基于礦山安全預警的無線傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化研究

胡潔

摘要：針對礦山井下的生產(chǎn)的情況復雜、環(huán)境惡劣的特點，建立基于礦山安全預警的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，并對井下的無線傳感器網(wǎng)絡建立多路由通信機制，對網(wǎng)絡進行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的無線傳感器網(wǎng)絡可找到多條不相交最短路徑，提升礦山安全預警系統(tǒng)的實時性和有效性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡 礦山安全預警 多路由

我國疆域遼闊、成礦地質(zhì)條件優(yōu)越、礦種齊全配套、資源總量豐富，礦物能源對我國的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展有特別重要的戰(zhàn)略意義。據(jù)統(tǒng)計，僅2012年，我國采礦業(yè)總產(chǎn)值7.99萬億，占GDP的14%;全國采礦業(yè)從業(yè)人員631萬人，占城鎮(zhèn)就業(yè)人員的1.66%;煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中一直占67%左右的比重，預計到2050年仍將占50%以上的比重。但與此同時，近年來因礦山開采造成的各類安全事故仍然居高不下，礦山生產(chǎn)從業(yè)人員的死傷率一直高居全行業(yè)第一[1]。礦山開采安全問題已成為制約我國工業(yè)能源發(fā)展的一道“瓶頸”。

礦山安全預警是指通過對采礦作業(yè)中的某個系統(tǒng)或幾個系統(tǒng)的異常實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)安全隱患并即時上報，利用警報系統(tǒng)將安全事故根除的系統(tǒng)[2]。近年來，隨著信息技術(shù)的突飛猛進，礦山信息化程度也日益提高提高，基于無線傳感器網(wǎng)絡的傳感互聯(lián)裝置被逐漸應用在礦山安全監(jiān)測中來。無線傳感器網(wǎng)絡（ Wireless SensorNetwork，WSN）[3]是由大量部署在網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點以多跳通信的方式形成一個自組織網(wǎng)絡，實時感地知、采集、處理網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域中各類信息[4]。傳統(tǒng)的礦山安全監(jiān)測網(wǎng)絡是以工業(yè)總線布置，隨著開采進程的延伸，監(jiān)測點隨之增多，會出現(xiàn)監(jiān)測盲點，數(shù)據(jù)采集不齊全，布線成本上升等諸多問題。而基于礦山安全預警的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、自組網(wǎng)的特點，該技術(shù)在礦山井下安全生產(chǎn)中必定會占有一席之地。

1.礦山安全預警無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

基于礦山安全預警的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和控制中心三大部分組成。部署在礦山井下的各類傳感器節(jié)點負責收集各種的參數(shù)，例如，CO、粉塵、溫度、濕度、C02、02、振動等監(jiān)測數(shù)據(jù)，以特定的路由協(xié)議傳至坑道上的匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過傳輸網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至地面上的中央控制中心，由控制中心對數(shù)據(jù)進行分析比較，一旦當監(jiān)測數(shù)據(jù)超出安全范圍后，啟動報警系統(tǒng)，可以有效的避免事故的發(fā)生，有力的保障井下開采人員的生命安全。

2.礦山安全預警無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議

礦山井下環(huán)境中地形復雜、作業(yè)區(qū)域廣，WSN節(jié)點間的通信容易受工作環(huán)境、信號干擾和能量有限等因素的影響，節(jié)點的故障是不可避免的，這導致無線傳感器網(wǎng)絡在礦山安全預警中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，預警不及時的情況。而目前無線傳感器網(wǎng)絡的研究在動態(tài)性、自適應性、可靠性和抗毀性等方面還存在一些不足。因此，針對礦山安全預警的特殊環(huán)境，有必要建立一種高容錯的多路由WSN，防止入侵行為、節(jié)點故障及電池耗竭等因素對無線傳感器網(wǎng)絡造成的惡劣影響，降低因節(jié)點失效而導致數(shù)據(jù)丟失的概率，提高礦山安全監(jiān)測和預警的準確性、及時性。

