基于面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的煤礦CPS建模

張 梅，張 嘯

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤礦安全生產(chǎn)是集開采、挖掘、運(yùn)輸、通信、控制等多環(huán)節(jié)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，需要將煤礦物理世界與信息技術(shù)緊密結(jié)合，那就必須引入信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)的理論，這是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤礦自動(dòng)化的發(fā)展方向[1-3]。

CPS是將計(jì)算、通信和控制融為一體的復(fù)雜工程系統(tǒng)[4]。煤礦CPS是將CPS應(yīng)用到煤礦系統(tǒng)中[5]。在煤礦CPS中，子系統(tǒng)眾多，設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)都是分布的、異構(gòu)的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)由于各子系統(tǒng)相互獨(dú)立而無法進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一管理的問題。因此在其開發(fā)初期，需要對(duì)煤礦CPS進(jìn)行建模，對(duì)其進(jìn)行描述、分析和驗(yàn)證，以提高系統(tǒng)的可靠性和可信度。CPS建模的研究比較廣泛，建模方法也比較多，如基于Actor、混成自動(dòng)機(jī)、微分動(dòng)態(tài)邏輯和Petri網(wǎng)等建模方法[6-9]。目前煤礦CPS主要的建模方式是針對(duì)物理進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程建立連續(xù)模型和離散模型，進(jìn)行離散邏輯控制和連續(xù)時(shí)間行為同步[10-13]。

Petri網(wǎng)是一種圖形化與數(shù)學(xué)化的建模工具，適合于描述系統(tǒng)的分布性、并發(fā)性和異步性，尤其適用于煤礦CPS的建模。面向?qū)ο蠹夹g(shù)具有靈活、可重用、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，適合描述和設(shè)計(jì)大型復(fù)雜系統(tǒng)。面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(object-oriented Petri nets，OOPN)將Petri網(wǎng)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合，將單個(gè)對(duì)象的Petri網(wǎng)模型封裝起來，提高了系統(tǒng)模塊性和柔性[14-16]。

本文圍繞煤礦CPS的主要對(duì)象和業(yè)務(wù)流程，以面向?qū)ο驪etri網(wǎng)為建模工具，實(shí)現(xiàn)了各對(duì)象內(nèi)部子網(wǎng)模型和系統(tǒng)整體模型的構(gòu)建，以提高系統(tǒng)的可靠性，為煤礦CPS的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 煤礦CPS的體系架構(gòu)

煤礦CPS是一個(gè)復(fù)雜、分布、并發(fā)、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的系統(tǒng)，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，本文從多Agent系統(tǒng)的角度來研究煤礦CPS。Agent技術(shù)是一種處于一定環(huán)境下包裝的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、分布式系統(tǒng)、人工智能、并行計(jì)算、專家系統(tǒng)、知識(shí)工程等相互交叉融合形成的技術(shù)。單Agent可以獨(dú)立地完成某項(xiàng)任務(wù)，多Agent系統(tǒng)是一個(gè)有組織能力的Agent組，通過彼此間的協(xié)作即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能要求。因此Agent技術(shù)特別適合處理像煤礦CPS這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，將Agent技術(shù)引入到煤礦CPS中，可以有效地解決煤礦CPS的并行、自治、協(xié)作、共享等問題。

本文從利用技術(shù)自治性、反應(yīng)性、主動(dòng)性和交互性的特點(diǎn)，把整個(gè)煤礦CPS看成一個(gè)多Agent組成的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦CPS的體系架構(gòu)

基于多Agent技術(shù)的煤礦CPS自下而上分為感執(zhí)層、傳輸層和應(yīng)用層。感執(zhí)層主要由感知節(jié)點(diǎn)Agent和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent組成，通過嵌入式單元實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下物理世界的感知和控制。網(wǎng)絡(luò)層主要由無線傳感網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)和煤礦光纖骨干網(wǎng)組成，它將無線傳感網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)接入高速率的光纖骨干環(huán)網(wǎng)中，然后進(jìn)行傳輸；網(wǎng)絡(luò)層還包括協(xié)調(diào)處理Agent，它負(fù)責(zé)將底層各子系統(tǒng)的信息匯聚、處理、協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)全局目標(biāo)和局部目標(biāo)的協(xié)調(diào)。應(yīng)用層主要由管控Agent和客戶端Agent組成，管控Agent負(fù)責(zé)接收、分析和處理協(xié)調(diào)處理Agent的信息，然后將處理的結(jié)果傳送給客戶端Agent；客戶端Agent提供用戶管理接口，業(yè)務(wù)涵蓋煤礦安全、生產(chǎn)、調(diào)度、機(jī)電等各個(gè)環(huán)節(jié)，使煤礦各環(huán)節(jié)都能集中監(jiān)視、協(xié)同控制。

