（信息与通信工程专业论文）基于internet的深海集矿机远程监控系统研究.pdf

t h er e s e a r c ho ni n t e r n e t b a s e dr e m o t e m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mf o r d e e p - s e am i n i n gv e h i c l e s p e c i a l t y ：一i n f o r m a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ： l is h 垒塾g 曼 s u p e r v i s o r ：里! 塑gs 旦i 乜也g c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a n p r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：邋日期：业年 月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 i n t e m e t 的普及加上控制、通信、网络技术的飞速发展，极大地加 快计算机网络和控制技术的融合，使得构建基于i n t e m e t 的深海集矿 机远程监控系统成为可能。它便于陆地控制中心实时监控深海集矿机 作业行走工作情况，实现远程控制。同时，也有利于资源大范围共享， 形成丰富的数据库，为高层基于知识的决策提供支持，通过必要的远 程干预实现对监控现场的调度决策。该系统有着广阔的应用前景和深 远意义。 由于该领域研究在国内外还未深入开展，相关文献甚少。在研究 类似深海集矿机的机器人基于互联网远程监控技术的基础上，给出基 于i n t e m e t 的深海集矿机远程监控体系结构：陆上监控中心、采矿船 监控子系统、集矿机水下测控子系统，并配置相关硬件设备。同时， 存在于监控网络通路的时延导致了集矿机行走控制品质的下降，影响 实时控制效果，严重时还可能导致控制系统崩溃。因此，在分析基于 i n t e m e t 深海集矿机远程监控系统网络时延分布基础上，采用a r 模型 表示时延序列并采用自适应l m s 来估计当前时延值，同时利用 s m i t h 补偿器对该时延值进行补偿控制。并根据深海集矿机远程监控 系统前向通路和反馈通路具体情况，分别采用了前向通道补偿器 g 砌( j ) 和反馈通道补偿器g 历。( s ) 。以m a t l a b s i m u l 仆平台，结合 集矿机行走控制数学模型仿真。仿真结果显示能有效改善品质，表明 该算法的有效性。 最后给出该远程监控系统软件设计方案。包括陆上监控中心软件 和w e b 服务器软件设计；通信软件设计；采矿船监控子系统和组态软 件设计以及水下测控子系统软件设计。 关键词：深海集矿机；i n t e m e t 技术；远程监控；a r 模型；补偿控制 a bs t r a c t t h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g yg r e a t l ys p e e d su pt h ei n t e g r a t i o n o ft h ec o m p u t e rn e t w o r ka n dc o n t r o lt e c h n o l o g y s oi ti sp o s s i b l et h a t i n t e r n e t - - b a s e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o rd e e p - s e am i n i n gv e h i c l ei s b e e nc o n s t r u c t e d t h e r e f o r et h ed e e p s e am i n i n gv e h i c l ec a nb ec o n t r o l e d b yt h e1 a n dc o n t r o lc e n t e ro ft h es y s t e m m e a n w h i l e 1 a r g e s c a l er e s o u r c e c a nb es h a r e db yp l e n t yo fs i t e sa n dar i c hd a t a b a s ei sa l s of o r m a t e d a n d k n o w l e d g e - b a s e dd e c i s i o nc a nb em a d eb yo p e r a t o ro