2.1多路由機制

提高無線傳感器網(wǎng)絡可靠性的方法之一是建立高容錯的多路由機制。通過在網(wǎng)絡中兩個或多個不相交路徑上給定節(jié)點對之間的流量路由。這樣，如果一個節(jié)點或一個鏈路在其中一個不相交路徑上失敗，網(wǎng)絡會自動找到可替代的路由，依然可以保證數(shù)據(jù)流量的有效傳輸。針對多路由機制，目前相關(guān)研究人員已經(jīng)開展了大量的研究工作。王文峰等人[5]在具有移動節(jié)點的網(wǎng)絡中，提出一種基于區(qū)域劃分的不相交多路由算法，以解決路徑失效的問題，但該算法僅適用于密集網(wǎng)絡。Kashyap等人[6]通過增加中轉(zhuǎn)節(jié)點以提高網(wǎng)絡骨干網(wǎng)容錯能力，趙磊靜等[7]基于局部最小生成樹算法提出網(wǎng)絡容錯拓撲控制算法，這些工作在一定程度上可以提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，但時間復雜度過高。文獻[8]提出一種基于信息重構(gòu)的多路由數(shù)據(jù)傳輸算法，該算法通過網(wǎng)絡中的設置中間節(jié)點，來抵御攻擊，以保證通信路由的正常傳輸，但該算法信息重構(gòu)的過程較為復雜，且計算量較大。我們通過幾何與圖論的方法，通過對經(jīng)典Dijkstra算法提出一些改進，以建立從源點到匯點的多條不相交路徑，并且路徑最短。

由于大多數(shù)網(wǎng)絡是雙向的，我們用一組頂點和連接這些頂點的邊來表示一個無線傳感器網(wǎng)絡。除非另有說明，否則我們將假設沒有多條邊（同一對節(jié)點之間的兩個或多個鏈接）。圖2是由7個節(jié)點和12條邊組成的雙向網(wǎng)絡示例，我們以s為源頂點，t為目標頂點。每條邊等于兩條反向的有向弧，每條弧長等于邊長，這里邊長的一般含義表示為網(wǎng)絡中邊（或鏈接）的物理長度，也可以表示在數(shù)據(jù)傳輸中使用邊的成本等。在一對頂點之間的路徑或路由是連接它們的一系列弧。在搜索一對給定頂點之間的不同路徑時，通常希望找到一組路徑，它們的和是最小的例如如果一條邊的長度是該物理鏈路上的通信距離，那么最優(yōu)路徑集合在這對節(jié)點之間通信距離最小。類似地，如果圖中鏈接的長度表示沿著該鏈接提供服務的成本，那么最優(yōu)路徑集表示不同的路由，在這些路由上，不同的服務提供成本將是最小的。

頂點不相交最短路徑算法分為以下八個步驟：

①初始化，將源頂點s記為集合U，除源頂點之外的其它頂點記為集合Z。

②從源頂點s的鄰接頂點中選擇下一跳頂點，并且路徑最短，否則重新選擇。將選擇的最短路徑鄰接頂點歸人集合U，剩余未選中的頂點歸人集合Z。

③從已選的頂點中繼續(xù)選擇下一跳頂點，并且路徑最短，選中的頂點歸人集合U，剩余未選中的頂點歸人集合Z。

④下一跳頂點為t時，找到最短路徑。

⑤用指向源頂點的負向邊替換最短路徑上的每條邊。

⑥分裂最短路徑上的每個頂點。

⑦修改圖，回到步驟①再次尋找最短路徑。

⑧合并分裂頂點，得到另一條頂點不相交最短路徑。

2.2仿真實驗分析

我們以Matlab仿真平臺對算法進行仿真，在25m*3m的矩形區(qū)域內(nèi)隨機部署25個傳感器節(jié)點模擬礦山井下狹長的工作環(huán)境，節(jié)點間的通信距離為lOrn。得到WSN的兩條不相交最短路徑如下。圖3得到第一條不相交最短路徑pl-{2，21，17，14，10，22}，路徑長度為5。圖4得到第二條不相交最短路徑p2={2，21，26，28，1O，29，22}，路徑長度為6。兩條不相交路徑除了源頂點和目標頂點外沒有共同的頂點。仿真結(jié)果表明，頂點不相交最短路徑算法可以找到兩條以上頂點不相交路徑，在無線傳感器網(wǎng)絡某些節(jié)點死亡后，算法可以找到替代的路由，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與時效性，同時生成的路徑最短，使通信成本最低。

3.結(jié)論

本文主要針對礦山井下的特殊環(huán)境，考慮當傳感器節(jié)點發(fā)生能量耗盡，位置變化，或人為破壞等情況后，以通過多路由機制生成節(jié)點間多條不相交路徑，對基于礦山安全預警的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了優(yōu)化，同時，生成路徑最短，最大化地節(jié)約了網(wǎng)絡節(jié)點間的通信成本。仿真結(jié)果表明，我們的算法可以構(gòu)建容錯的WSN路由，保證了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)和發(fā)展，較好的適應了礦山井下開采的惡劣環(huán)境，使礦山安全預警更加智能化、高效化。

參考文獻

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