摘要:信息物理融合系統(tǒng)(CPS)具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和空間約束，根據(jù)其事件驅(qū)動(dòng)性，對CPS時(shí)空事件模型進(jìn)行了描述，并依據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)對CPS體系結(jié)構(gòu)中的組成部件(物理世界、傳感器、計(jì)算(控制)單元、執(zhí)行器、計(jì)時(shí)器)建立了時(shí)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(jìn)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(shí)空特性

　　引言

　　信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-physicalsystem，CPS)是計(jì)算、通信與控制技術(shù)的有機(jī)與深度融合，實(shí)現(xiàn)計(jì)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(gè)世界的某些變化必定會(huì)在另一個(gè)世界以時(shí)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(gè)CPS任務(wù)都可以表示為“事件—行為”。

　　2CPS時(shí)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(diǎn)和時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)空事件模型進(jìn)行了定義和分析［10，12］，本文在其研究的基礎(chǔ)上對時(shí)空事件的定義等進(jìn)行綜合和改進(jìn)。

　　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(shí)空差異性，實(shí)施精準(zhǔn)變量投入，實(shí)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(jì)算(控制)單元、執(zhí)行器和計(jì)時(shí)器，如圖1所示［18］，下面就每一部分進(jìn)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(shí)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(shí)體包括各種植被、作物、病蟲草害和農(nóng)機(jī)具等，物理環(huán)境包括大氣、土壤、陽光等。不管物理實(shí)體還是物理環(huán)境都應(yīng)該具備以下幾個(gè)特征:①擁有唯一的標(biāo)識(shí)，以區(qū)別其他物理實(shí)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(gè)賦值，認(rèn)為是物理世界的一個(gè)狀態(tài)。③允許被感知和改變，即屬性值可通過主動(dòng)或被動(dòng)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(shí)間頻率獲取或發(fā)送所感知的數(shù)據(jù)。

　　3.3計(jì)算(控制)單元的事件建模

　　農(nóng)田信息管理和分析并進(jìn)行決策是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的關(guān)鍵步驟，計(jì)算(控制)單元負(fù)責(zé)對目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域發(fā)出各項(xiàng)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(jìn)行分析處理，然后進(jìn)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(shí)，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(jì)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(jìn)行處理，與執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)化分別實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策與協(xié)同控制，再設(shè)置一個(gè)最高級(jí)別的總控制單元來管理分布的計(jì)算控制單元［20］。

　　4案例分析

　　以農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)大棚中50m×15m的區(qū)域作為試驗(yàn)田，布置6個(gè)土壤溫濕度傳感器、6個(gè)大氣溫濕度傳感器、2個(gè)光照傳感器，土壤微量元素含量測定于采樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(gè)土壤溫濕度傳感器用A1～A6來表示，6個(gè)大氣溫濕度傳感器用B1～B6來表示，2個(gè)光照傳感器用C1和C2來表示。整個(gè)試驗(yàn)田被平均分成6個(gè)區(qū)域，從左上到右下依次為Ｒ1～Ｒ6，每個(gè)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(jìn)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(dòng)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(shí)空事件模型進(jìn)行了初探，并在分析CPS體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對每一個(gè)組成部分分別進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。但是模型建立中沒有考慮特殊情況，如某個(gè)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(jìn)入計(jì)算控制單元造成的數(shù)據(jù)處理減緩或失敗，需要進(jìn)一步優(yōu)化事件模型。從實(shí)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(jìn)一步深入研究和探索。

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　　聶娟1，2孫瑞志1曹振麗3鄧雪峰1楊昊4