針對(duì)上述體系架構(gòu)，下面以面向?qū)ο驪etri網(wǎng)為建模工具對(duì)煤礦CPS進(jìn)行建模。

2 煤礦CPS的OOPN建模

基本的Petri網(wǎng)是一種網(wǎng)狀信息流，由庫所、變遷以及連接它們的有向弧和令牌信息組成。庫所表示系統(tǒng)的狀態(tài)，變遷表示系統(tǒng)的變化，庫所決定變遷是否發(fā)生，變遷則改變系統(tǒng)的狀態(tài)，有向弧是兩者之間的依賴關(guān)系。在庫所節(jié)點(diǎn)和變遷節(jié)點(diǎn)的有向二分圖上，有表示狀態(tài)資源和信息資源的令牌，令牌按照變遷發(fā)生的規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)演變，從而體現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程。

煤礦CPS的面向?qū)ο驪etri網(wǎng)建模主要有3部分：①頂層對(duì)象的Petri網(wǎng)建模，即系統(tǒng)各對(duì)象之間的消息傳遞機(jī)制的建立；②單個(gè)對(duì)象的Petri網(wǎng)建模，即描述單個(gè)對(duì)象的具體業(yè)務(wù)活動(dòng)；③建立各對(duì)象消息傳遞關(guān)系，即描述頂層對(duì)象之間的關(guān)系。

根據(jù)以上步驟，首先建立煤礦CPS各對(duì)象的子網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)各對(duì)象的自治性、主動(dòng)性；再通過對(duì)象間的接口(消息庫所)和門變遷將每個(gè)子網(wǎng)系統(tǒng)連接起來，最后集成各對(duì)象子網(wǎng)形成煤礦CPS的整體模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)象間的交互性、共享性。

2.1 感知節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型

煤礦CPS中的感知節(jié)點(diǎn)Agent具備感知煤礦井下環(huán)境、人員等物理世界的能力，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送給信息處理單元。每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)Agent具有唯一的身份ID，以區(qū)別于其它節(jié)點(diǎn)，主要完成數(shù)據(jù)采集、簡(jiǎn)單處理和信息傳輸?shù)墓δ?。其OOPN子網(wǎng)模型如圖2所示。

圖2 感知節(jié)點(diǎn)Agent的OOPN子網(wǎng)模型

圖2中，庫所S11為接收到的感知數(shù)據(jù)，S12為經(jīng)過簡(jiǎn)單處理的數(shù)據(jù)。變遷T11為感知節(jié)點(diǎn)Agent的輸入接口，T13為輸出接口，實(shí)現(xiàn)煤礦井下物理世界的信息輸入和輸出；T12為信息處理變遷，根據(jù)規(guī)則庫以及系統(tǒng)需求進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理。IMP11為節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)消息，OMP11為向協(xié)調(diào)處理Agent傳送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求消息。

2.2 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型

在煤礦CPS中，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent根據(jù)接收到的信息進(jìn)行獨(dú)立的判斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent的OOPN子網(wǎng)模型是以Agent技術(shù)中信念-愿望-意圖(belief-desire-intention，BDI)模型為指導(dǎo)思想建立的，其模型如圖3所示。

