基于無線傳感器的桂西煤礦安全監(jiān)測及定位研究 *

程麗玲

(百色學院 數(shù)學與計算機信息工程系，廣西 百色 533000)

目前，由于國內外的無線傳感器運用于煤炭開采行業(yè)的井下人員定位系統(tǒng)普遍存在成本高、能耗大、檢修難度大等缺憾，在煤礦開采的安全控制方面，我國還有待提高。為此，我們必須建立完善的無線傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)，確保在事故發(fā)生時能夠確定井下人員的位置信息，及時搶救傷員。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)通過在監(jiān)測區(qū)域內布置大量無線傳感器節(jié)點，每個節(jié)點均具備感知能力、信息處理能力和無線通信能力，在煤礦安全管理方面，具有顯著的實用優(yōu)勢。

無線傳感器網(wǎng)絡是一種由空間上分散的傳感器節(jié)點構成、大規(guī)模、無線自組織、多跳、無分區(qū)和無基礎設施支持的網(wǎng)絡。在無線傳感器網(wǎng)路中，每個傳感器稱之為一個節(jié)點，其中位置信息已知的節(jié)點稱為信標(Beacon)節(jié)點或者是錨(Anchor)節(jié)點，位置信息未知的節(jié)點稱為未知節(jié)點。每個傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，集通信、嵌入式計算和傳感器感知功能于一體，各個傳感器節(jié)點之間通過互相協(xié)作來實現(xiàn)各種各樣的功能，如監(jiān)測、定位、追蹤、控制等。無線傳感器網(wǎng)絡擴展了人們獲取信息的能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡連接在一起，具有十分廣闊的應用前景，目前已成為計算機科學領域的研究熱點之一。

一、基于無線傳感器的桂西煤礦安全監(jiān)測

由于放頂煤工作面一次采全高、產(chǎn)量大、瓦斯的絕對涌出量增加，容易導致瓦斯超限以及潛在的瓦斯災害，瓦斯問題成為制約放頂煤技術在我國推廣應用的一個重要問題。近年來，通過對綜放工作面瓦斯來源分析、瓦斯涌出特征分析、影響瓦斯涌出量的因素分析等工作，提出以瓦斯抽放、巷道排放為主，優(yōu)化通風、加強監(jiān)控監(jiān)測及日常管理的綜放工作面瓦斯治理措施，并取得了明顯成效。在瓦斯預測、瓦斯異常帶超前判識，尤其是在瓦斯抽放相關技術研究及應用方面，取得了長足進步。

當支架支撐在頂?shù)装彘g時，支架一般是不存在傾倒的問題。支架傾倒的先決條件是側向力的作用。在支架的上方冒空時，頂板失去完整性，上部頂板有向下移動的空間。頂板垮落時對支架施加一個側向力使支架傾倒，側向力很大一部分是由巖石之間進行平衡，作用在支架上的只是一小部分。此時，不等于沒有側向力。這種側向力不能簡單地用合力的正壓力與摩擦系數(shù)相乘而得，因為支架沒有與圍巖發(fā)生相對運動。一般這種側向力只有根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計規(guī)律確定。支架在下滑時前后端的下滑特性也不同。受力狀態(tài)的差異及后部放煤與冒落矸石的下向沖擊等，會產(chǎn)生支架前后擺動，對于放頂煤開采而言，支架的前部載荷大于后部，據(jù)相關工作面統(tǒng)計，一般放頂煤開采的工作面前柱工作阻力大于后柱阻力10%～15%，有時甚至出現(xiàn)后立柱受拉現(xiàn)象。因此，支架前部頂梁對頂板具有較大的摩擦力，而后部的摩擦力則較小，如果后部頂煤放空，直接頂冒落不及時，將使支架后部穩(wěn)定狀況更加惡化，極易發(fā)生扭轉下滑。其次，在頂煤放出過程中，相對于支架中心線而言，上部放出的煤體多于下部。同時，頂煤流動過程中，會產(chǎn)生沿傾斜方向的分力。在后部刮板輸送機運煤過程中，由于部分大塊煤或個別大塊矸石在放煤口的擁擠或堵塞，也會產(chǎn)生向下的作用力，這些因素的綜合作用，易于使支架后部產(chǎn)生下滑或歪斜?？紤]到安全系數(shù)，在工作面傾角為20°以內時，支架不會傾倒；大于20°時，支架就會有傾倒的趨勢，應設置防倒千斤頂。防倒千斤頂?shù)奈恢脩谇昂罅⒅虚g部位的頂梁上。

最后，實時監(jiān)測頂板來壓、端面頂板冒落及煤壁片幫情況。根據(jù)分析，對于大傾角工作面言，工作面中下部支架承受較大的靜荷載作用，一般情況下雖然綜放工作面基本頂來壓不明顯，但由于冒落矸石的下滑，工作面上部支架頂部可能形成空洞情況，頂板來壓會對支架形成沖擊。因此，一定要保證工作面支架的初撐力，避免基本頂超前斷裂，以免形成基本頂臺階下沉事故。由于頂板斷裂成弧形，中部支架可能較早承受來壓影響，需進行實時監(jiān)測和分析。嚴格執(zhí)行四個“從下往上”的工藝措施，即從下往上斜切進刀單向割煤，從下往上單向推移輸送機，從下往上移架和從下往上順序放煤。采煤機從下往上割煤，雖然增加了牽引的困難，但卻是實現(xiàn)從下往上單向推移輸送機，從下往上移架所必須的，必須嚴格執(zhí)行。為防止采煤機下滑，需加裝防滑保險鋼絲繩。

二、基于無線傳感器的桂西煤礦安全定位算法及其實現(xiàn)

