李娟莉， 李夢(mèng)輝， 謝嘉成， 王學(xué)文， 張?chǎng)?/p>

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024)

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1-3]. 在智能化的進(jìn)程中，構(gòu)建面向智能化綜采工作面的虛擬監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綜采工作面裝備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于建成更高層次的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工作面無人操作具有重要的意義[4].

液壓支架作為綜采工作面的核心設(shè)備之一，在綜采工作面裝備的協(xié)同運(yùn)行過程中起著重要的作用. 不少學(xué)者對(duì)于單臺(tái)液壓支架的姿態(tài)測(cè)量[5]、虛擬可視化[6]等方面已經(jīng)展開了相關(guān)研究. 對(duì)支架群組的研究對(duì)于單臺(tái)支架運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、支護(hù)系統(tǒng)的圍巖動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及綜采工作面三機(jī)的協(xié)同運(yùn)行具有重要的作用，為此，也有學(xué)者從自組織協(xié)同控制[7]，自動(dòng)調(diào)直[8]等方面對(duì)支架群組展開了相應(yīng)的研究.

隨著智能化技術(shù)的不斷推進(jìn)，液壓支架電液控制技術(shù)已成為常態(tài)配置，在復(fù)雜底板、礦壓等未知環(huán)境因素作用下，支架跟隨預(yù)設(shè)程序進(jìn)行自主動(dòng)作可能會(huì)由于自身重心不穩(wěn)，而與周圍支架發(fā)生咬架、擠架等一系列意外問題，嚴(yán)重干擾著支架群的正常支護(hù)任務(wù). 因此，必須要全面、準(zhǔn)確、不間斷地獲得工作面所有支架的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工況條件下對(duì)支架以及群組的準(zhǔn)確調(diào)控. 作者所在課題組結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在完成對(duì)單臺(tái)液壓支架運(yùn)動(dòng)解析[9]的基礎(chǔ)上，建立了液壓支架群組的虛擬場(chǎng)景，對(duì)群組液壓支架的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同操作[10]、監(jiān)測(cè)可視化[11]等方面進(jìn)行了研究.

隨著智能傳感和監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷完善，以及測(cè)點(diǎn)的增多和采樣頻率的提高，對(duì)液壓支架姿態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量越來越龐大，僅僅依靠單機(jī)系統(tǒng)顯然已經(jīng)無法完成監(jiān)測(cè)任務(wù). 將分布式技術(shù)引入到智能化進(jìn)程中，多臺(tái)主機(jī)協(xié)同運(yùn)行，對(duì)于解決特殊環(huán)境下單機(jī)系統(tǒng)無法完成復(fù)雜任務(wù)的情況具有很好的效果. TOMASZ等[12]提出了一種面向采礦業(yè)的分布式協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)框架；ZHANG等[13]提出了一種基于分布式的、多智能體的三維虛擬監(jiān)控方法；謝嘉成等[14]提出了基于局域網(wǎng)的協(xié)同監(jiān)測(cè)，分布式地處理獲得的各綜采裝備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù).

本文基于分布式、局域網(wǎng)協(xié)同、負(fù)載動(dòng)態(tài)均衡、以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，提出了一種基于實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、可識(shí)別數(shù)據(jù)交互器、動(dòng)態(tài)分配任務(wù)的分布式液壓支架群虛擬監(jiān)測(cè)方法，建立了液壓支架群虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 在盡量減少分布式各主機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸量的基礎(chǔ)上，利用多臺(tái)主機(jī)對(duì)液壓支架群進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)各主機(jī)的任務(wù)量進(jìn)行分配，且當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載失衡時(shí)，能自主地進(jìn)行任務(wù)的重新分配.

1 液壓支架群虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的總體框架分為三層：物理層、模型層和應(yīng)用層，各層執(zhí)行特定的功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示. 物理層主要完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)體系的搭建，負(fù)責(zé)姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，并且利用實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中. 模型層主要完成三大關(guān)聯(lián)模型的建立，首先建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型將物理層采集的數(shù)據(jù)用于可視化監(jiān)測(cè)；其次建立基于可識(shí)別數(shù)據(jù)交互器的分布式局域網(wǎng)協(xié)同模型；最后建立了基于一致性哈希算法的多主機(jī)動(dòng)態(tài)分配模型. 應(yīng)用層主要通過編寫GUI，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，能夠穩(wěn)定、流暢地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，將監(jiān)測(cè)信息直觀清晰地顯示給用戶.