圖3 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent的OOPN子網(wǎng)模型

圖3中，S21為決策模塊庫所，它按輸入信息的類型將其派遣到反應(yīng)模塊，用來捕獲事件和派遣消息；S22為反應(yīng)模塊庫所，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)；S23是知識(shí)庫模塊庫所，為BDI模型中的信念，用來描述該Agent的固定信息和一些條件-動(dòng)作規(guī)則；S24是目標(biāo)模塊庫所，為BDI模型中的愿望，用來描述該節(jié)點(diǎn)接收到的任務(wù)；S25是規(guī)劃模塊庫所，為BDI模型中的意圖，用來描述該Agent完成任務(wù)所需的行為。T21和T28分別為輸入、輸出接口變遷，T22為直接派遣消息至反應(yīng)模塊，T23為派遣消息至BDI模塊，T24為更新目標(biāo)，T25為直接使用知識(shí)庫，T26為更新規(guī)劃，T27為規(guī)劃選擇，T28為執(zhí)行規(guī)劃。IMP21為節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)消息，OMP21為向協(xié)調(diào)處理Agent反饋信息的請(qǐng)求消息。

2.3 協(xié)調(diào)處理Agent子網(wǎng)模型

協(xié)調(diào)處理Agent將各感知節(jié)點(diǎn)Agent的信息匯聚、處理，上傳給管控Agent；同時(shí)將管控Agent下發(fā)的任務(wù)轉(zhuǎn)化為具體的控制信息發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent，并將執(zhí)行過程中反饋的信息匯聚處理后上傳給管控Agent。協(xié)調(diào)處理Agent的OOPN模型如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)處理Agent的OOPN子網(wǎng)模型

圖4中，S31為協(xié)調(diào)處理Agent的決策庫所，用來判斷來自各Agent的信息或管控Agent下發(fā)的指令；S32管控Agent 下發(fā)的指令；S33轉(zhuǎn)化后的指令；S34為感知節(jié)點(diǎn)Agent 上傳的數(shù)據(jù)；S35為處理后需要上傳至管控Agent的感知數(shù)據(jù)；S36為執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent反饋的數(shù)據(jù)，S37為處理后需要上傳至管控Agent的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。T31、T32和T33分別為感知節(jié)點(diǎn)Agent、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent以及管控Agent的輸入接口變遷，T34為接收管控Agent指令，T35為轉(zhuǎn)化相應(yīng)指令，T36為發(fā)送相應(yīng)指令至執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent，T37為接收感知節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，T38為處理感知數(shù)據(jù)，T39為上傳處理后的感知數(shù)據(jù)至管控Agent，T3A為執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent的反饋信息，T3B為處理反饋信息，T3C為上傳反饋信息至管控Agent。IMP31、IMP32和IMP33分別為感知節(jié)點(diǎn)Agent、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent以及管控Agent發(fā)送信息的請(qǐng)求消息，OMP31和OMP32為協(xié)調(diào)處理Agent向執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent和管控Agent發(fā)送信息的請(qǐng)求消息。

2.4 管控Agent子網(wǎng)模型

管控Agent一方面接收客戶端Agent發(fā)送的任務(wù)，然后對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解，接著判斷協(xié)調(diào)處理Agent能否解決分解后的子任務(wù)；若能，則將子任務(wù)下發(fā)至相應(yīng)協(xié)調(diào)處理Agent；若不能，則反饋給客戶端Agent。另一方面，管控Agent接收并分析處理協(xié)調(diào)處理Agent上傳的數(shù)據(jù)，再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端Agent。管控Agent的OOPN模型如圖5所示。

圖5 管控Agent的OOPN子網(wǎng)模型

圖5中，S41為管控Agent的決策庫所，用來判斷來自客戶端Agent和協(xié)調(diào)處理Agent的信息；S42為接收到的來自客戶端Agent的任務(wù)；S43為分解后的子任務(wù)；S44為判斷子任務(wù)能否完成的決策庫所；S45為下發(fā)到協(xié)調(diào)處理Agent的子任務(wù)；S46為接收到的協(xié)調(diào)處理Agent上傳的數(shù)據(jù)；S47為分析處理后的數(shù)據(jù)；S48為反饋給客戶端Agent的信息。T41、T42分別為協(xié)調(diào)處理Agent和客戶端Agent的輸入接口，T43為接收客戶端Agent下發(fā)的任務(wù)，T44為分解任務(wù)，T45為傳送子任務(wù)至決策會(huì)所，T46為能完成子任務(wù)時(shí)發(fā)送子任務(wù)，T47為下發(fā)子任務(wù)至協(xié)調(diào)處理Agent，T48為不能完成子任務(wù)時(shí)上傳反饋信息，T49為接收協(xié)調(diào)處理Agent的數(shù)據(jù)，T4A為分析處理數(shù)據(jù)，T4B為上傳處理后數(shù)據(jù)，T4C為上傳數(shù)據(jù)和反饋信息至客戶端Agent。IMP41和IMP42分別為協(xié)調(diào)處理Agent和客戶端發(fā)送信息的請(qǐng)求消息，OMP41和OMP42為管控Agent向協(xié)調(diào)處理Agent和客戶端Agent發(fā)送信息的請(qǐng)求消息。

