精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息物理融合系統(tǒng)的事件模型研究

　　摘要:信息物理融合系統(tǒng)(CPS)具有嚴(yán)格的實時性和空間約束，根據(jù)其事件驅(qū)動性，對CPS時空事件模型進行了描述，并依據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的特點對CPS體系結(jié)構(gòu)中的組成部件(物理世界、傳感器、計算(控制)單元、執(zhí)行器、計時器)建立了時空事件模型，并以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大棚的灑水事件閉環(huán)過程為例對每一部件進行了分析，證明這些事件模型可以用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的基本事件。

　　關(guān)鍵詞:精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息物理融合系統(tǒng)事件模型時空特性

　　引言

　　信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-physicalsystem，CPS)是計算、通信與控制技術(shù)的有機與深度融合，實現(xiàn)計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的下一代智能系統(tǒng)［1］。CPS中關(guān)鍵問題的攻克，能夠有力地支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入應(yīng)用。

　　1相關(guān)研究工作

　　CPS系統(tǒng)涉及物理世界和信息世界之間的密切相互作用，一個世界的某些變化必定會在另一個世界以時間敏感或空間敏感的方式反映出來。把所關(guān)注的狀態(tài)稱為“事件”，把監(jiān)測到事件后期望的預(yù)定義的操作稱為“行為”。因此，每一個CPS任務(wù)都可以表示為“事件—行為”。

　　2CPS時空事件模型描述

　　許多學(xué)者都給出過“事件”的定義。WordNet中給出了很寬泛的“事件”定義:在特定地點和時間發(fā)生的某件事。一些語言學(xué)家給出了事件及其語義結(jié)構(gòu)的定義，常包括目的、時間和外在條件［15］。事件這一概念雖然仍在探討中，但一般認(rèn)為:事件不僅是時空目標(biāo)狀態(tài)開始或終結(jié)的標(biāo)志，而且還表示狀態(tài)變化的原因［16］。Ying等對時空事件模型進行了定義和分析［10，12］，本文在其研究的基礎(chǔ)上對時空事件的定義等進行綜合和改進。

　　3面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的CPS事件建模

　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)是基于農(nóng)田內(nèi)部小區(qū)作物生長環(huán)境時空差異性，實施精準(zhǔn)變量投入，實現(xiàn)作物生產(chǎn)的檢測和控制［17］。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的典型CPS體系結(jié)構(gòu)中可以分為5類組件，即物理世界、傳感器、計算(控制)單元、執(zhí)行器和計時器，如圖1所示［18］，下面就每一部分進行具體的事件建模分析。

　　3.1物理世界的事件建模

　　在物理世界中，物理實體和物理環(huán)境都可以看作是物理世界中的對象，稱為物理對象。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中物理實體包括各種植被、作物、病蟲草害和農(nóng)機具等，物理環(huán)境包括大氣、土壤、陽光等。不管物理實體還是物理環(huán)境都應(yīng)該具備以下幾個特征:①擁有唯一的標(biāo)識，以區(qū)別其他物理實體或物理環(huán)境。②擁有一定的物理屬性，對物理世界中所有屬性的一個賦值，認(rèn)為是物理世界的一個狀態(tài)。③允許被感知和改變，即屬性值可通過主動或被動的方式由傳感器獲取，并且可通過執(zhí)行器來改變。

　　3.2傳感器的事件建模

　　農(nóng)田信息采集是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器是最主要的信息采集設(shè)備。每種傳感器通常只涉及同一類的物理對象，它們按照一定的時間頻率獲取或發(fā)送所感知的數(shù)據(jù)。