圖1 分布式虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of distributed virtual monitoring system

2 實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的液壓支架虛擬監(jiān)測(cè)模型

虛擬監(jiān)測(cè)模型如圖2所示. 首先通過安裝在支架上的傳感器實(shí)時(shí)獲取單臺(tái)支架的姿態(tài)；其次在每臺(tái)支架上安裝采集模塊，負(fù)責(zé)單臺(tái)支架的信息采集，多臺(tái)支架之間通過基于485總線的采集模塊級(jí)聯(lián)將信息進(jìn)行匯總；然后通過局域網(wǎng)傳輸至工控機(jī)中，在工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、存儲(chǔ)以及二維顯示；將工控機(jī)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及最新數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新；可視化軟件通過預(yù)留的數(shù)據(jù)接口不斷讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中特定表格的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換提高精度以及即時(shí)演算后，最終實(shí)現(xiàn)虛擬支架姿態(tài)與真實(shí)支架姿態(tài)的實(shí)時(shí)同步.

圖2 液壓支架虛擬監(jiān)測(cè)模型Fig.2 Virtual monitoring model of hydraulic support

2.1 實(shí)驗(yàn)室條件下的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)

本文對(duì)液壓支架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括后連桿，頂梁，護(hù)幫板和底座俯仰角、橫滾角、偏航角的角度以及推移油缸桿的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度. 在單臺(tái)支架上安裝各類傳感器如圖3所示，在多臺(tái)支架上按相同方式布置.

圖3 單臺(tái)液壓支架傳感器布置方案Fig.3 Layout scheme of single hydraulic support sensor

2.2 姿態(tài)數(shù)值轉(zhuǎn)換方法

由于傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系與模型中部件所處的坐標(biāo)系不完全相同，對(duì)同一個(gè)部件的姿態(tài)而言，傳感器測(cè)量的數(shù)值不能與模型中對(duì)應(yīng)部件的姿態(tài)數(shù)值直接相等，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換. 支架坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖4所示，取平面A為傳感器測(cè)量的基準(zhǔn)面，垂直面B為傳感器測(cè)量值所在平面，平面C為底座所在平面，垂直面D為模型中部件姿態(tài)的測(cè)量面. 當(dāng)?shù)鬃袃A角時(shí)，傳感器的測(cè)量值仍是相對(duì)于面A的，而模型中姿態(tài)值的改變是相對(duì)于面C的，傳感器測(cè)量值與模型上測(cè)量值分別位于面B、D，此時(shí)需要進(jìn)行數(shù)值的轉(zhuǎn)換.

圖4 液壓支架坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Fig.4 Coordinate transformation of hydraulic support

設(shè)定表征支架模型姿態(tài)的矩陣為Zm=[β1β2β3β4β5β6β7]，傳感器測(cè)量值矩陣為Zs=[α1α2α3α4α5α6α7]，βi、αi(i=1～7)分別表示模型和傳感器測(cè)量?jī)煞N方式下，支架后連桿、頂梁、護(hù)幫板的角度、推移油缸桿的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度以及底座的橫滾角、偏航角、俯仰角. 建立Zm與Zs的關(guān)系為

(1)

3 基于可識(shí)別數(shù)據(jù)交互器的分布式液壓支架群虛擬監(jiān)測(cè)模型

如果僅僅通過單臺(tái)主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有支架的姿態(tài)監(jiān)測(cè)，由于對(duì)主機(jī)硬件和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力太大，勢(shì)必會(huì)造成監(jiān)測(cè)卡頓等現(xiàn)象. 針對(duì)這種情況，在上述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，提出一種C/S模式下的基于可識(shí)別數(shù)據(jù)交互器的分布式虛擬監(jiān)測(cè)模型，如圖5所示.

圖5 分布式虛擬監(jiān)測(cè)模型結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure diagram of distributed virtual monitoring model

該方法將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分配到多臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控部分支架的姿態(tài)，多臺(tái)主機(jī)之間通過基于可識(shí)別數(shù)據(jù)交互器的關(guān)鍵參數(shù)同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.