2.5 客戶端Agent子網(wǎng)模型

客戶端Agent為用戶提供對(duì)煤礦CPS管理的接口，分為用戶管理子系統(tǒng)、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)、煤礦調(diào)度指揮子系統(tǒng)、煤礦災(zāi)害預(yù)警子系統(tǒng)和煤礦井下人員定位子系統(tǒng)等眾多子系統(tǒng)。一方面，客戶端Agent接收到管控Agent傳送的數(shù)據(jù)后，根據(jù)性質(zhì)將其分解到子系統(tǒng)中，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，如存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警等；另一方面，客戶端Agent接收用戶的輸入指令，并將指令進(jìn)行翻譯和推理，再將對(duì)應(yīng)任務(wù)下發(fā)到管控Agent?？蛻舳薃gent的OOPN模型如圖6所示。

圖6 客戶端Agent的OOPN子網(wǎng)模型

圖6中，S51為客戶端Agent的決策庫所，用來判斷來自用戶的指令和管控Agent的數(shù)據(jù)；S52為接收到的用戶指令；S53為翻譯推理后的指令；S54為接收到的管控Agent數(shù)據(jù)；S55為分解后的不同子系統(tǒng)數(shù)據(jù)；S56為處理后的數(shù)據(jù)。T51、T52分別為用戶端和管控Agent的輸入接口，T53為接收用戶下發(fā)的指令，T54為翻譯推理指令，T55為下發(fā)指令至管控Agent，T56為接收管控Agent的數(shù)據(jù)，T57為分解數(shù)據(jù)至各子系統(tǒng)，T58為在子系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，T59為輸出數(shù)據(jù)。IMP51和IMP52分別為用戶端和管控Agent發(fā)送信息的請(qǐng)求消息，OMP51和OMP52為用戶端Agent向管控Agent和輸出端發(fā)送信息的請(qǐng)求消息。

2.6 煤礦CPS的整體OOPN模型

煤礦CPS的業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7 煤礦CPS的業(yè)務(wù)流程

煤礦CPS的業(yè)務(wù)流程主要分為兩部分：一是用戶端指令的下達(dá)，其具體流程如下，用戶通過客戶端Agent向管控Agent發(fā)送請(qǐng)求→客戶端Agent將對(duì)應(yīng)的命令下發(fā)給管控Agent→管控Agent對(duì)接收到的命令進(jìn)行分析，分解成子任務(wù)，根據(jù)任務(wù)指令調(diào)度該任務(wù)所涉及到的Agent并激活→當(dāng)管控Agent經(jīng)過分析，判斷其控制的協(xié)調(diào)處理Agent組解決不了該任務(wù)時(shí)，則反饋給用戶，該任務(wù)不能完成→管控Agent發(fā)現(xiàn)其控制的協(xié)調(diào)處理Agent組可以解決，將任務(wù)分配給合適的協(xié)調(diào)處理Agent→啟動(dòng)多Agent煤礦信息物理系統(tǒng)→協(xié)調(diào)處理Agent將分解后的子任務(wù)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent進(jìn)行匹配，將任務(wù)分配給合適的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent 來完成，同時(shí)監(jiān)測(cè)Agent與其它Agent通過互動(dòng)機(jī)制來協(xié)作完成該任務(wù)→當(dāng)某一個(gè)協(xié)調(diào)處理Agent發(fā)生故障時(shí)，管控Agent對(duì)故障信息首先進(jìn)行分析，做出對(duì)應(yīng)的決斷，然后將此Agent正在執(zhí)行的任務(wù)重新分配，保障整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。二是感知信息的處理上傳，其具體流程為：感知節(jié)點(diǎn)Agent將自己采集到的煤礦井下信息反饋給上級(jí)的協(xié)調(diào)處理Agent→協(xié)調(diào)處理Agent將接收到的感知Agent數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，將融合后的準(zhǔn)確、簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給管控Agent，同時(shí)與本地?cái)?shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的礦山發(fā)生事故時(shí)，立即啟動(dòng)報(bào)警器，將危險(xiǎn)信息上報(bào)給管控Agent，由管控Agent通知管理員進(jìn)行處理→管控Agent將接收到各自控制的協(xié)調(diào)處理Agent的信息進(jìn)行融合處理，反饋給客戶端Agent，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤礦信息發(fā)生異常時(shí)，立即啟動(dòng)報(bào)警器，并通知管理員進(jìn)行處理→客戶端Agent將收集到的煤礦環(huán)境信息反饋給用戶。

