CN109144016A - 一种数据压缩下工业混杂传感网的感控系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据压缩下工业混杂传感网的感控系统，包括控制中心、数据系统、通信系统、无线传感节点和无线执行节点，所述无线传感节点，安装在工业设备上，并用于检测设备的运行参数；所述通信系统，用于将上述运行参数传输至数据系统内；所述数据系统，用于接收并将上述运行参数进行监测和处理；所述无线执行节点，安装在工业设备上，通过通信系统接收上述运行参数并实现对工业设备的控制；所述控制中心，用于操控数据系统、通信系统、无线传感节点和无线执行节点。本发明具有可以解决大规模工业设备运行中参数无线检测和设备智能控制问题的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据压缩下工业混杂传感网的感控系统与方法。
背景技术
工业作为国民经济的支柱产业，其安全稳定运行受到广泛关注和研究。随着工业设备朝着大型化、规模化、连续化、自动化乃至于智能化的方向发展，对工业设备有效的监测与控制可以提高生产效率并降低安全事故。由于工业设备安装位置固定且数目众多，对其监控的实时性和可靠性要求很高，传统的工业设备监控采用些许传感器获得温度、振动、电流等数据上传中央处理器的方式，即所有的数据都向数据中心汇聚，其数据处理能力较弱且参数感知范围较窄，难以满足复杂环境中众多工业设备对物料流、设备流等感知以及对相关设备控制的要求。
物联网技术被工信部列为国家重点发展的五大战略性新兴产业之一，而物联网的核心技术是传感网络技术。网络化检测已经成为工业设备检测的重要手段，有线网络基于检测要求对传感器进行部署，有线传输存在数据上传实时可靠的优点，但是在工业设备复杂潮湿的环境容易对有线传输网络造成损害，一旦进行工业设备或者传输网络检修存在维护困难；而定点巡检能够根据设备运行工况进行增强检测，但是存在浪费大量的人力物力的缺点，同时由于人员巡检也会造成只能进行部分检测的缺点，无法适用于大规模工业设备的检测。为了更加全面监测、评估工业设备的运行状态，必须要采用先进的传感技术和通信技术，实现对工业设备的实时有效监测和控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种数据压缩下工业混杂传感网的感控系统与方法，以解决大规模工业设备运行中的参数无线检测和设备智能控制的问题。
实现本发明目的的技术方案是：
一种数据压缩下工业混杂传感网的感控系统，包括控制中心、数据系统、通信系统、无线传感节点和无线执行节点，所述无线传感节点，安装在工业设备上，并用于检测设备的运行参数；所述通信系统，用于将上述运行参数传输至数据系统内；所述数据系统，用于接收并将上述运行参数进行监测和处理；所述无线执行节点，安装在工业设备上，通过通信系统接收上述运行参数并实现对工业设备的控制；所述控制中心，用于操控数据系统、通信系统、无线传感节点和无线执行节点。
进一步地，所述通信系统包括无线通信网络、光纤传输模块和有线局域网络。
进一步地，所述数据系统包括路由传输节点、数据压缩处理单元和中控室感控单元；所述无线传感节点测量的设备运行参数通过无线通信网络传输到对应的路由传输节点，再利用光纤传输模块将汇聚到路由传输节点的设备运行参数传输到数据压缩处理单元，继而通过有线局域网络将由数据压缩处理单元处理过的设备运行参数传输到中控室感控单元，进而对设备参数进行监测与处理。
进一步地，所述中控室感控单元用于分析设备运行参数并发出相应的控制命令，经过有线局域网络将该命令传输到数据压缩处理单元，由数据压缩处理单元解算出相应的执行参数，无线执行节点用于接收上述执行参数并通过对工业设备执行对应的动作。