3.1 基于數(shù)據(jù)交互器的狀態(tài)同步

在實(shí)驗(yàn)室已有的局域網(wǎng)環(huán)境下，通過網(wǎng)絡(luò)地址和端口號(hào)，搭建基于C/S(客戶端/服務(wù)器)模式下的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 . 在該基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)交互方式的設(shè)計(jì)，考慮到井下網(wǎng)絡(luò)資源緊缺，數(shù)據(jù)交互要盡量少地占用網(wǎng)絡(luò)資源. 為此，提出了基于數(shù)據(jù)交互器的狀態(tài)同步方法，該方法需要建立一個(gè)空物體作為數(shù)據(jù)交互器，數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容僅為支架姿態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，只需占用少量的網(wǎng)絡(luò)資源即可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)同步. 與常規(guī)方法相比：該方法將進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步的物體從具有實(shí)際意義的實(shí)體(液壓支架)中脫離出來，使網(wǎng)絡(luò)同步不受實(shí)體數(shù)量或者規(guī)模的影響.

3.2 數(shù)據(jù)交互器判斷歸屬

在分布式系統(tǒng)中，每當(dāng)有新的主機(jī)加入，都會(huì)生成新的數(shù)據(jù)交互器，并將該交互器投影到所有的服務(wù)器和客戶端中. 如圖5中數(shù)據(jù)交互器所示. 在一臺(tái)主機(jī)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行歸屬的判斷，從而將屬于自身的節(jié)點(diǎn)和鏡像節(jié)點(diǎn)區(qū)分開來. 在分布式局域網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)在數(shù)據(jù)交互器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中時(shí)生成，可用該標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)歸屬判斷. 在節(jié)點(diǎn)歸屬判斷完成的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)功能的分工. 屬于主機(jī)自身的節(jié)點(diǎn)可以讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，而該主機(jī)中其他多個(gè)鏡像節(jié)點(diǎn)則只負(fù)責(zé)接收從其余主機(jī)通過局域網(wǎng)發(fā)送來的數(shù)據(jù).

3.3 分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)同步

上述過程完成的是網(wǎng)絡(luò)同步的“搭橋”過程，在通道連接好的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞功能. 各主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞過程使用了Unity3D中基于NetworkView組件的RPC(remote procedure calls)遠(yuǎn)程過程調(diào)用函數(shù)，該函數(shù)可以通過調(diào)用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞過程；使用了Unity3D中OnSerializeNetworkView函數(shù)，該函數(shù)可將數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化與反序列化. 上述兩種方法的共同使用的實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)數(shù)據(jù)在各主機(jī)之間的傳遞.

4 基于一致性哈希算法的監(jiān)測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配模型

4.1 基于一致性哈希算法的分配策略

根據(jù)工況的復(fù)雜程度、監(jiān)測(cè)需求和主機(jī)的負(fù)載狀況等，每臺(tái)主機(jī)的監(jiān)測(cè)任務(wù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以避免造成不必要的資源浪費(fèi)以及使系統(tǒng)時(shí)刻保持負(fù)載均衡狀態(tài).

目前有許多關(guān)于分布式系統(tǒng)的負(fù)載均衡以及任務(wù)調(diào)度的研究與應(yīng)用[15-16]，其中一致性哈希算法可以在系統(tǒng)變動(dòng)盡量小、盡量保持穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配，本文選用一致性哈希算法進(jìn)行主機(jī)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配.

利用一致性哈希算法實(shí)現(xiàn)主機(jī)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配的關(guān)鍵是需要實(shí)現(xiàn)兩級(jí)映射，如圖6所示，第一級(jí)映射需要將全部支架以及主機(jī)映射到特征空間，特征空間中每個(gè)元素表征一臺(tái)支架的全部姿態(tài)信息，每個(gè)元素名稱與含義唯一；第二級(jí)映射以特征空間中每個(gè)元素的名稱為Key值，利用一致性哈希算法將每個(gè)元素一一映射到哈希環(huán)上，按順時(shí)針方向，哈希環(huán)上的支架節(jié)點(diǎn)尋找離其最近的主機(jī)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)每臺(tái)主機(jī)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配. 在分配結(jié)束后，將分配結(jié)果發(fā)送到主機(jī)各自的數(shù)據(jù)交互器，數(shù)據(jù)交互器根據(jù)分配結(jié)果從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)支架的數(shù)據(jù).

圖6 基于一致性哈希算法的分布式系統(tǒng)兩級(jí)映射Fig.6 Two level mapping of distributed system based on consistent hash algorithm

4.2 主機(jī)負(fù)載狀況評(píng)價(jià)

主機(jī)的負(fù)載狀況由多個(gè)影響因素共同決定，包括了主機(jī)的CPU占用率、內(nèi)存占用率、監(jiān)測(cè)畫面的幀率以及該主機(jī)的任務(wù)量等等，利用式(2)獲取單臺(tái)主機(jī)的負(fù)載狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)P.

