基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及可靠性保障機(jī)制分析

(華北科技學(xué)院 河北 廊坊 065201)

引言

煤礦重大、特大事故的不斷發(fā)生給社會(huì)帶來(lái)了許多不良影響。雖然現(xiàn)狀已經(jīng)有一些煤礦開始配備一些安全監(jiān)控系統(tǒng)，但是當(dāng)前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題，主要有：(1)井下現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)有線傳輸；(2)各類監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)量有限，不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋；(3)生產(chǎn)條件惡劣，信號(hào)存在誤差；(4)信息處理技術(shù)落后，識(shí)別過(guò)程中經(jīng)常存在判決誤差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大災(zāi)害隱患等情況[1-3]。

一、研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)根據(jù)實(shí)際情況先后研發(fā)了KJ70型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、U90型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)、WMIS煤礦安全生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始大面積使用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 我國(guó)煤礦常用的安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

KJ82和KJ122等基于以太網(wǎng)的礦井綜合安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在煤礦產(chǎn)業(yè)得到廣泛使用，但這些系統(tǒng)仍然存在擴(kuò)展性不夠、靈活性低和覆蓋面積小等方面的不足。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的出現(xiàn)給煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了新思路，其特有的優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)展簡(jiǎn)便、放置靈活、自組織、移動(dòng)性強(qiáng)等，對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行信息的集成、融合和決策提供了可能。但是，由于WSN工作環(huán)境的特殊性，現(xiàn)有的研究成果并不能直接應(yīng)用，要重新研究WSN的控制算法、通信標(biāo)準(zhǔn)、組網(wǎng)形式等內(nèi)容。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)需求分析

任何系統(tǒng)在開發(fā)之前都要進(jìn)行系統(tǒng)需求分析，本文設(shè)計(jì)的煤礦作業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面控制中心組成。井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，來(lái)達(dá)到對(duì)井下環(huán)境參數(shù)測(cè)量的目的。該系統(tǒng)布置環(huán)境具有相當(dāng)?shù)奶厥庑裕虼?，新設(shè)計(jì)的煤礦作業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足以下要求：1.抗干擾能力強(qiáng)；2.網(wǎng)絡(luò)生命周期長(zhǎng)；3.外網(wǎng)通信接口；4.自組織網(wǎng)絡(luò)的能力強(qiáng)；5.節(jié)點(diǎn)種類多樣，功能各異。

(二)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)復(fù)雜的井下環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種適用于進(jìn)行煤礦井下作業(yè)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要組成部分：1.關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：分巷外節(jié)點(diǎn)、巷道內(nèi)節(jié)點(diǎn)。兩種節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用時(shí)，巷道內(nèi)節(jié)點(diǎn)只開啟無(wú)線通信功能，而巷道口和主巷道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)則開啟有線和無(wú)線兩種通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)匯聚得數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)的交換。2.傳感器節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送給鄰近節(jié)點(diǎn)，最后匯聚到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

(三)傳感器節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)

1.節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要工作是負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集、傳輸，由處理器模塊、傳感器模塊。電源模塊和無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成。具體設(shè)計(jì)如圖6所示：

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

2.節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。作為一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支持平臺(tái)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件功能具體設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

(四)基站設(shè)計(jì)

基站負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)傳輸，考慮基站需求，基站具體設(shè)計(jì)圖8所示，兼容了存儲(chǔ)、報(bào)警及供電類型檢測(cè)等功能。

圖8 基站設(shè)計(jì)框圖

三、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性保障機(jī)制與分析

(一)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可靠性保障機(jī)制與分析

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如果簇頭節(jié)點(diǎn)失效，將導(dǎo)致簇中感知節(jié)點(diǎn)采集的所有數(shù)據(jù)丟失，這將對(duì)系統(tǒng)的可靠性造成嚴(yán)重的影響[16]。如果一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，普通節(jié)點(diǎn)重新選擇其他的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交付，不僅對(duì)失效簇中的節(jié)點(diǎn)來(lái)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而且對(duì)欲加入的簇來(lái)說(shuō)，如何處理新加入的節(jié)點(diǎn)，也是一項(xiàng)不容易的任務(wù)。解決這種情況的一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法是采取簇頭節(jié)點(diǎn)的備份冗余，如圖9(b)、9(c)所示，圖9(a)為單個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，圖9(b)、9(c)為簇頭節(jié)點(diǎn)組。當(dāng)一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，另一個(gè)備份的簇頭節(jié)點(diǎn)接替工作，不僅降低了路由尋徑的開銷，也降低了其他簇頭節(jié)點(diǎn)控制的復(fù)雜性。