nt h el a n d a tt h e s a m et i m e ，d e e p s e am i n i n gv e h i c l ec a nb eo p e r a t e db yp e o p l ei nt h e r e m o t es i t e t h i ss y s t e mh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n ds i g n i f i c a n c e b e c a u s et h er e s e a r c hi nt h i sf i e l dh a sn o tb e e nd e e p l ye x p a n d e d ，t h e r e i s v e r yl i t t l e r e l a t e da r t i c l e s s oo nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ha b o u t i n t e r n e t b a s e dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rr o b o t ，s i m i l a rt o d e e p s e am i n i n gv e h i c l e ，t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ei n t e m e t b a s e dr e m o t e c o n t r o ls y s t e ma b o u tt h ed e e p s e av e h i c l ei sd e s i g n e d t h i sa r c h i t e c t u r e i n c l u d e st h r e ep a r t s ：l a n dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc e n t e r , m i n i n gs h i p m o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，u n d e r - w a t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls u b s y s t e m t h er e l a t e dh a r d w a r ed e v i c ei sa l s oc o n f i g u r e d a tt h es a m et i m e t h e d e l a ye x i s t i n gi nt h ec h a n n e lo ft h em o n i t o r i n gn e t w o r kb r i n g st h ed e c l i n e o fc o n t r o lq u a l i t y i nt h es e r i o u ss i t u a t i o n ，t h es y s t m em a y b ef a l la p a r t t h e r e f o r e ，t h ed e l a ye x i s t i n gb a s e d - i n t e r n e tm o n i t o r n i n ga n dc o n t r o l s y s t e mi sa n a l y z e d a n dt h i sd e l a ys e q u e n c ec a nb ee x p r e s s e db ya r m o d e l t h ed e l a yo ft h ec u r r e n tt i m ec a nb ep r e d i c t e dt h r o u g ht h el m s a l g o r i t h m t or e m o v et h eb a da f f e c tb r o u g h tb yt h ed e l a y , s m i t h c o m p e n s a t o ri su s e di nt h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e m a n do nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c ha b o u tf o r w a r dc h a n n e la n df e e d b a c kc h a n n