(2)

式中:P(i)為第i臺(tái)主機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，該值越小表示負(fù)載越小；Lcpu(i)，Lmem(i)，Lfps(i)，Ltask(i)分別為第i臺(tái)主機(jī)的CPU占用率、內(nèi)存占用率、幀率百分比以及任務(wù)量百分比;[α(i)]為系數(shù)矩陣，可以調(diào)節(jié)各因素在評(píng)價(jià)參數(shù)中所占的比重.

主機(jī)的CPU和內(nèi)存占用率可直接通過程序進(jìn)行獲取，而幀率百分比和監(jiān)測(cè)任務(wù)百分比可以通過式(3)獲取.

(3)

式中：FPScurrent表示主機(jī)運(yùn)行時(shí)的畫面幀率；FPSstandard表示幀率參考值;該值與主機(jī)的硬件狀況相關(guān)，此處選作60幀每秒；Taskcurrent表示主機(jī)當(dāng)前的任務(wù)量;Taskall表示全部的任務(wù)量，此處將任務(wù)量量化為支架的數(shù)量.

4.3 分布式系統(tǒng)的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)

在對(duì)系統(tǒng)中主機(jī)負(fù)載狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載均衡性進(jìn)行評(píng)價(jià)，此處建立基于標(biāo)準(zhǔn)差的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)方法，利用式(4)獲得系統(tǒng)的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)S.

(4)

式中：N為主機(jī)的總數(shù)；S即為系統(tǒng)的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)，該值越小表明系統(tǒng)的負(fù)載均衡性越好.

4.4 系統(tǒng)初始化時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)的分配

節(jié)點(diǎn)在哈希環(huán)上的位置以及哈希環(huán)的長(zhǎng)度可由式(5)、式(6)獲取.

Position=hash(Key)%N

(5)

N=numOfYyzj+

numOfHost*virtualNodes

(6)

式中：hash(Key)表示通過SHA-1(Secure Hash

Algorithm1，安全散列算法1獲取到的節(jié)點(diǎn)哈希值；Key為主機(jī)節(jié)點(diǎn)的IP地址或支架節(jié)點(diǎn)的唯一名稱；Position為節(jié)點(diǎn)在哈希環(huán)上的映射位置；numOfYyzj為需要監(jiān)測(cè)的支架數(shù)量；numOfHost為主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；virtualNodes為虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；最終哈希環(huán)的長(zhǎng)度應(yīng)稍大于所計(jì)算的N值.

將主機(jī)節(jié)點(diǎn)和支架節(jié)點(diǎn)映射在哈希環(huán)上，如圖7(a)所示. 支架節(jié)點(diǎn)和主機(jī)節(jié)點(diǎn)在哈希環(huán)上均勻分布，支架節(jié)點(diǎn)按順時(shí)針方向?qū)ふ译x其最近的主機(jī)節(jié)點(diǎn)，如圖中支架節(jié)點(diǎn)1落在了主機(jī)節(jié)點(diǎn)1上，即支架1的監(jiān)測(cè)任務(wù)由主機(jī)1負(fù)責(zé)，當(dāng)有多臺(tái)支架時(shí)，依此類推進(jìn)行任務(wù)的分配.

圖7 基于一致性哈希的任務(wù)分配示意圖Fig.7 Diagram of task assignment based on consistent hash

但是實(shí)際情況可能如圖7中(b)所示，主機(jī)節(jié)點(diǎn)聚集在一起，導(dǎo)致分配不均勻. 針對(duì)這種問題，引入虛擬節(jié)點(diǎn)如圖7中(c)所示，雖然每個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)的物理節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，卻有多個(gè)虛擬的節(jié)點(diǎn)，如支架節(jié)點(diǎn)1落在了主機(jī)節(jié)點(diǎn)1的2號(hào)虛擬節(jié)點(diǎn)上，則支架1的監(jiān)測(cè)任務(wù)由主機(jī)1負(fù)責(zé)，虛擬節(jié)點(diǎn)的引入可在一定程度上解決由于主機(jī)節(jié)點(diǎn)聚集導(dǎo)致的任務(wù)分配不均勻的問題.

4.5 系統(tǒng)運(yùn)行中監(jiān)測(cè)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配

在進(jìn)行監(jiān)測(cè)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配之前，需要對(duì)開啟動(dòng)態(tài)分配的條件進(jìn)行設(shè)定：當(dāng)單臺(tái)主機(jī)的負(fù)載狀況P和系統(tǒng)的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)S超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配，程序流程圖如圖8所示. 其中，計(jì)算負(fù)載均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)P的程序流程圖如圖9所示.