进一步地，所述无线传感节点包括传感器单元、数模转换单元、第一数据存储单元、无线通信单元和第一电源单元。
进一步地，所述无线执行节点包括无线通信模块、第二数据存储单元、数据决策单元、任务分配单元、设备执行驱动单元和第二电源单元。
一种数据压缩下的工业混杂传感网的感控方法，包括以下步骤，
S1，基于工业环境边界、设备几何尺寸数据进行非结构化数据提取，通过建立矢量电子地图进行地图构建；
S2，将无线传感节点部署在工业设备上并进行网络全覆盖和连通性测试，同时标定无线传感节点的三维坐标，能够明确指示对应设备的对应传感数据特性；
S3，采用区域内的无线传感节点构建子网网络，基于工业设备特性及采集时序进行均衡数据采集，将获得的参数通过无线多跳的方式发送给路由传输节点，并建立不同工业设备与不同的无线传感节点之间的地址-数据关联模型；
S4，由于工业设备的复杂性使得无线感知的数据呈现维度的多元性，同时由于采集频率差异和无线通信延时造成数据在时间尺度上异步特性，由数据压缩处理单元采用降维压缩分类法对多源异构异步数据进行处理，实现工业流程数据的有效约减和规则提取；
S5，建立局部子空间最相关网格化特征参数模型，确定工业设备目标参数优化与空间的关系；
S6，将路由传输节点中处理的参数作为输入，以工业设备运行稳定值作为阈值，利用存储在数据压缩处理单元中滑模控制的切换函数并结合模糊系统的逼近能力设计出融合模糊控制和滑模控制优点的模糊滑模控制器，基于滑模控制的到达条件来系统地决定模糊控制的规则，减轻滑模抖振效应稳定控制器输出；
S7，构建基于事件驱动的分布式无线传感节点网络动态分簇模型，激活与无线传感节点最邻近的执行器进行任务分配，以数据压缩处理单元中的模糊滑模控制器位置输出为给定，通过无线执行节点和模糊滑模控制策略对相应的工业设备执行动作，当工业设备到达预先设定的位置时，优化执行效率同时完成对应的动作；
S8，构建包含设备、物料与管道在内的工业作业区域的可视化地图，将无线传感节点采集处理的工业设备映射到全局地图中，同时调度不同的无线执行节点实施不同的作业任务，实现工业混杂传感网下流程设备的感知和控制；
S9，将所有的检测数据和控制数据通过有线局域网络传输到中控室感控中心，由中控室感控中心进行数据监测和处理。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：(1)本发明在工业环境中部署了无线传感节点、路由传输节点、无线执行节点，结合有线通信和无线通信多种模式构建混杂传感网，通过一定的控制策略实现对工业设备的感知与控制，解决了工业设备参数分布式采集同时实现了设备的有效控制。本发明由众多具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成感知网络，采用无线传感节点负责感知区域内的参数并转发给邻近的执行器节点，基于无线传感网和执行器网络的感知参数，对众多工业设备采集的大量数据进行数据压缩处理，并以无线传感网获得参数作为输入，结合设计的控制策略来对工业设备进行实时控制，执行器在控制策略支持下对事件信息进行分析判断并作出相应的动作，提高了混杂传感网用于感知和控制工业设备的有效性和可靠性，即使工业设备众多且应用环境复杂恶劣，本发明的感知参数无线传输性能依然非常稳定，同时提高了对其工业设备的检测精度，并且在一些关键的测量点参数检测精度具有很强的稳定性，且实现了对工业设备智能控制。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的控制框图；
图2为本发明中无线传感节点的组成图；
图3为本发明中无线执行节点的组成图；
图4为本发明的工业混杂传感网感控流程图。