e l ，g 脚( s ) a n d g 却( j ) c o m p e n s a t o ri sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ew a l k i n gc o n t r o lm o d e lo ft h e m i n i n gv e h i c l e t h i sc o n t r o lm e t h o di ss i m u l i n k e dw i t hm a t l a b s o f t w a r e t h er e s u l ti n d i c a t st h a tt h i sm e t h o dc a ni m p r o v et h ec o n t r o lq u a l i t y i nt h ee n d t h i s s y s t e m s o f t w a r ei s d e s i g n e d t h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r ei n c l u d e st h e s ep a r t s ：l a n dc o n t r o lc e n t e rs o f t w a r e m i n i n gs h i p c o n t r o ls u b s y s t e ma n dm o n i t o r i n gs c r e e n ，t h es o f t w a r eo fc o m u n i c a t i o n ， u n d e r - w a t e rc o n t r o ls u b s y s t e ms o f t w a r e k e yw o r d s ：d e e p - s e am i n i n gv e h i c l e ；i n t e r n e tt e c h n o l o g y ；r e m o t e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；a rm o d e l ；c o m p e n s a t i o n c o n t r o l i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 深海集矿机2 1 2 2 集矿机远程监控系统3 1 2 3 机器人基于互联网的远程监控系统5 1 3 深海集矿机在采矿系统中所处位置6 1 4 研究内容及结构安排7 第二章集矿机基于i n t e r n e t 的远程监控体系结构及硬件配置9 2 1 集矿机远程监控系统模式选择9 2 2 远程监控网络通信协议1 1 2 2 1 集矿机远程监控i n t e m e t 通道一1 1 2 2 2 深海集矿机车载子系统c a n 总线。1 4 2 3 集矿机基于互联网的远程监控体系结构1 5 2 4 集矿机船载和车载子系统硬件配置。1 6 2 4 1 采矿船监控子系统1 硬件配置1 6 2 4 2 集矿机测控子系统1 硬件配置18 2 5 小结1 9 第三章基于i n t e m e t 的集矿机远程监控实时性研究2 0 3 1 集矿机远程监控实时性要求2 0 3 2 集矿机基于互联网远程监控系统时延分布2 1 3 3 网络时延预测2 3 3 3 1 网络时延的a r 模型2 4 3 3 2 自适应最小均方差算法2 5 3 4 集矿机基于互联网远程监控系统补偿控制方案2 7 3 4 1s m i t h 补偿控制原理2 7 3 4 2 前向通道补偿控制策略2 8 3 4 3 反馈通道补偿控制策略2 9 3 4 4 集矿机基于互联网远程监控系统补偿控制策略3 0 3 5 小结3l 第四章基于i n t e r n e t 的集矿机远程控制策略仿真3 2 4 1 集矿机行走装置数学模型3 2 4 2s i m u l i n k 仿真图3 5 4 2 1 不带时延补偿的仿真图3 5 4 2 2 带时延补偿的仿真图3 6 4 3 小结3 8 第五章基于i n t e m e t 的集矿机远程监控系统软件设计3 9 5 1 软件工具选择3 9 5 2 陆地监控中心软件设计4 0 5 2 1 监控中心服务器软件设计4 0 5 2 2w 曲服务器软件设计4 l 5 2 3 通信软件设计。4 2 5 3 采矿船监控子系统软件设计4 5 5 3 1 采矿船子系统软件总体框架4 5 5 3 2 数据处理软件设计4 6 5 3 3 组态软件设计4 6 5 3 4 数据存储处理设计4 7 5 4 集矿机水下测控子系统软件设计4 8 5 5 小结5 0 第六章结论与展望5 1 6 1 研究结论。