由于每側(cè)墻壁上的簇頭節(jié)點(diǎn)是以鏈?zhǔn)椒绞较噙B，它們所形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖9(a)所示。因此，如若某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障則這個(gè)節(jié)點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)很難交付，采取簇頭節(jié)點(diǎn)冗余備份后，鏈路結(jié)構(gòu)如圖9(b)、9(c)所示，此時(shí)每個(gè)簇頭不再是單個(gè)的故障體，而是一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)組，每個(gè)組中包含兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。采用這種機(jī)制后，當(dāng)個(gè)別節(jié)點(diǎn)失效依然可以保證通信鏈路的連通性。

(a)單個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn) (b)簇頭節(jié)點(diǎn)組 (c)節(jié)點(diǎn)組某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效

(1)

(二)基站可靠性保障機(jī)制與分析

如果單從提高系統(tǒng)可靠度的角度來(lái)說(shuō)，基站系統(tǒng)宜采用兩個(gè)基站的方式。在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)和任意基站傳輸子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)基站繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，從而保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高度可靠性。

與傳感器節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)不同，基站和通信方式只需有且只有一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行即可，不需要兩個(gè)基站和通信方式同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)基站或是通信方式故障時(shí)直接切換到另一個(gè)繼續(xù)工作即可。由分析知基站內(nèi)部系統(tǒng)冗余系統(tǒng)符合熱備冗余的特點(diǎn)，因此本論文需要通過(guò)建立動(dòng)態(tài)故障樹與馬爾可夫鏈相結(jié)合的方法如圖10所示，來(lái)求解基站系統(tǒng)的可靠度。

圖10 動(dòng)態(tài)故障樹模型對(duì)應(yīng)的馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

依據(jù)馬爾科夫二次狀態(tài)轉(zhuǎn)移公式得到頂事件的故障發(fā)生概率為：

(2)

假設(shè)基站的失效率為λJ，切換裝置的失效率為λQ，則冗余后基站的失效率為λZJ=λJ+λQ，那么基站的可靠度為：

r′=2e-λ1t-e-2λ1t

(3)

(三)數(shù)據(jù)傳輸可靠性保障機(jī)制與分析

在煤礦作業(yè)環(huán)境等基于物聯(lián)網(wǎng)的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控中，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)域與地面監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑?，在地面基站采用包括GPRS、3G、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、微波、衛(wèi)星傳輸?shù)?。這些通信在傳輸形式、費(fèi)用、帶寬等都大不相同，在時(shí)間部署時(shí)要根據(jù)監(jiān)測(cè)煤礦的實(shí)際通信狀況再考慮其費(fèi)用、可靠性等條件，選擇同時(shí)用三種不同的傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高地面基站向監(jiān)控中心傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂嗖⒙?lián)結(jié)構(gòu)，即為：基站1和基站2之間相互冗余，通信方式1和通信方式2相互冗余，冗余后的基站和通信方式再串聯(lián)起來(lái)。如圖11所示：

圖11 具有三冗余和重傳功能的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

假設(shè)煤礦環(huán)境無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域網(wǎng)關(guān)可靠性為rs、信息傳輸和反饋可靠性均為rm、地面管理中心網(wǎng)關(guān)的可靠性為rr，并假設(shè)當(dāng)傳輸失敗后成功啟動(dòng)重傳系統(tǒng)的概率為c，那么整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的第k次重傳可靠性為：

(4)

則，基站-數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性為：

RJS=rkr′=(2e-λ1t-e-2λ1t)[rk-1(1-crmr0)+crmr0]

(5)

(6)

四、總結(jié)

1.對(duì)煤礦進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并重點(diǎn)介紹了基站和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2.研究了提高基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的相關(guān)機(jī)制，一方面在討論井下傳感器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)重要性的基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行備份冗余，另一方面考慮地面基站以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑢?duì)基站進(jìn)行動(dòng)態(tài)失效分析，進(jìn)行并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)；對(duì)數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行三冗余數(shù)據(jù)重傳的方式，來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3.從理論分析來(lái)看，本文中所提出的方法對(duì)提高煤礦安全監(jiān)測(cè)的拓?fù)淇煽啃跃哂酗@著效果。

4.本文所提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍處于模擬仿真階段，研究的目的是將該系統(tǒng)及可靠性保障機(jī)制應(yīng)用于將來(lái)煤礦安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控等方面。