(一)算法介紹

經(jīng)過近10年的發(fā)展，研究人員提出了許多無線定位算法來解決各種各樣的問題，其中DV-Hop算法是其中較為經(jīng)典的算法：DV-Hop(Distance Vector-Hop)算法是一種不基于測距的分布式絕對定位算法，其定位機制類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的距離矢量路由機制，整個定位過程分為三個步驟，分別如下：

1.計算未知節(jié)點與每個錨節(jié)點之間的最小跳數(shù)

錨節(jié)點向周圍鄰居節(jié)點廣播自身的位置信息，其中包括跳段數(shù)，初始化為0°接收節(jié)點收到消息之后記錄到每個錨節(jié)點的最小跳數(shù)，忽略來自同一個錨節(jié)點的包含較大跳數(shù)的消息，然后將跳數(shù)值加1并轉發(fā)給鄰居節(jié)點。這樣網(wǎng)絡中所有節(jié)點都能夠記錄下到每個錨節(jié)點的最小跳數(shù)。

2.計算未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的實際跳段距離

每個錨節(jié)點根據(jù)第一步中記錄的其他錨節(jié)點的位置信息和它們之間的跳數(shù)計算沒跳的平均距離，其計算公式如下：

其中 (Xi,Yi,Zi)和 (Xj,Yj,Zj)分別是錨節(jié)點i和j的坐標，hj是錨節(jié)點i和j之間的跳數(shù)。

之后，錨節(jié)點將計算出的每跳平均距離廣播給周圍節(jié)點，其中廣播消息帶有生存期字段，未知節(jié)點在收到消息后記錄下每跳平均距離，并把消息轉發(fā)給鄰居節(jié)點，同時忽略之后收到的包含每跳平均距離的消息。之后，未知節(jié)點根據(jù)跳數(shù)和每跳平均距離計算到各個錨節(jié)點的距離。根據(jù)第二步的計算結果，未知節(jié)點利用三邊或多邊測量法可計算出自身的坐標。

圖1 DV-Hop算法的示意圖

在圖1中，假設L1，L2，L3為錨節(jié)點，經(jīng)過第一和第二步之后能夠計算出三個錨節(jié)點之間的實際跳數(shù)和距離，則 L2計算的每跳平均距離為 (40+75)/(2+5)。假設未知節(jié)點A從L2 獲得每跳平均距離，則節(jié)點 A到三個錨節(jié)點之間的距離分別為L1：3×16.42,L2：2×16.42,L3：3×16.42,，最后可利用三邊測量法計算出坐標。

(二)定位實現(xiàn)

就單個煤礦來講，生產(chǎn)全過程都是地下作業(yè)，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)地點比較分散，且受生產(chǎn)工藝、工序的影響不能隨意上下，這就給真正落實煤礦井下勞動定員帶來了困難。就整體煤礦來講，煤炭行業(yè)管理部門區(qū)域內的所有煤礦地點分散偏僻、生產(chǎn)條件、技術裝備等差異很大，這給監(jiān)督執(zhí)法帶來了困難。因此，必須利用高科技手段，建立煤礦井下人員監(jiān)測定位系統(tǒng)并實現(xiàn)全省、全國聯(lián)網(wǎng)，大大提高全省、全國煤礦井下勞動定員的管理水平。建立煤礦井下人員監(jiān)測定位管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對煤礦井下作業(yè)人員進出的有效識別和監(jiān)測監(jiān)控，通過研究作業(yè)人員在生產(chǎn)過程中的狀態(tài)，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)、工序進行流程再造；根據(jù)各道作業(yè)工序的時間消耗，制定科學先進的勞動定額定員標準。對提高煤礦井下勞動定員管理、生產(chǎn)管理、安全管理水平將發(fā)揮重要作用。

在當今以計算機為中心的網(wǎng)絡信息時代，為了加強煤礦井下人員管理，提高礦井綜合管理水平，以信息和知識資源的開發(fā)利用為核心，結合煤炭工業(yè)實際需要，將電子技術、自動測量技術、自動控制技術、射頻技術和軟件技術有機結合，研發(fā)適應煤礦井下環(huán)境使用的具有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)遠距離傳輸井下人員定位、跟蹤、考勤和管理功能的煤礦井下人員考勤及跟蹤定位管理系統(tǒng)就顯得日益緊迫和必要。

1.考勤功能

能夠準確統(tǒng)計煤礦職工的入井、升井時間，可按班次按部門按工作區(qū)域生成日考勤、月考勤統(tǒng)計報表，并隨時可查詢各工作區(qū)域如大巷、采區(qū)、工作面和相關地點的作業(yè)人員人數(shù)和相關檔案資料。

2.定位功能

能夠對井下職工的分布情況分區(qū)域實時監(jiān)測。能夠用不同標識模擬圖形或顏色，數(shù)據(jù)動態(tài)，實時顯示井下各類人員狀況和分布情況，并能動態(tài)顯示井下人員的當班活動模擬軌跡。

3.關鍵崗位監(jiān)控

系統(tǒng)能對干部下井情況(特別是四點班、零點班的情況)進行有效監(jiān)督，領導在辦公室通過電腦或在調度室大屏幕就可以看到應下井干部是否下井，在世界任何地方出差，通過互聯(lián)網(wǎng)也可以了解干部下井情況。

三、結論

基于無線傳感器的桂西煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠及時、準確地將井下各個區(qū)域人員及設備的動態(tài)情況反映到地面計算機系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員、設備的分布狀況和每個礦工的運動軌跡，以便于進行更加合理的調度管理。當事故發(fā)生時，救援人員也可根據(jù)井下人員及設備定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。