5 l 6 2 研究展望51 参考文献5 3 致谢5 7 作者攻读硕士学位期间的主要研究成果5 8 v 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论弟一早殖v 匕 二十世纪五十年代，r g o e r t z 开发出远程操控机械手，由此开始进入远程监 控技术高速发展的新时代。该技术可以使操控者不必身临危险、高污染和难以抵 达的地区，将动作和感知能力极大延伸并消除其心理障碍，在极其安全地区就能 监视和控制远端对剩l j 【2 】。因此，具有划时代的意义。基于i n t e m e t 的深海集矿机 远程监控技术实质就是操控者可以通过互联网实现对集矿机的监视和控制。它利 用深海集矿机车载上的各种传感器，如：速度传感器、声纳等监测机体履带速度、 集矿装置高度以及距障碍物距离等现场信息，从而实现对深海集矿机远程监视并 控制。可以说是控制技术在深海集矿机上的又一大施展，同时也极大推动控制技 术、通信技术和网络技术的进一步发展和完美融合【3 】。 一 深海集矿机远程监控技术方面的研究，我国早在“十五”期间就已经开展， 并成功开发了远程监控系统。此系统实现了操作者在海面上对处于深水中的集矿 机的远程操作。但它只满足操作者在海洋面上对处于深海底集矿机的监视和控制， 而不能使陆地人员得知集矿机运行状况，也不能掌控采矿进程。而一旦整体系统 出现故障，维护人员更是不能快速抵达出事地点进行维护。因此，开发基于i n t e r n e t 的集矿机远程监控系统，使得通过陆地监控中心就能监视和控制集矿机变得非常 迫切和必要。并且当前远程监控技术具备功能强大的硬件支撑：操作系统稳定和 功能强大，分布的网络资源更便于快速处理，成熟的数据库技术也带来极大的便 捷性【训。同时i n t e m e t 技术也便利了集矿机之间以及集矿机与陆上监控中心之间的 信息互换。开发集矿机的陆上远程监控试验平台具备充足的条件。它需要在原来 的远程监控系统基础上，搭建陆地监控中心的远程监控。两个监控系统优先级不 同、互为冗余，实现对深海集矿机工作状态的监控。后者还可在海面采矿船躲避 恶劣海况而与深海集矿机脱离，凭海表信标继续通过路基监控中心控制集矿机在 车载电力支撑系统的支撑下行走作业。 搭建基于i n t e m e t 的集矿机远程监控试验平台就是利用计算机网络来建立一 个开放的监控系统来监视和控制远端深海集矿机。它以标准的互连网络为基础， 多种通信协议为依托，提供可靠的信息传输服务，构造了一个连接多种网络的集 矿机基于互联网的远程监控试验平台。它便于陆地控制中心实时监控现场工作情 况，实现对集矿机的调试和维护。同时，也有利于资源大范围共享，形成丰富的 硕+ 学位论文 第一章绪论 数据库，为高层基于知识的决策提供支持，通过必要的远程干预实现对监控现场 的调度决策。因此，基于i n t e r n e t 的深海集矿机远程监控研究具有广阔的发展前 景和深远意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 深海集矿机 国外方面，美国海洋矿产公司( o m c o ) 于1 9 7 8 年开发出采矿车，如图1 1 所 示。该车体上携带有多种传感器检测装置、液压驱动控制装置和扫描声纳。采矿 方式采用铲头链收集结核，再经输送皮带到储矿罐。并在夏威夷以南成功进行海 试时，同时发现以下问题：该集矿方式效率偏低，齿状的集矿机表面容易被海底 软泥堵塞。德国于上世纪7 0 年代加紧研制采矿车。如图1 2 所示，为德国锡根大 学开发的采矿车。车体配有测障声纳、磁通门罗盘、多普勒测速仪、测速编码器、 深海摄像机。并采用高压水射流集矿方式，极大地提高了集矿效率。 图1 1 美国o m c o 研制的采矿车图l 2 德国锡根大学研制的采矿车 法国v e r t u t 等人于上世纪八十年代开发出梭车状潜水式采矿车。该车使用阿 基米德螺旋推进器推动采矿车在海底行走。边采集结核，边排出等量的压舱物， 以保持采矿车在海底平稳运作。在海水浮力下，推进器推动采矿车在清空压舱物 后返回海面。由于投资大，而产品价值偏低，第二代潜水遥控采矿车在1 9 8 3 年停 止研发。日本也于八十年代开始拖曳式采矿车研究，同样采用水力射流集矿方式。 但多年研究发现：该行走方式满足不了生产需求，现已转向自主行走方式研究。 韩国正在对履带式机器人进行虚拟样机设计和数字仿真研究。印度与德国锡根大 学合作，自行开发出独特的集矿装置。并与1 9 9 9 年7 月成功地进行2 0 0 m 试验。 该车通过摇摆的机械臂操纵泥浆泵收集海底结核。国外研究的特点是：基本解决 水下集矿作业运行仪器仪表检测装置以及设备防腐、抗压、抗拉等诸多关键技术， 但成熟的控制方法还需研刭引。 