根據(jù)煤礦CPS業(yè)務(wù)流程，將建立好的煤礦CPS各對(duì)象通過對(duì)象間的接口(消息庫所)和門變遷將各個(gè)對(duì)象子網(wǎng)集成起來，構(gòu)建出煤礦CPS的整體OOPN模型，如圖8所示。

圖8 煤礦CPS的整體OOPN模型

圖8中，對(duì)象O1～O5分別為感知節(jié)點(diǎn)Agent、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent、協(xié)調(diào)處理Agent、管控Agent和客戶端Agent，G13～G54為對(duì)象之間的門變遷，由指定控制規(guī)則來決定是否點(diǎn)火。

O1將感知信息處理好后通過門變遷G13傳輸至O3，O3處理后通過G34傳輸至O4，O4分析處理后通過G45傳輸至O5，O5將信息反饋給用戶；另一方面用戶通過O5通過G54下發(fā)指令至O4，O4分析處理后通過G43將任務(wù)分配至O3，O3分解任務(wù)后通過G32將子任務(wù)分配至O2，O2執(zhí)行任務(wù)并將執(zhí)行結(jié)果反饋通過G23反饋給O3。

3 模型性質(zhì)分析

Petri網(wǎng)模型主要有可達(dá)性、死鎖、有界性、安全性、守恒性等的性質(zhì)，有可達(dá)圖、可覆蓋性樹、關(guān)聯(lián)矩陣、狀態(tài)方程等分析方法。下面圍繞煤礦CPS的OOPN模型，利用可覆蓋性樹和關(guān)聯(lián)矩陣對(duì)其進(jìn)行可達(dá)性、有界性、守恒性和死鎖檢測(cè)等分析。

3.1 基于可覆蓋性樹的模型性質(zhì)分析

針對(duì)煤礦CPS的OOPN模型，需要進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，最常用的可靠性檢測(cè)為系統(tǒng)可達(dá)性和死鎖檢測(cè)。系統(tǒng)可達(dá)性分析的目的是看從初始狀態(tài)可以變化到哪些狀態(tài)，或從給定狀態(tài)是否可以實(shí)施一系列變遷從初始狀態(tài)到達(dá)該狀態(tài)；系統(tǒng)死鎖檢測(cè)的目的是檢測(cè)系統(tǒng)的活性。這些均可通過建立系統(tǒng)的可達(dá)樹來完成。

基于可覆蓋性樹的面向?qū)ο驪etri網(wǎng)模型性質(zhì)步驟是：首先建立每個(gè)對(duì)象子網(wǎng)模型的可覆蓋性樹，分析子網(wǎng)模型的可達(dá)性和是否存在死鎖；然后根據(jù)對(duì)象間的通訊關(guān)系，構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化網(wǎng)，通過建立的簡(jiǎn)化網(wǎng)，分析整個(gè)系統(tǒng)模型的可達(dá)性和是否存在死鎖。

以執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型為例，建立其內(nèi)部的可覆蓋性樹，如圖9所示。