圖8 監(jiān)測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配Fig.8 Dynamic assignment of monitoring tasks

圖9 負(fù)載均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)PFig.9 Load balance evaluation index P

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中按照上述分配方法對(duì)每臺(tái)主機(jī)的任務(wù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過有意改變各主機(jī)在哈希環(huán)上虛擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比例，從而實(shí)現(xiàn)了任務(wù)“有目的性”的調(diào)配. 任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配保證了在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，任務(wù)量較大的部分始終占據(jù)更多的硬件和系統(tǒng)資源.

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本課題依托于煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室配備有一套綜采成套試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過電液控制閥控制液壓支架發(fā)生升架、降架、移架等操作. 在Unity3D中通過C#語(yǔ)言編寫程序?qū)崿F(xiàn)上述功能，在實(shí)驗(yàn)室中選擇三臺(tái)電腦做為主機(jī)進(jìn)行分布式系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試.

5.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為了方便地調(diào)整底座的角度，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性試驗(yàn)將在真實(shí)支架模型上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的支架模型是嚴(yán)格按照真實(shí)支架比例制造的，此處以支架的后連桿以及頂梁角度為試驗(yàn)對(duì)象. 在支架模型上布置各類傳感器，如圖10所示.

圖10 模型上傳感器布置方案Fig.10 Sensor layout on Model

試驗(yàn)過程中不斷調(diào)整底座姿態(tài)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示，其中α5、α6、α7分別為底座橫滾角、俯仰角和偏航角，α1、α2分別為傳感器測(cè)量的后連桿以及頂梁角度，β1、β2分別為經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的后連桿以及頂梁的角度.

表1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

由上表可以看出，真實(shí)支架模型后連桿、頂梁的傳感器測(cè)量值會(huì)隨著底座姿態(tài)的變換而變換，而經(jīng)過轉(zhuǎn)換的角度值幾乎保持不變，說明轉(zhuǎn)換公式達(dá)到了預(yù)期的效果. 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值用于模型驅(qū)動(dòng)，即可保證真實(shí)支架姿態(tài)與模型姿態(tài)的一致.

5.3 分布式系統(tǒng)監(jiān)測(cè)任務(wù)初始化試驗(yàn)

在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)任務(wù)的初始化分配，設(shè)定每臺(tái)主機(jī)的負(fù)載狀況P相同，設(shè)定需要監(jiān)測(cè)的支架數(shù)量為69臺(tái)，根據(jù)式(6)得到哈希環(huán)的長(zhǎng)度為200. 當(dāng)每臺(tái)主機(jī)的虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1時(shí)，部分支架節(jié)點(diǎn)和主機(jī)節(jié)點(diǎn)在哈希環(huán)上的位置如表2所示.

表2 節(jié)點(diǎn)在哈希環(huán)上的位置

將所有節(jié)點(diǎn)繪制在哈希環(huán)上，其在哈希環(huán)上的分布和每個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)上支架節(jié)點(diǎn)的數(shù)量如圖11(a)所示，可以看到主機(jī)節(jié)點(diǎn)密集分布. 此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載均衡性較差，增加主機(jī)的虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3、5、7，節(jié)點(diǎn)分布狀況如圖11(b)、(c)、(d)所示.

圖11 系統(tǒng)初始化節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.11 Distribution of system initialization nodes

由圖11中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量分布圖可以看出，隨著主機(jī)虛擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，分配到多臺(tái)主機(jī)上的支架數(shù)量逐漸趨于均衡. 利用式(2)得到各主機(jī)的參數(shù)P，其中設(shè)置系數(shù)矩陣為{0.2,0.2,0,0.6}. 利用式(4)計(jì)算得到虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)(Nodes)不同的情況下系統(tǒng)的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)S，如圖12所示.

圖12 主機(jī)虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與均衡性指標(biāo)關(guān)系圖Fig.12 Relationship between the number of virtual nodes and the balance index

由圖12可以看出，當(dāng)虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加到一定程度時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加對(duì)于系統(tǒng)均衡性的作用越來越小，在實(shí)現(xiàn)需求的均衡性前提下，主機(jī)虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)該越少越好. 在系統(tǒng)中設(shè)置初始化的負(fù)載均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)S的閾值為0.1，當(dāng)S低于0.1時(shí)，就認(rèn)為系統(tǒng)負(fù)載均衡性良好.

