面向智能矿山的设备通信协议设计

高玮泽高永峰苏钢

包钢白云鄂博铁矿 内蒙古 014080

摘要：为促进矿山智能化建设，在智能矿山工业物联网的分层体系结构的基础上，分析了当前矿山通信协议中面临的开放性、实时性和安全性三大问题并提出了针对性的解决方案。首先，通过应用改进的HCP通信协议，提出了适应性更强的统一数据模型与通信协议的信息交互方案;其次，通过应用分布式软总线、邻居发现协议、软总线组网和轻量化协议等技术，构建了降低矿山数据传输时延的实时性方案;最后，通过对身份认证机制的完善、设备安全通信环境的构建、数据全周期的安全管理，建立了包含身份认证、设备认证、数据通道认证在内的三重认证机制。

关键词：智能矿山；设备通信；协议设计

1智能矿山通信系统模型

针对智能矿山设备互联互通的数据交互需求，设计了智能矿山工业通信分层体系结构。该体系结构由感知控制层、网络传输层、数据平台层及智能应用层四部分组成。感知控制层负责智能矿山工业通信的信息采集及传输。该层借助各类传感器、数码相机等智能终端设备对矿山环境和矿山生产资源相关数据进行采集，通过短距离传输技术、自组网技术、协同信息处理技术、传感器中间件技术等对采集数据进行初步处理。网络传输层负责智能矿山工业通信的信息交互。该层将感知层数据进行近距离接入和远距离传输，通过工业环网、管理环网等有线网络以及4G、5G、WiFi6等无线网络进行标识解析、地址管理、信息发送、信息存储等。数据平台层负责智能矿山工业通信海量数据管理。该层针对由感知控制层采集、网络传输层分发、多物联网信息协同平台汇聚的多种类、大数量的矿山工业相关数据，通过云计算等手段实现数据分析、挖掘和利用。智能应用层负责智能矿山工业通信的用户交互。结合海量数据与行业需求，该层为用户提供丰富的矿山工业物联网应用，如智能巡检、安全监控、故障预警、智能产排等。针对矿山设备通信系统中面临的开放性、实时性和安全性问题，该文基于智能矿山工业物联网通信的分层体系结构，提出智能矿山通信协议改进方案。通过动态地址命名解析服务对通信协议HCP做出改进，提高其对泛在移动性和异构网络的适应能力以解决通信中的开放性问题，通过结合分布式软总线技术和邻居发现协议、软总线组网技术、轻量化协议技术提高通信实时性，通过身份认证、安全环境构建和数据全周期安全管理保障通信过程的安全进行。

2智能矿山设备通信协议设计

2．1智能矿山设备通信协议开放性设计

协议的开放性对于设备的互联互通尤为重要，协议的开放能够提高数据的流通性，增强设备之间的通信能力。要实现智能矿山系统的开放性，必须要解决两个关键问题:①数据模型和表示方式，即发送方如何表示自己提供的信息和服务，需确定信息内容、组织方式、信息格式等。②交互协议问题，即发送方与接收方之间如何实现通信，需确定通信步骤、通信接口、消息格式等。HCP协议栈被细分五层，分别为接口层、模型层、服务层、安全层、传输层。接口层负责协议栈对上层业务应用的总体能力呈现，模型层负责支撑配置管理、设备控制等子模块的逻辑实现，服务层负责协议栈的对上接口能力实现，安全层负责提供协议栈进行各类设备间业务交互过程中的安全保障能力，传输层负责设备之间业务会话可达性、各类业务操作指令、模型抽象编码的消息报文格式定义、逻辑通道的连接管理及服务质量的优先级调度。通过各层之间的相互作用，HCP统一了矿山设备的数据模型和传输协议，解决了智能矿山系统的开放性问题。HCP有效解决了矿山系统在传输层、会话层、表示层以及应用层的开放性需求，然而传统的基于IP地址的静态命名解析服务缺少对泛在移动性和异构性的适应能力，难以实现对异构地址类型和新型映射机制的兼容，导致矿山系统网络核心机制难以拓展，无法满足矿山在网络层开放性的发展需求。针对此问题，在HCP的基础上，该文提出通过动态地址命名解析服务，进一步实现矿山系统在网络层的开放性。该命名服务基于xml，通过网络对象的元素属性，如:addr_name表示地址类型名称，用以实现网络对象命名空间的标识，addr_struct表示地址结构，addr_blocks表示地址块数目，cons_method表示地址构造方法，实现对地址模型的详细描述。该命名服务不仅可以实现对现有模型的描述，同时还可以根据矿山设备业务需求自定义或扩展引入其他类型的地址模型，使得所有的地址模型之间相互理解，提高网络层的拓展性。针对动态地址解析服务，该文提出构造一张存储网络对象间绑定关系的动态解析关系表，通过该表的逆向遍历实现动态解析。具体过程如下:在动态解析关系表中查找对象索引，获得对象索引对应的解析位置及解析机制，再以解析得到的对象为索引继续查找动态解析关系表，以此形成完整的动态解析链，实现从名字到转发端口的映射。如在应用层与网络层之间增加新的协议层，则可查找动态解析关系表，通过对应的解析协议将域名解析为新协议层对象，继续查找动态解析关系表将新协议层对象解析为IP，再利用ARP将IP解析为对应的MAC地址。该方法在保证原有体系结构兼容性的同时实现了传统体系结构中新协议层和解析机制的透明引入，满足了矿山系统在网络层的开放性需求。

2．2智能矿山设备通信协议实时性设计

对智能矿山通信协议做了开放性的研究，改进后的协议保证了原有协议的兼容性，实现了矿山系统在网络层的开放性的需求，增强了矿山系统设备间的通信能力。但在实时性上仍存在设备发现效率低、协议层复杂等问题，无法满足矿山系统中对实时性高的设备的需求。该文提出采用分布式软总线技术结合邻居发现的协议、异构网络组网和轻量化协议的方式，能够减少矿山系统设备发现所需的时延，提高数据的带宽，提升数据传输能力，满足矿山系统设备对实时性的需求。在介绍分布式软总线结合邻居发现、异构网络组网和轻量化协议的实时性方案前，先简要介绍方案背景。在计算机系统中，各部件之间传送信息的数据通路就是总线，设备间通过总线传输数据前需要先发现并建立网络连接，传统的设备发现需要用户手动配置或动态寻址的方式，但是由于矿山环境天然的复杂性，传感器设备众多，环境对于网络的干扰性强，传感器设备加入网络并建立连接的过程也占用了大量时间，通过传统设备发现方式对智能矿山影响设备通信系统的实时性影响较大。传统的设备互联方面，不同的设备厂商需要适配不同的网络协议和标准规范，设备间组网和解耦较为复杂。矿山系统中大量的设备和传感器间组网和解耦的过程，造成大量的时间开支，影响矿山系统的实时性。该文提出采用分布式软总线技术结合邻居发现协议，提升智能矿山设备通信系统的实时性。分布式软总线技术支持设备间自发现，近场同账号的设备可以相互感知，并交换彼此的设备信息，在用户需要触发业务时，周边设备可直接出现，达到“零等待”的体验。

3结语

物联网、人工智能、大数据及新一代通信技术迅速发展，其在裁决系统、监控系统、运输系统等矿山系统深度应用，加快了矿山信息化、智能化的步伐。海量智能化仪器、设备、传感器也导致了智能矿山网络数据传输的实时性和安全性面临巨大挑战。

参考文献

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