附图中，1为控制中心，2为数据系统，21为路由传输节点，22为数据压缩处理单元，23为中控室感控单元，3为通信系统，31为无线通信网络，32为光纤传输模块，33为有线局域网络，4为无线传感节点，41为传感器，42为数模转换单元，43为第一数据存储单元，44为无线通信单元，45为第一电源单元，5为无线执行节点，51为无线通信模块，52为第二数据存储单元，53为数据决策单元，54为任务分配单元，55为设备执行驱动单元，56为第二电源单元。
具体实施方式
(实施例1)
见图1至图4，本实施例的数据压缩下工业混杂传感网的感控系统，包括控制中心1、数据系统2、通信系统3、无线传感节点4和无线执行节点5。
控制中心1用于操控数据系统2、通信系统3、无线传感节点4和无线执行节点5，例如控制他们的开启或停止，并且还能接收和反馈它们的信息。
无线传感节点4安装在工业设备上，并用于实时检测设备的运行参数，并向区域内的路由传输节点以无线通信的方式发送带ID的无线报文；无线传感节点4包括传感器单元41、数模转换单元42、第一数据存储单元43、无线通信单元44和第一电源单元45；通信系统3用于将上述设备的运行参数传输至数据系统2内，通信系统3包括无线通信网络31、光纤传输模块32和有线局域网络33；数据系统2用于接收并将上述运行参数进行监测和处理；数据系统2包括路由传输节点21、数据压缩处理单元22和中控室感控单元23；无线传感节点4测量的设备运行参数通过无线通信网络31传输到对应的路由传输节点21，再利用光纤传输模块32将汇聚到路由传输节点21的设备运行参数传输到数据压缩处理单元22，继而通过有线局域网络33将由数据压缩处理单元22处理过的设备运行参数传输到中控室感控单元23，进而对设备参数进行监测与处理；无线执行节点5安装在工业设备上，通过通信系统3接收上述运行参数并实现对工业设备的控制，无线执行节点5包括无线通信模块51、第二数据存储单元52、数据决策单元53、任务分配单元54、设备执行驱动单元55和第二电源单元56。
中控室感控单元23用于分析设备运行参数并发出相应的控制命令，经过有线局域网络33将该命令传输到数据压缩处理单元22，由存储在数据压缩处理单元22中的模糊滑模控制策略解算出相应的执行参数，无线执行节点5用于接收上述执行参数并对工业设备执行对应的动作。
本实施例的数据压缩下的工业混杂传感网的感控方法，包括以下步骤，
S1，因为工业设备表面形状复杂，节点部署受到结构外形限制，使得工业环境呈现复杂的几何结构，需要对非结构化物体的几何尺寸进行测量，所以可以基于工业环境边界、设备几何尺寸数据进行非结构化数据提取，通过建立矢量电子地图进行地图构建，将工业环境中的人、物料在矢量地图中进行标示；
S2，为了实现对工业设备参数的实时监测，需要将无线传感节点4部署在各个监测点，由于无线传感节点4具有有限的感知半径和通信半径，而工业设备运行环境容易对无线信号传输构成反射、多径以及非视距干扰，所以需要对安装在工业设备的无线传感节点4进行网络全覆盖和连通性测试；无线传感节点4采集的参数必须要与工业设备相对应，从而说明在该区域的工业设备在该时间点其运行参数值，所以需要标定无线传感节点的三维坐标，能够明确指示对应设备的对应传感数据特性；
S3，安装在工业设备的节点能量有限，同时受空间布局和设备运行限制无法频繁更换电池，而无线传感节点4能量损耗与传输的数据量和传输距离成正比，所以采用区域内的无线传感节点4构建子网网络从而保障无线网络能量有效；由于工业设备存在包含振动和温度等频率差异的两类信号，对于不同频率信号需要根据工业设备运行特性建立不同的采样率，继而通过无线通信的方式传输到路由传输节点，子网中所有无线传感节点4数据在路由传输节点中汇聚，所以可以基于工业设备特性及采集时序进行均衡数据采集，将获得的参数通过无线多跳的方式发送给路由传输节点，并建立不同工业设备与不同的无线传感节点之间的地址-数据关联模型；