　　3.3計算(控制)單元的事件建模

　　農(nóng)田信息管理和分析并進行決策是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實施的關(guān)鍵步驟，計算(控制)單元負(fù)責(zé)對目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域發(fā)出各項環(huán)境指標(biāo)的查詢請求命令，并對收集上來的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后進行決策分析，最后以系統(tǒng)輸出的形式反饋給執(zhí)行器執(zhí)行。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)CPS被用來監(jiān)測和控制物理環(huán)境時，需要大量的數(shù)據(jù)在傳感器和執(zhí)行器間傳遞，尤其是大面積的數(shù)據(jù)檢測，可以把CPS的計算單元作分布式部署，分步把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息進行處理，與執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)化分別實現(xiàn)協(xié)同決策與協(xié)同控制，再設(shè)置一個最高級別的總控制單元來管理分布的計算控制單元［20］。

　　4案例分析

　　以農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)實驗大棚中50m×15m的區(qū)域作為試驗田，布置6個土壤溫濕度傳感器、6個大氣溫濕度傳感器、2個光照傳感器，土壤微量元素含量測定于采樣后在實驗室進行，所以沒有布置土壤養(yǎng)分傳感器。拓?fù)鋱D如圖2所示。

　　6個土壤溫濕度傳感器用A1～A6來表示，6個大氣溫濕度傳感器用B1～B6來表示，2個光照傳感器用C1和C2來表示。整個試驗田被平均分成6個區(qū)域，從左上到右下依次為Ｒ1～Ｒ6，每個溫濕度傳感器位于每片區(qū)域的中心。以灑水事件為例對事件模型進行詳細(xì)分析，其他事件模型與此類似。

　　5結(jié)束語

　　本文依據(jù)CPS的事件驅(qū)動性，根據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的特征在已有研究的基礎(chǔ)上對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)CPS時空事件模型進行了初探，并在分析CPS體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對每一個組成部分分別進行事件模型研究。本事件模型不僅可以捕捉在分布式和異構(gòu)的環(huán)境中有關(guān)事件的基本信息，也說明事件可以由信息和物理領(lǐng)域中不同的組件和設(shè)備構(gòu)成，有利于整個系統(tǒng)的實現(xiàn)。但是模型建立中沒有考慮特殊情況，如某個傳感器的損壞或電力耗盡，天窗、風(fēng)扇、噴水器或暖氣開關(guān)的損壞，大規(guī)模的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進入計算控制單元造成的數(shù)據(jù)處理減緩或失敗，需要進一步優(yōu)化事件模型。從實際應(yīng)用的層面看，文中的CPS模型還沒能夠優(yōu)化解決農(nóng)業(yè)智能化環(huán)節(jié)的具體問題，需要制定相應(yīng)的規(guī)則，它的應(yīng)用方法還有待進一步深入研究和探索。

　　參考文獻

　　1ＲajkumarＲ，LeeI，ShaL，etal．Cyberphysicalsystems:thenextcomputingrevolution［C］∥Proceedingsofthe47thDesignAutomationConference，DAC2010，2010:731－736．

　　2LeeEA．Cyberphysicalsystems:designchallenges［C］∥200811thIEEEInternationalSymposiumonObjectOrientedＲeal-TimeDistributedComputing(ISOＲC)，2008:363－369．

　　3WangYunbo，VuranMehmetC，GoddardS．Cyber-physicalsystemsinindustrialprocesscontrol［J］．ACMSIGBEDＲeview，2008，5(1):1－2．

　　4McCarthyD，DayalU．Thearchitectureofanactivedatabasemanagementsystem［J］．SIGMODＲecord，1989，18(2):215－224．

　　5ChakravarthyS．Sentinel:anobject-orientedDBMSwithevent-basedrules［J］．SIGMODＲecord，1997，26(2):572－575．

　　6GatziuS，DittrichKＲ．Detectingcompositeeventsinactivedatabasesystemsusingpetrinets［C］∥ＲIDS’94:Proceedingsofthe4thInternationalWorkshoponActiveDatabaseSystems，1994:2－9．

　　聶娟1，2孫瑞志1曹振麗3鄧雪峰1楊昊4

《精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息物理融合系統(tǒng)的事件模型研究》

上一篇：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)教學(xué)問題分析與改革探究

下一篇：玉米收割機開發(fā)現(xiàn)狀與長遠(yuǎn)意義探析