2 硕士学位论文 第一章绪论 国内方面，集矿机控制装置在设计上经历了第一代、第二代以及第三代等阶 段，后续阶段都是在前阶段的基础上，通过试验发现问题进行改进得到的，如图 1 3 、1 4 所示。最初在吸取了国外设计的经验教训上，开发出国内第一台由液压 马达提供行走动力的集矿机。在试验中也获得了良好的效果。但也发现了很多不 足：各部分传感器、仪器设备连线分散且密集，发现问题时不易排查故障，且不 易维护。 在总结经验教训基础上，使用d c s 的控制模式，诸多的传感器分散控制，既 便于查找问题，也便于设备之间的连线。并改善了集矿机的行走履带，使它更适 应于海底不坚硬甚至太软的路面状况。集矿装置开始使用喷嘴冲击结核的方法， 便于海底结核的收集。2 0 0 1 年此装置在1 3 0 m 深的湖水中实验，运行情况良好。 同时也带来了问题：车载控制系统密封在工控机里散热很慢，会极大消耗控制系 统：操作系统在深水的环境中不能良性工作【6 1 。 图1 - 3 第一代集矿机 图1 4 第二代集矿机 “十五 期间，开发了最新一代的集矿机嵌入式的控制系统，取代了以往工 控机的庞大结构。该系统采用嵌入式l p c 2 2 9 2 芯片、c a n 总线通信、调试系统 等模块。在保证集矿机在深水中可靠稳定工作的同时，也满足数据采集的实时性 要求。该系统具备的c a n 总线结构也满足了集矿机海面上远程监控的需要。本 文在此基础上进一步开发出陆地监控中心，以此来构建基于互联网的集矿机远程 监控系统。 1 2 2 集矿机远程监控系统 目前国内外面向深海采矿系统和深海采矿关键技术实验平台陆上远程监控技 术研究十分有限。国际上也尚未成功丌发出深海采矿系统和深海采矿关键技术实 验平台基于互联网的远程监控系统。 美国o m c o 公司研制的采矿系统，包括中央控制室、中继站压力舱和液压系 统、车体多传感检测系统等。于1 9 7 0 年基于阿基米德螺旋行走机构成功地完成了 硕士学位论文 第一章绪论 5 ：1 比例的5 0 0 0 米水深采矿海上试验，主要检验行走方式对深海沉积物的适应 性及其控制性能、海底浅沟障碍的跨越能力、车辆的转弯绕障性能。监控参数包 括：集矿机作业状况、行走轨迹、行走速度、采集速度、离底高度等。但该采矿 系统只是实现了海面上中央控制室对集矿机的远程监控，未涉及陆上对采矿车状 态和过程监控【_ 7 1 。 德国和法国为海洋采矿系统研制了柔性悬挂和刚性悬挂两台海底履带式作业 机器人。德国o m a 公司研制采矿控制系统包括船上控制中心、数据传输同轴电 缆、导航系统、测高声纳、集矿机上的耐压仓和监控仪器仪表等。监控集矿机离 底高度、集矿装置位置、航向方位、集矿机工作状态参数等。使用声波发射应答 装置确定集矿机、结合提升管道、采矿船之间的相对位置，并使用导航应答器确 定集矿机行驶地理位置和方位。法国的采矿系统包括e r i c i i 型深海作业车、实时 监控计算机、外围监控系统、7 个单独操纵杆、2 个自由度操纵杆、声纳等。操纵 杆移动控制集矿机传动机构角加速度。监控参数包括：车体行走、障碍无轮廓及 距离、加速度等【8 1 。但控制系统只是满足采矿船对集矿机的远程监控，陆地监控 系统设计也未涉及。印度在2 0 0 0 年完成了5 0 0 米水深海底履带式机器人行走试验。 国外研究主要特点为：原理性研究为主；基本未进行采矿系统和深海采矿关键技 术实验平台远程监控技术试验研究。 我国在“八五期间制定了深海资源研究开发计划，并给出了控制系统试验 平台。控制系统由水面集控台、通信模块、硬管和软管扬矿控制、行走控制装置、 离底高度和障碍物声纳、水下分电箱等组成。由3 8 0 w 2 2 0 v 交流电源为模型集矿 机供电。主要检测车体姿态、集矿头高度及摆角、行走速度、障碍物高度及液压 系统参数等。在3 m 湖水中进行试验，暴露了电缆容易缠绕、手动操作频繁等问 题，为“九五进一步研究打好基础。此阶段进行了试验控制研究，还未进行海 面远程监控系统研究。在“八五 研究基础上，“九五 期间开发出主从结构的 采矿控制系统。集矿机车体携带c o m p a c tp c i i p c 工控机，硬管扬矿系统采用 p l c 监控，软管控制系统采用研华i p c 装置。主要监控：液压系统流量、离底高 度、集矿头姿态、方位、行走速度、破碎机转速、射流泵转速等。但试验中也暴 露了以下问题：集矿头液压机构控制扰动大，精度不高：水面监控软件还不完善。 通信成功率较低。该控制系统，极大地提升我国深海采矿试验研究技术的水平， 为下一步进入海试阶段奠定了良好的基础。此阶段控制系统涉及了海面远程监控 集矿机，但也未涉及到陆地远程监控中心的设计。 “十五期间，开展了1 0 0 0 m 集矿机控制系统研究和采矿船监控室技术设 计。该控制系统包括：水上监控操作站、水下测控系统、图像声纳、视频摄像头、 声学定位系统、复合电缆、光纤通信模块等。