S4，由于工业设备的复杂性使得无线感知的数据呈现维度的多元性，同时由于采集频率差异和无线通信延时造成数据在时间尺度上异步特性，由数据压缩处理单元22采用降维压缩分类法对多源异构异步数据进行处理，实现工业流程数据的有效约减和规则提取；
S5，建立局部子空间最相关网格化特征参数模型，确定工业设备目标参数优化与空间的关系；因为工业设备环境下反射、多径以及非视距干扰效应影响无线信号传播特性，结合无线信号在不同工业设备和动静态障碍物中的衰落特性，建立局部子空间最相关网格化特征参数模型对无线信号传输误差进行补偿；基于无线传感节点信号通信在损耗能量的同时容易对邻居节点产生干扰，而在无线传感节点4对工业设备监测过程中工业设备通常为固定不动的，可以寻求工业设备目标参数优化与空间的关系，继而对无线传感节点4进行有向通信，提高工业作业区域设备参数无线感知精度；
S6，将路由传输节点21中处理的参数作为输入，以工业设备运行稳定值作为阈值，利用存储在数据压缩处理单元22中滑模控制的切换函数并结合模糊系统的逼近能力设计出融合模糊控制和滑模控制优点的模糊滑模控制器，通过该模糊滑模控制器，将工业设备运行过程中位置作为被控量，以无线传感节点4系统获得参数为反馈输入，利用滑模控制中的切换函数结合模糊系统的逼近能力设计控制器；基于滑模控制的到达条件来系统地决定模糊控制的规则，减轻滑模抖振效应稳定控制器输出；
S7，构建基于事件驱动的分布式无线传感节点4网络动态分簇模型，激活与无线传感节点4最邻近的执行器进行任务分配，以数据压缩处理单元22中的模糊滑模控制器位置输出为给定，通过无线执行节点5和模糊滑模控制策略对相应的工业设备执行动作，当工业设备到达预先设定的位置时，优化执行效率同时完成对应的动作；结合无线传感节点对工业设备参数感知和无线执行节点5的任务执行，当无线传感节点4感知到有工业设备运行出现故障时，动态调集邻居的无线传感节点和无线执行节点进行工作，实现基于事件驱动的网络动态分簇；基于模糊滑模控制器位置输出为给定，以工业设备执行电机速度为反馈，构成速度闭环控制系统，当工业设备到达预先设定的位置时，实现无线传感节点下工业设备的动作执行；
S8，构建包含设备、物料与管道在内的工业作业区域的可视化地图，将无线传感节点采集处理的工业设备映射到全局地图中，同时调度不同的无线执行节点实施不同的作业任务，实现工业混杂传感网下流程设备的感知和控制；
S9，工业混杂传感网主要由部署在工业设备的无线传感节点4进行设备参数感知与传输，由无线执行节点5对工业设备进行驱动控制，将所有的检测数据和控制数据通过有线局域网络33传输到中控室感控中心23，由中控室感控23中心进行数据监测和处理，利用无线传感节点4对工业设备运行状态进行综合检测，进行故障的早期预测与诊断及评估设备的健康状况，实现无线传感节点4下工业设备分布式数据采集和无线执行节点5下工业设备的控制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数据压缩下工业混杂传感网的感控系统，其特征在于：包括控制中心(1)、数据系统(2)、通信系统(3)、无线传感节点(4)和无线执行节点(5)；
所述无线传感节点(4)，安装在工业设备上，并用于检测设备的运行参数；
所述通信系统(3)，用于将上述运行参数传输至数据系统内；
所述数据系统(2)，用于接收并将上述运行参数进行监测和处理；
所述无线执行节点(5)，安装在工业设备上，通过通信系统(3)接收上述运行参数并实现对工业设备的控制；
所述控制中心(1)，用于操控数据系统(2)、通信系统(3)、无线传感节点(4)和无线执行节点(5)。
2.根据权利要求1所述的一种数据压缩下工业混杂传感网感控系统，其特征在于：所述通信系统(3)包括无线通信网络(31)、光纤传输模块(32)和有线局域网络(33)。
