基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计与关键技术研究

摘要

煤炭是我国的主要能源，受我国煤矿复杂地形限制，矿难频发。现有煤矿井下安全监控系统所存在的缺陷和不足，已成为制约煤矿安全生产水平的瓶颈问题，设计一套能够满足煤矿安全需求的井下安全综合监控系统十分必要。近年来无线通讯技术和无线传感器网络技术的迅速发展，为研发下一代的煤矿安全综合监控系统提供了技术基础。无线传感器网络具有结构灵活、自组织、多跳等特点，适用于恶劣环境，是弥补目前井下监控系统缺陷的有效工具。
　　 本文通过对我国2003年4月至2009年12月间发生的221起重特大煤矿安全事故的分析和事故诱发原因的统计，借助这些实际事故数据，根据煤矿安全事故产生的必备条件，采用层次分析方法(AHP)建立了瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、顶板事故、透水事故四类典型事故的失信模型。并在煤矿失信因素分析的基础上，结合煤矿安全监控系统的现状和无线传感器网络技术的发展趋势，提出了基于无线传感器网络技术的由传感与检测系统、安全信息网络与通讯系统、安全管理信息系统、安全预警决策与决策支持系统以及救援信息保障系统组成的煤矿井下安全综合监控系统设计方案，针对煤矿安全综合监控系统中两个关键性支撑技术：无线传感器网络节点定位和路由技术展开了研究。在理论研究的基础上基于CC2430/CC2431节点设计、实现了一个无线传感器网络定位原型系统，并在模拟矿井中利用该原型系统对本文提出的改进RSSI定位算法的性能进行了测试。围绕这些内容所进行的工作和取得成果如下：
　　 1、针对煤矿井下静止节点的定位问题，通过对传统RSSI定位方法的分析，发现由于传统RSSI定位算法中路径衰落指数通常取固定的常数值，无法反映井下环境对无线信号的影响程度，是导致RSSI定位算法在井下的定位精度较差的原因。本文结合巷道内信标节点链式部署的特点，提出了一种基于信标节点间距离和信号强度值动态计算巷道各处的真实路径衰落指数的方法，并在此基础上提出了一种基于动态路径衰落指数的改进RSSI定位算法。仿真结果表明，在相同的环境下，该算法定位精度优于RSSI定位算法，能够满足井下人员定位的要求。
　　 2、受井下恶劣条件和节点有限能量的影响，井下无线传感器网络经常会出现节点失效的情况，使得巷道内覆盖不足，定位节点由于无法收集到足够的定位辅助信息而无法完成自身的定位，需要借助一些其它的辅助信息完成节点定位。井下狭小而封闭的空间限定了定位结果只能落在这个封闭空间内，网络中信标节点的分布及网络的连通性信息也有助于消除一些冗余的定位结果，本文在此基础上提出了一种服务器端基于地理信息的辅助定位方法，针对井下节点定位过程中不同的节点覆盖度，借助于井下巷道地理信息和信标节点的分布信息，实现覆盖度不足情况下的节点定位，提高节点定位的精度。
　　 3、针对井下移动节点的定位问题，通过对巷道内移动节点的移动过程分析发现，受井下信标节点链式部署特点的影响，移动节点在移动过程中所感知到的一跳信标节点的质心与移动节点保持着相同移动的趋势，且在位置上较为接近，在质心点附近采样，可以大大提高采样的成功率。本文在此基础上提出了一种基于质心盒子的蒙特卡洛定位方法，通过定义一个质心盒子缩小采样范围，以提高采样的成功率，并最终提高移动定位的精度。仿真结果表明该算法比蒙特卡洛定位方法和基于锚盒子的蒙特卡洛定位方法更适应于井下巷道内的移动节点定位。
　　 4、针对井下巷道内节点路由问题，通过分析井下巷道内线型、网状和团型三种应用场景的特点，分别提出相应的路由策略。针对线型场景中监测区域狭长的特点，基于分区成簇、簇头成链的思想提出了一种适用于狭长结构网络的基于位置的分簇路由(PBCR)协议；针对网状场景提出了一种动态最小能耗中继路由(DMERR)算法，动态调整信标节点的通信距离，以达到降低信标节点通讯能耗的目的；针对团型场景中信标节点和移动节点能量水平不平衡的特点，提出了一种基于位置估计的井下路由(PEBHR)协议，由井下巷道内的移动节点承担主要的数据转发任务，降低信标节点的能耗，延长网络生存时间。仿真实验分别说明了这三种算法的有效性，能够适应不同场景下井下无线传感器网络的路由需求。