利用复合电缆实现车体测控子系统 4 硕士学位论文第一章绪论 与水面采矿船监控系统之间的通信。同时采矿船监控系统通过以太网与扬矿监控 系统和其他相关控制系统相联，实现资源共享。主要监视集矿机工作状态参数、 地理位置及行走轨迹等。并生成报表和趋势曲线便于分析研究实现优化控制9 1 。 但此面向作业现场协调的监控室方案最终未于实施。十五年的开发涉及深海采矿 系统远程监控中心的研究甚少。 1 2 3 机器人基于互联网的远程监控系统 深海采矿系统涉及多学科交叉的前沿高难度综合技术。国内外面向深海集矿 机、基于i n t e r n e t 的远程监控技术研究尚未深入开展，相关资料文献甚少。然而， 针对类似深海集矿机控制对象和其他类型控制对象的远程监控技术的已经广泛开 展，其控制策略和控制模型的分析对本课题研究具有借鉴意义。 上世纪八十年代，计算机功能和性能急剧完善，使得控制算法在机器人遥操 作上得以实现。也使得越来越多的研究人员投入这方面的研究中。九十年代， i n t e r n e t 技术飞速发展，与此同时k e ng o l d b e r g 给出机器人基于i n t e r n e t 的远程控 制的理论基础。于是基于互联网的机器人研究成为了研究热点。 国外在这方面的研究非常积极。m e r c u r y 项目中首先应用该理论，控制机器 人去沙堆中进行挖掘文物工作，通过摄像头采集机器人的工作状态，将状态显示 在客户端。于是该系统成为了世界首例机器人基于i n t e r n e t 的远程控制系统。并 在投入运行后得到了极大的访问量【1 0 1 。在此基础上，t e l e g a r d e n 项目于1 9 9 5 年开 展。该项目使得所有客户端都能通过w e b 浏览器观看机器人在花园的动作，并且 只有那些授权的客户端才能对机器人进行操作，其他客户端只能观看不能操作， 实现了人机交互【1 1 1 。澳大利亚w e s t e r n 大学也开展了该领域的研究并开发了 t e l e r o b o t ，使得远端客户通过i n t e m e t 控制t e l e r o b o t 完成三维空间的转动【1 2 】。这 类研究的特点是：实现对较简单的机器人的远程控制，项目中的机器人都不具备 自主动作能力。美国开发了火星探测器机器人，在自主移动机器人基于i n t e m e t 的远程控制方面做出了勇敢的探索。与此同时，美国g a m e g i em e l l o n 大学开发了 x a v i e r ，它是一个可以在更为复杂状况下完成简单动作的移动机器人，其运作 借助x a v i e r 身上的摄像头和声纳传感器确定位置【l3 1 。英国研究机构在这方面也 毫不示弱，b r a d f o r d 大学实现了基于i n t e r n e t 的远程望远镜【1 4 】。这一部分的研究 集中在对自主移动机器人的远程控制上，较之前叙述的控制复杂度更大、难度更 大。尤其是非自主式机器人基于i n t e m e t 的远程监控对本文具有借鉴意义。深海 集矿机类似于非自主式机器人，具有自主动作能力，远程监控只是给予及时的干 预和控制。 基于i n t e m e t 、嵌入式w e b 组网的远程监控系统t e s t b e d ，更是由斯坦福大学、 硕十学位论文 第一章绪论 麻省理工学院、s u n 、h p 、i n t e l 等共同推出。它采用b a y e s i a n n e t 去实现更为广 泛的信息共享与监控。在l a b w i n d o w s c v i 及l a b v i e w 基础上，n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 融合网络通讯处理模块，现场监控信息以w w w 、f t p 、e m a i l 方式。 b e n t l y 也在积极开展网络化的d a t am a n a g e r2 0 0 0 检测系统研究。与此同时，关于 远程监控信息交换的国际标准也在积极制定。这在一定程度上推动了基于i n t e m e t 的集矿机远程监控系统的研究和开发。 国内方面，在机器人基于i n t e m e t 远程控制方面起步较晚，目前正在极力追 赶。这方面的研究已经成为国家资助项目之重心，取得了一定的科研成果。国内 许多科研所和大学也都在开展这一领域的研究，并取得可喜的进展。哈工大也于 2 0 0 0 年完成了机器人的遥操作【l5 1 。中南大学与同本东京科技大学、英国e s s e x 大 学、g l a m m e r g a n 大学开展国际合作，开发跨国远程监控试验系统和远程网络控制 系统，实现了资源共享f 1 6 1 。西安交大研发了大型旋转机械计算机状态监测系统及 故障诊断系统r m m d 1 7 1 ；中科大开展了汽轮机工况监测和诊断系统的研究。