3.根据权利要求2所述的一种数据压缩下工业混杂传感网感控系统，其特征在于：所述数据系统(2)包括路由传输节点(21)、数据压缩处理单元(22)和中控室感控单元(23)；所述无线传感节点(4)测量的设备运行参数通过无线通信网络(31)传输到对应的路由传输节点(21)，再利用光纤传输模块(32)将汇聚到路由传输节点(21)的设备运行参数传输到数据压缩处理单元(22)，继而通过有线局域网络(33)将由数据压缩处理单元(22)处理过的设备运行参数传输到中控室感控单元(23)，进而对设备参数进行监测与处理。
4.根据权利要求3所述的一种数据压缩下工业混杂传感网感控系统，其特征在于：所述中控室感控单元(23)用于分析设备运行参数并发出相应的控制命令，经过有线局域网络(33)将该命令传输到数据压缩处理单元(22)，由数据压缩处理单元(22)解算出相应的执行参数，无线执行节点(5)用于接收上述执行参数并对工业设备执行对应的动作。
5.根据权利要求1所述的一种数据压缩下工业混杂传感网感控系统，其特征在于：所述无线传感节点(4)包括传感器单元(41)、数模转换单元(42)、第一数据存储单元(43)、无线通信单元(44)和第一电源单元(45)。
6.根据权利要求1所述的一种数据压缩下工业混杂传感网感控系统，其特征在于：所述无线执行节点(5)包括无线通信模块(51)、第二数据存储单元(52)、数据决策单元(53)、任务分配单元(54)、设备执行驱动单元(55)和第二电源单元(56)。
7.一种数据压缩下的工业混杂传感网的感控方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，基于工业环境边界、设备几何尺寸数据进行非结构化数据提取，通过建立矢量电子地图进行地图构建；
S2，将无线传感节点(4)部署在工业设备上并进行网络全覆盖和连通性测试，同时标定无线传感节点(4)的三维坐标，能够明确指示对应设备的对应传感数据特性；
S3，采用区域内的无线传感节点(4)构建子网网络，基于工业设备特性及采集时序进行均衡数据采集，将获得的参数通过无线多跳的方式发送给路由传输节点(21)，并建立不同工业设备与不同的无线传感节点(4)之间的地址-数据关联模型；
S4，由于工业设备的复杂性使得无线感知的数据呈现维度的多元性，同时由于采集频率差异和无线通信延时造成数据在时间尺度上异步特性，由数据压缩处理单元(22)采用降维压缩分类法对多源异构异步数据进行处理，实现工业流程数据的有效约减和规则提取；
S5，建立局部子空间最相关网格化特征参数模型，确定工业设备目标参数优化与空间的关系；
S6，将路由传输节点(21)中处理的参数作为输入，以工业设备运行稳定值作为阈值，利用存储在数据压缩处理单元(22)中滑模控制的切换函数并结合模糊系统的逼近能力设计出融合模糊控制和滑模控制优点的模糊滑模控制器，基于滑模控制的到达条件来系统地决定模糊控制的规则，减轻滑模抖振效应稳定控制器输出；
S7，构建基于事件驱动的分布式无线传感节点网络动态分簇模型，激活与无线传感节点(4)最邻近的执行器进行任务分配，以数据压缩处理单元(22)中的模糊滑模控制器位置输出为给定，通过无线执行节点(5)和模糊滑模控制策略对相应的工业设备执行动作，当工业设备到达预先设定的位置时，优化执行效率同时完成对应的动作；
S8，构建包含设备、物料与管道在内的工业作业区域的可视化地图，将无线传感节点采集处理的工业设备映射到全局地图中，同时调度不同的无线执行节点实施不同的作业任务，实现工业混杂传感网下流程设备的感知和控制；
S9，将所有的检测数据和控制数据通过有线局域网络传输到中控室感控中心(23)，由中控室感控中心(23)进行数据监测和处理。
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