圖9 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型的可覆蓋性樹

由圖9可以明顯看出，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent內(nèi)部的每一個(gè)變遷通過適當(dāng)?shù)男袨榫杉ぐl(fā)，各狀態(tài)均可達(dá)，它能將輸入庫所中的托肯傳遞到輸出庫所，其內(nèi)部不存在死鎖；由圖9可看出，可覆蓋性樹節(jié)點(diǎn)中沒有出現(xiàn)ω，模型有界；另外只有“0”和“1”出現(xiàn)在其節(jié)點(diǎn)標(biāo)注中，故模型安全。同理可以對(duì)其余對(duì)象進(jìn)行可達(dá)性與死鎖檢測(cè)。

接著根據(jù)面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的化簡(jiǎn)規(guī)則，將每個(gè)對(duì)象子網(wǎng)化簡(jiǎn)為一個(gè)對(duì)象庫所節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)輸入、輸出關(guān)聯(lián)網(wǎng)連接起來，得到煤礦CPS整體OOPN模型的簡(jiǎn)化網(wǎng)，如圖10所示。

圖10 煤礦CPS整體OOPN模型的簡(jiǎn)化網(wǎng)

圖10中q1～q5分別為感知節(jié)點(diǎn)Agent對(duì)象子網(wǎng)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent對(duì)象子網(wǎng)、協(xié)調(diào)處理Agent對(duì)象子網(wǎng)、管控Agent 對(duì)象子網(wǎng)和客戶端Agent對(duì)象子網(wǎng)對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化對(duì)象庫所節(jié)點(diǎn)，G12～G54為對(duì)象間的門變遷。

通過對(duì)圖10所示的簡(jiǎn)化網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，可知系統(tǒng)各對(duì)象庫所可達(dá)，也沒有死鎖存在。

綜上可知，所建立的煤礦CPS的OOPN模型各狀態(tài)可達(dá)，且不存在死鎖，系統(tǒng)具有可靠性。

3.2 基于關(guān)聯(lián)矩陣的模型性質(zhì)分析

根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣的構(gòu)造方法，以執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型為例構(gòu)造其關(guān)聯(lián)矩陣，如圖11所示。

圖11 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型的關(guān)聯(lián)矩陣

由圖11的關(guān)聯(lián)矩陣可知：

(1)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)具有完備性。在該關(guān)聯(lián)矩陣中每一列要有一個(gè)1和至少一個(gè)-1，表明數(shù)據(jù)項(xiàng)必須有一個(gè)產(chǎn)生者和至少一個(gè)使用者,說明系統(tǒng)功能或數(shù)據(jù)項(xiàng)的劃分是合理、無錯(cuò)漏的。

(2)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)具有一致性。在該關(guān)聯(lián)矩陣中每一列有且僅有一個(gè)1，也就是對(duì)于具體的數(shù)據(jù)項(xiàng)必須有且僅有一個(gè)產(chǎn)生者。

(3)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)無冗余。在該關(guān)聯(lián)矩陣中沒有全0的行向量或列向量出現(xiàn)，說明該數(shù)據(jù)項(xiàng)是無冗余的。

(4)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)具有守恒性。根據(jù)Petri網(wǎng)守恒理論，有向量X使得ATX=0。

綜上，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent子網(wǎng)模型是完備的、一致的、無冗余的和守恒的。同理可以對(duì)其余對(duì)象的關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行相關(guān)分析。

4 結(jié)束語

本文旨在構(gòu)建更安全、可靠、有效的煤礦CPS模型，以面向?qū)ο驪etri網(wǎng)為建模工具，構(gòu)建了煤礦CPS的主要對(duì)象和整體業(yè)務(wù)流程模型。主要結(jié)論如下：

(1)基于多Agent技術(shù)建立了煤礦CPS的體系架構(gòu)，將煤礦CPS的構(gòu)成對(duì)象分為感知節(jié)點(diǎn)Agent、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Agent、協(xié)調(diào)處理Agent、管控Agent和客戶端Agent，以解決煤礦CPS各對(duì)象的并行、自治、協(xié)調(diào)、共享等問題；

(2)通過分析煤礦CPS各對(duì)象的特點(diǎn)和整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，建立了基于OOPN的各對(duì)象子網(wǎng)模型和系統(tǒng)的整體模型；

(3)利用模型的可覆蓋樹、關(guān)聯(lián)矩陣等分析方法，對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行了分析，表明模型是可達(dá)的、完備的、可靠的。