同 时机器人借助互联网的操作也在医学界广泛开展，机器人为患者动手术也于2 0 0 1 年在中国海军总医院成功实施【1 8 】【1 9 1 。电力系统也在广泛应用远程监控技术，在保 证操作上便利的同时，极大地节省劳动力，节约劳动成本【2 0 】【2 i 】。于2 0 0 7 年1 0 月 发射的“嫦娥一号 探测器，更是我国在机器人远程控制领域的一大进步，并于 2 0 0 9 年成功地通过卫星通信远程控制其撞向月球。嫦娥二号、三号的研究也在紧 张进行，显示了我国在远程控制技术方面的信心和实力，同时它们也对我国基于 互联网的远程控制研究产生巨大影响。这类研究显示了国内在机器人远程控制方 面的成果，对深海集矿机的远程监控有着巨大的推动。 1 3 深海集矿机在采矿系统中所处位置 为了便于后面研究开展，本节研究深海集矿机在采矿整体系统中所处位置。 如图1 5 所示，整个采矿系统包括海面支持子系统、水力提升子系统、集矿子系 统、通信子系统以及配套的动力子系统。可划分为三个层次：底层是集矿机；中 间层是扬矿管和中间仓，最上层是采矿船【2 引。 集矿机处于采矿系统的最底层，运行在人不易抵达的海底，工作环境难以估 计。并且集矿机是采矿系统最关键部分之一，海底结核正是靠着集矿机中的集矿 头进行收集和上扬。鉴于这种区别于陆面上的情况，集矿机硬件工作性能需要满 足很高要求，要能适应高压强、海水流不定等诸多情况，并能正常无误的运作。 其行走由液压马达带动，配以车体履带能够满足在较软情况下良好的行驶性，同 时也保证了收集结核的效率。中间层部分主要是用来传送破碎结核到达船上。它 6 硕十学位论文 第一章绪论 需要配以动力支持结核在这样的通道中上扬至船中。同时它们需要配以传感器来 显示其工作情况，不至于出现结核堵塞在管道，使得整体采矿过程有条不紊的进 图1 - 5 我国深海采矿系统工艺流程图 行。采矿船作为监控集矿机和采矿过程的设备，其总是在不断跟踪集矿机的具体 位置，以免中间连接部分出现断节和故障。还要利用车体上的传感器及摄像机知 晓其工作参数、状态和海底环境状况。 1 4 研究内容及结构安排 本文在研究新一代集矿机控制装置、远程监控模式、i n t e r n e t 技术基础上，搭 建基于i n t e r n e t 的深海集矿机远程监控系统试验平台。给出集矿机基于i n t e r n e t 的 远程监控系统的体系结构、硬件配置和软件设计。分析其网络中存在的时延分布 并减少其对集矿机控制性能的影响，保证监控系统实时性。 论文分为六章，结构安排如下： 第一章介绍了本课题的研究背景和意义，集矿机远程监控系统国内外研究现 状，类似集矿机的机器人基于互联网远程控制国内外现状，并介绍了新一代集矿 机装置以及其在采矿系统中所处位置。 第二章深入研究c s 、b s 模式在集矿机远程控制应用中的优缺点，以及 i n t e m e t 和c a n 总线技术在集矿机控制中的应用。给出集矿机基于互联网的远程 监控体系结构以及硬件配置。 第三章根据第二章中给出的体系结构功能描述和需求分析，分析集矿机监控 实时性要求。研究实时性影响关键因素：网络时延，并采用a r 模型和自适应最 7 硕士学位论文 第一章绪论 小均方差算法预测时延。并用s m i t h 算法进行时延补偿，保证集矿机远程监控 的实时性。 第四章结合集矿机行走控制模型，验证第三章控制方法的可行性。仿真表明： 这种控制策略能有效的保证控制效果。 第五章给出基于i n t e m e t 的集矿机远程监控系统的软件设计方案。 第六章归纳总结本课题目前已完成的研究内容，同时展望集矿机监控系统进 一步的研究工作。 硕十学位论文第二章集矿机基于i n t e m e t 的远程监控体系结构及硬件配置 第二章集矿机基于i n t e r n e t 的远程监控体系结构及硬件配置 由第一章分析知，基于i n t e r n e t 的深海集矿机远程监控技术就是将互联网技 术引入到集矿机控制中来，把集矿机控制、互联网通信协议和网络技术融合起来。 其目的是方便远程操作者观看集矿机运作，并给予及时的控制和校正【2 3 】。作为这 方面的起步性研究，先搭建基于i n t e m e t 的深海集矿机远程监控系统试验平台： 底层采用现场总线连接集矿机跟踪平台；同时远端的操控者借助i n t e r n e t 与集矿 机陆上监控中心相连。基于这样的考虑，本章首先研究采用何种监控模式，并结 合i n t e r n e t 协议给出集矿机基于互联网远程监控体系结构及硬件配置。 2 1 集矿机远程监控系统模式选择 集矿机基于i n t e r n e t 远程监控体系结构对搭建其远程监控试验平台非常重要， 也是后续章节中配置集矿机远程监控硬件的基础。但体系结构建立在采用何种监 控模式基础上。所以，首先对本课题中要用到的集矿机远程监控模式c s 、b s 进行研究。