在本次試驗(yàn)中，S值小于0.1的虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有8和9，按上述的原則，選擇每臺(tái)主機(jī)的虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為8作為初始化設(shè)置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化.

5.4 分布式系統(tǒng)監(jiān)測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配試驗(yàn)

在上述系統(tǒng)初始化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配試驗(yàn). 當(dāng)虛擬節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為8時(shí)，各主機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)的支架編號(hào)如表3所示.

表3 分布式系統(tǒng)任務(wù)分配表

初始化后系統(tǒng)開始執(zhí)行正常的監(jiān)測(cè)任務(wù)，設(shè)置主機(jī)負(fù)載狀況評(píng)價(jià)系數(shù)矩陣為{0.2,0.2,0.5,0.1}. 增加第三臺(tái)主機(jī)的監(jiān)測(cè)任務(wù)量直到系統(tǒng)出現(xiàn)卡頓，此時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)監(jiān)測(cè)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配，執(zhí)行一次或多次動(dòng)態(tài)分配過程后，系統(tǒng)再次達(dá)到正常的運(yùn)行狀態(tài). 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配過程中的各項(xiàng)指標(biāo)變化如表4所示.

表4 監(jiān)測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配中各項(xiàng)指標(biāo)變化

試驗(yàn)次數(shù)0表示初始化分配結(jié)果，此時(shí)系統(tǒng)并未開始運(yùn)行；試驗(yàn)次數(shù)1表示系統(tǒng)正式開始運(yùn)行并且增加了第三臺(tái)主機(jī)的任務(wù)量，可以看到此時(shí)主機(jī)3的指標(biāo)P值和指標(biāo)S值都大于設(shè)定的閾值，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分配功能會(huì)被觸發(fā)；試驗(yàn)次數(shù)2和3表示進(jìn)行了兩次分配后，各主機(jī)的指標(biāo)P和指標(biāo)S都回到正常的范圍，表明在該種分配方式下，系統(tǒng)可以正常流暢地運(yùn)行.

5.5 分布式系統(tǒng)延遲性測(cè)試

在Unity中編寫XML文件，分別獲取系統(tǒng)運(yùn)行過程中三臺(tái)主機(jī)監(jiān)測(cè)畫面上某臺(tái)液壓支架的后連桿角度值(θAng)得到歷史數(shù)據(jù)曲線(圖13). 通過圖分析可得，系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，三臺(tái)主機(jī)畫面上顯示內(nèi)容幾乎完全同步，不存在明顯的延遲現(xiàn)象.

圖13 液壓支架后連桿角度值歷史數(shù)據(jù)曲線圖Fig.13 Historical data curve of angle of hydraulic support rear connecting rod

5.6 整體運(yùn)行效果測(cè)試

將Unity3D中建立的系統(tǒng)發(fā)布，將發(fā)布后的程序在三臺(tái)主機(jī)上運(yùn)行，三臺(tái)主機(jī)的顯示畫面如圖14所示.

圖14 三臺(tái)監(jiān)測(cè)主機(jī)畫面Fig.14 Pictures of three monitoring hosts

通過測(cè)試，在三臺(tái)主機(jī)的情況下，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)時(shí)，未出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，說明分布式虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果.

6 結(jié)束語(yǔ)

建立了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的液壓支架虛擬監(jiān)測(cè)模型，同時(shí)提出了數(shù)值轉(zhuǎn)換方法，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換公式的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)支架姿態(tài)與模型支架姿態(tài)的一致性. 建立了基于數(shù)據(jù)交互器的分布式虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 采用分布式的方法將支架的監(jiān)測(cè)任務(wù)分配給多臺(tái)主機(jī)，主機(jī)之間通過數(shù)據(jù)交互器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，在盡量減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量前提下實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)中各主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞. 提出了基于一致性哈希算法的液壓支架分布式虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)任務(wù)分配方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法充分考慮了主機(jī)的負(fù)載狀況，可以實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的負(fù)載均衡以及資源的最大化利用. 該分布式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，對(duì)硬件和Unity3D軟件自帶的網(wǎng)絡(luò)同步函數(shù)進(jìn)行了研究，接下來將對(duì)基于一致性哈希算法的負(fù)載均衡相關(guān)算法進(jìn)行深入研究，使算法更加適應(yīng)綜采工作面的情況，同時(shí)將系統(tǒng)擴(kuò)展到綜采工作面中的其他設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面裝備的整體虛實(shí)同步.