矿山信息物理系统状态感知的实时通信理论与方法

With the development of intelligent mining and unmanned mining, the mine information system need to aware the environment information and device states dynamically and to control equipment. Thus the real-time communication is required under complex environment in coal mine. The real-time communication of sensing information and control information is studied from a cyber-physical system perspective in this project. Traditional communication technologies, such as coding and modulation, are designed for pure data communications and are inefficient for controlling the physical dynamics in cyber physical systems. To solve the real time communication problem in mine safety production, the data generate mechanism and control requirement are analyzed firstly. The system model of cyber-physical system under complex environment is established. Then this project analyzes and develops physical dynamics aware coding and adaptive modulation by control-communication co-optimization to achieve real-time and reliable communication under channel constraint in cyber-physical system. A simulation platform is established to verify the performance of our research result. By the research of this project, the theory and technology foundation of cyber-physical system for mine can be established.

随着矿山智能开采、无人化开采等技术的发展，矿山生产过程中需要对环境信息、设备状态动态感知以及对生产装备实时控制，要求矿山信息系统具备复杂环境下实时通信的能力。本课题从矿山信息物理系统的角度研究矿山生产信息感知、数据传输及智能控制过程中的实时通信问题。传统通信技术（编码、调制等）针对文本、语音等数据业务设计以提高通信速率、时延等QoS指标，未考虑信息物理系统通信的数据属性和控制性能。本课题针对矿山复杂环境下信息物理系统实时通信问题，在深入分析矿山生产中状态感知数据特性和生产装备实时控制行为的基础上，建立复杂环境下信息物理系统通信模型，解决信息物理系统状态感知的编解码，控制—通信协同的自适应调制等科学问题，并搭建矿山信息物理系统实验仿真平台验证编解码、调制解调算法性能，奠定矿山信息物理系统的理论和工程技术基础，为智慧矿山的建设提供有力的理论和技术支撑。

依托国家自然基金青年科学基金项目“矿山信息物理系统状态感知的实时通信理论与方法”（51504255），面向矿山生产过程中对环境信息、设备状态动态感知以及对生产装备实时控制等需求，研究了矿山信息系统复杂环境下异构数据实时通信问题，解决了矿山信息物理系统通信建模、信息物理通信系统中高可靠低时延、公平性、能量效率优化等关键技术问题。课题主要工作总结如下：1)建立了在矿山复杂环境下的信息物理系统体系结构模型，并提出了基于5G的信息物理系统全双工通信框架，并在该框架下提出了基于全双工通信的工业信息物理系统能量有效资源分配算法。2) 针对信息物理系统通信低时延高可靠、公平性、频谱效率等目标，提出了数据缓存中考虑同群效应的分层匹配算法并设计了分布式的缓存机制，提出了基于α公平的联合非正交多址-时分多址接入方法、统计学信道状态信息下二用户非正交多址系统和速率优化的预编码算法、认知无线网络D2D通信中基于欺骗策略的和速率最大化算法，推导了信息物理系统分布式IBFD MAC机制和非饱和吞吐量。3)搭建了工业信息物理系统多跳传输实验系统，对课题中所提出的通信优化算法进行了硬件仿真，验证了课题所取得的理论成果的有效性。.项目组成员在国内外学术期刊和会议上发表高水平论文14篇，其中SCI期刊论文6篇，EI期刊论文2篇，核心论文3篇，会议论文3篇。授权发明专利2项，申请发明专利1项。培养博士研究生3人，硕士研究生5人。本课题研究作为部分创新内容获2016年江苏省科技进步二等奖1项。通过该课题的研究，提高了信息物理系统异构数据传输的实时性、用户公平性和能量效率等性能，奠定矿山信息物理系统的理论和工程技术基础，为智慧矿山的建设提供有力的理论和技术支撑。