。形成煤矿井上下各单元自适应信息分配、传输理论。揭示构成煤矿信息物理系统的信息部分与物理部分的连接规律和接口机制，建立具有动态感知、状态映射和实时控制等特征的煤矿信息物理系统的感控信息交互标准。构建基于机会路由的煤矿井下新型网络，实现煤矿物理世界与信息世界的可靠、快速、低耗能交互。建立煤矿物理信息系统的多任务处理机制，开展信息物理系统的性能评估理论和测试方法研究，进行系统可达性和可靠性验证，为信息物理系统在煤矿大规模应用奠定理论基础并提供可靠支持。

随着智慧矿山建设的推进，连接智慧矿山信息世界与物理世界的感知与执行装置日益增多。然而这些装置与各子系统的强耦合性使得终端之间的数据交互存在层层壁垒，致使智慧矿山中大量的资源未能充分发挥潜在效能。为此，本课题对矿山信息物理融合系统在网络性能优化，拓扑控制和数据管理、矿山CPS感知执行层中的计算资源调度、信道分配和功率控制、智慧矿山的分布式协同架构体系、终端设备的服务化封装与标准化接入、矿山CPS接口设计、信息资源的动态调度分配、实时生产信息的主动感知与集成开展了研究。. 针对矿山信息物理融合系统信息量大，控制方式多样化的情形，建立了感知、传输、认知、控制等各个层次上的多计算模型辅助下的自优化调度机制。研究了煤矿井下复杂异构环境下监控系统数据管理，实现了对矿井监控系统数据管理的整体完善。研究了矿山信息物理融合系统感知层节点能量管理优化策略，通过对外界未知事件发生的时间特性和等待传输的信息量进行分析，完成了对煤矿CPS传感器节点的状态转换控制。提出了基于信号强度下的中继节点优策略，从而构建了稳定的煤矿CPS网络拓扑结构。. 开展了信息资源的动态调度分配、实时生产信息的主动感知与集成研究，构建了矿山智能感知环境，精细化统筹调度矿山信息资源。研究了具有前向主动感知、状态映射和主动传播等功能的煤矿信息与物理接口机制，构建了智慧矿山的信息智能交互体系和矿山安全导向的视频联动联控系统。. 研究了矿山雾边协同下计算资源调度理论，构建了矿山计算资源动态调度机制，从计算资源需求与供给的角度，提出了计算资源价值流驱动的资源调度算法。研究了矿山井下特殊巷道环境中的信道分配方法，建立了信道复用模式下吞吐量最大化目标导向的系统模型。研究了矿山井下感知用户功率控制策略。构建了基于机会路由的煤矿井下新型网络，实现煤矿物理世界与信息世界的可靠、快速、低耗能交互，为智慧矿山建设打下了坚实的理论基础。