两者都有以下功能：反映集矿机现场及时信息数据和过往历史数据； 对监测数据进行分析和统计，为集矿机远程操作决策提供支持；便于集矿机后续 研究采用优化控制技术。本节结合集矿机本身特点、c s 和b s 模式特点及其基 于i n t e m e t 远程监控系统的特殊性，研究采用何种监控模式。 远程监控系统常用的有c s 和b s 模式两种。c s ，c l i e n t s e r v e r ( 客户端服 务器) ，又称c s 结构，产生于二十世纪八十年代。集矿机基于i n t e r n e t 的远程监 控系统中只采用c s 模式时，陆地监控中心服务器完成一部分功能，而另一部分 功能由远程操控者执行。这样可以减少陆上监控中心计算负担，并避免由于计算 量过大导致的各种限制。但由于监控中心和远程操作者都需要特定的软件支撑， 因而以此模式构建的集矿机监控系统升级非常成本高【2 4 1 。在这样一个更新换代速 度非常快的时期，单独采用此模式会加大科研成本，阻碍后续研究的开展。因此 不具有真正的开放性导致不合适单独以此模式构建集矿机基于i n t e r n e t 的监控系 统。 b s ，b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器服务器) ，又称b s 结构。只采用b s 模式时， 远程操作者只要在其电脑上装有浏览器，在授权的情况下就可以观看集矿机运作 并给予控制。b s 改进了c s 结构，伴随着i n t e r n e t 的风靡、全球信息化的的趋势 及信息共享的要求而产生。集矿机监控系统采用此模式时，远端操控者的b r 6 w s e r 9 硕士学位论文第二章集矿机基于i n t e m e t 的远程监控体系结构及硬件配置 只负责系统极小方面工作，而监控中心几乎负责全部工作。由此就大大减小了远 程操作者的计算机负担，而且远程操作者也不用考虑陆上监控中心系统升级带来 的诸多问题【2 5 1 。同时b s 模式又便利集矿机运行画面，速度控制参数和集矿声音 等通过浏览器传递给远端操作者。因为这些数据都由陆上监控中心w e b 服务器产 生，并存在与监控中心数据库服务器中。远端操作者在授权情况下，通过与陆上 监控中心数据库服务器通信，不用在任何程序支撑下就可以下载控制程序进入集 矿机控制系统来执行相应的操作。在其访问过程中，远程操作者遇到任何问题都 可以交由陆上监控中心数据库服务器给出相应解释，并将此解释返给监控中心 w e b 服务器，继而传递给远端操控者( 2 6 1 。因此，集矿机基于i n t e m e t 监控系统试 验平台采用b s 模式，可以使得集矿机监视和控制系统软件开发不必考虑操控者， 并保证不同地方不同操作者在授权情况下都能访问监控中心集矿机运行参数的数 据库，保证了监控中心数据库的安全性和完备性，也极大地便利了陆上监控中心 系统升级和维护，极大地降低了开发成本，为后续集矿机基于i n t e m e t 的远程监 控系统研究做好铺垫。 由以上分析可知，b s 结构更方便基于i n t e m e t 的集矿机远程控制和监视系统 开发。但由于集矿机工作环境的特殊性，还需从多方面考虑，分析采用何种模式 更能满足其在试验平台上的控制需求。 集矿机运行在数千米深的海底，人不借助其运行画面和测控系统无法得知其 运行情况，并且控制软件的不可靠将直接影响到集矿机运行的崩溃，甚至不可控， 导致不可估的成本损失。因而可知，基于i n t e r n e t 的集矿机远程监视和控制系统 对软件可靠性和稳定性要求非常之高。而以c s 结构开发监视和控制软件更能满 足这种可靠性和稳定性，因为其存在时间相当长，结构非常成熟，也为更多人员 所熟练。因此，从系统可靠性和稳定性方面考虑，以c s 结构开发出的集矿机控 制软件更符合集矿机监视和控制需求。同时本课题中，远程操控者需要借助 i n t e m e t 监视和控制深海集矿机。i n t e r n e t 中时延的不可估和随机性都会影响到监 控性能，严重时可能导致监控系统崩溃，控制品质极差。而c s 可以客观地减小 这种影响。因为它结构只有两层，可以减少处理时延，从而减少集矿机远程控制 系统整体时延。虽然微小，但不可轻视，因为集矿机控制系统对时延非常敏感。 因而，从监控系统时延影响方面考虑，c s 结构更符合集矿机基于i n t e m e t 控制系 统试验平台实际情况。同时因为集矿机陆上监控中心承接不同操作者从不同地点 的连入，其监控中心数据库服务器工作将非常忙碌。c s 结构可把部分工作分配 给远端客户计算机，这样可以减小监控中心负担【27 1 。 根据上面的分析，c s 结构似乎又显示了其超强的能力。但集矿机基于i n t e m e t 的远程监控系统试验在深湖中进展。为了观察i n t