煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步技術(shù)綜述

袁亮， 陳珍萍

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.蘇州科技大學(xué) 電子與信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)是智能礦山應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能礦山建設(shè)需要首先突破的課題[1]。煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知的諸多應(yīng)用，如節(jié)點(diǎn)定位、數(shù)據(jù)融合等，都要求參與的節(jié)點(diǎn)擁有一致的時(shí)間，因此，精確時(shí)間同步是礦山協(xié)同檢測(cè)的前提，是實(shí)現(xiàn)智能礦山的時(shí)間基礎(chǔ)[2]。

煤礦井下空間的諸多特性，如地形狹窄冗長(zhǎng)、巷道表面不平整等，會(huì)造成同步誤差累積效應(yīng)大、信號(hào)傳輸可靠性差，給無線節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步技術(shù)研究帶來了很大挑戰(zhàn)。本文在分析現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法的基礎(chǔ)上，闡明了煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層對(duì)時(shí)間同步性能的特殊需求；給出了煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步方法的研究進(jìn)展；從層次型拓?fù)鋭?dòng)態(tài)構(gòu)建、實(shí)時(shí)同步方法引入和虛擬通信鏈接構(gòu)造等角度，展望了煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步的研究方向。

1 物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步基礎(chǔ)

1.1 節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘模型

(1)

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘τi(t)不能隨意調(diào)整[4]。在設(shè)計(jì)時(shí)間同步方法時(shí)，需要為節(jié)點(diǎn)設(shè)置虛擬時(shí)鐘，并建立其與本地時(shí)鐘τi(t)的映射關(guān)系：

Ti(t)=αi(t)τi(t)+βi(t)=ωi(t)t+φi(t)

(2)

式中：Ti(t)為節(jié)點(diǎn)i在標(biāo)準(zhǔn)UTC(協(xié)調(diào)世界時(shí))時(shí)間t時(shí)刻的本地虛擬時(shí)鐘值；αi(t)和βi(t)為調(diào)整系數(shù);ωi(t),φi(t)分別為Ti(t)相對(duì)于真實(shí)時(shí)間t的速率和相位。

通過改變?chǔ)羒(t)和βi(t)的值，可以調(diào)整ωi(t)和Ti(t)，從而達(dá)到校正虛擬時(shí)鐘的目的。

1.2 同步信息交換模型

為實(shí)現(xiàn)感知層時(shí)間同步，需要在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間信息傳輸，估計(jì)出節(jié)點(diǎn)間的頻率和相位差異，并對(duì)自身的虛擬時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)在虛擬時(shí)鐘上的同步。時(shí)間同步信息傳輸方式有點(diǎn)播、組播和廣播3種，如圖1所示。圖1中，Tj(t)和Tm(t)分別表示節(jié)點(diǎn)j和m在t時(shí)刻的本地虛擬時(shí)鐘值,t1,t2表示不同時(shí)刻,syn為同步請(qǐng)求包,ack為應(yīng)答包。點(diǎn)播方式常用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的時(shí)間同步中，組播方式應(yīng)用在層次型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步中，而廣播方式則應(yīng)用在平面拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步中。

(a)點(diǎn)播

圖1中，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步信息傳輸時(shí)，受通信環(huán)境的影響，不可避免存在著傳輸時(shí)延。同步信息的傳輸時(shí)延是物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步的一個(gè)基本挑戰(zhàn)，直接使得節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘不可能絕對(duì)同步[5]。節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步問題，其實(shí)質(zhì)就是傳輸時(shí)延估計(jì)問題。

1.3 基礎(chǔ)時(shí)間同步方法

1.3.1 層次型時(shí)間同步方法

現(xiàn)有層次型時(shí)間同步方法主要采用2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：樹形結(jié)構(gòu)和簇結(jié)構(gòu)，以樹形結(jié)構(gòu)為主。以樹形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的時(shí)鐘同步協(xié)議中，代表性的有傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議(Timing-sync Protocol for Sensor Networks，TPSN)[6]、輕量級(jí)時(shí)間同步(Lightweight Time Synchronization，LTS)協(xié)議[7]、洪泛時(shí)間同步協(xié)議(Flooding Time Synchronization Protocol，F(xiàn)TSP)[8]等。以簇結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的同步協(xié)議中，最具代表性的為參考廣播同步(Reference Broadcasts Synchronization，RBS)[9]和成對(duì)廣播同步(Pairwise Broadcast Synchronization，PBS)協(xié)議[10-11]。

按照節(jié)點(diǎn)間信息交換機(jī)制不同，層次型時(shí)間同步方法又可分成為3種：發(fā)送端-接收端同步(Sender-Receiver Synchronization, SRS)、僅接收端同步(Receiver-Only Synchronization, ROS)和接收端-接收端同步(Receiver-Receiver Synchronization, RRS)。

圖2 SRS和ROS時(shí)鐘同步模型

圖3 RRS時(shí)鐘同步模型

1.3.2 分布式時(shí)間同步方法

分布式時(shí)間同步方法具有較強(qiáng)的魯棒性，得到了廣泛關(guān)注和大量研究。典型的分布式時(shí)間同步方法有反向螢火蟲算法(Reachback Firefly Algorithm，RFA)[12]和一致性時(shí)間同步方法[13-18]。

一致性時(shí)間同步方法的目標(biāo)是通過設(shè)置αi(t)和βi(t)的值，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)i的虛擬時(shí)鐘Ti(t)調(diào)整到一個(gè)共同時(shí)鐘。節(jié)點(diǎn)i在本地時(shí)鐘τi(t)為信息廣播周期的整數(shù)倍時(shí)進(jìn)行1次信息包廣播。廣播的信息包含有節(jié)點(diǎn)i的硬件時(shí)鐘τi(t)和(αi(t),βi(t))。一階一致性時(shí)間同步方法可以表述為

(3)

αi(t)=ρ(t)αi(t-1)+(1-ρ(t))ωij(t)αj(t-1)

(4)

(5)

根據(jù)αi(t)和βi(t)值，節(jié)點(diǎn)i按照式(2)調(diào)整虛擬時(shí)鐘。在多次狀態(tài)迭代后，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的αi(t)和βi(t)值趨于一致，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

一致性時(shí)間同步方法大多基于平均一致性理論，只能保證算法的漸近收斂性[19]，同步誤差是漸近收斂的，在誤差較小時(shí)收斂速度較慢。

2 煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)間同步方法的特殊需求

由于煤礦井下空間環(huán)境的特殊性，煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法除需考慮收斂性、同步精度等外，還需要考慮同步算法能量有效性、拓?fù)漪敯粜约翱蓴U(kuò)展性等指標(biāo)。

2.1 能量有效性

煤礦井下空間一般位于地表數(shù)百米以下[20]，煤礦井下感知節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電，能量有限且難以補(bǔ)充，因而，煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法應(yīng)具有較少的通信量、較長(zhǎng)的同步周期。此外，毫秒級(jí)的時(shí)間誤差就將導(dǎo)致數(shù)米甚至數(shù)十米的空間定位誤差，因此，精確時(shí)間同步是智能礦山綜合信息挖掘、安全隱患發(fā)現(xiàn)等的基礎(chǔ)條件[2]。煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法應(yīng)能在同步精度和同步能耗間折中。

2.2 拓?fù)漪敯粜?/h3>

煤礦井下巷道面為煤和巖層，表面粗糙不平，地表被煤渣和廢料覆蓋[21]，同時(shí)巷道中存在采煤支架、鋼軌、電纜、絞車等，煤礦井下無線通信環(huán)境差，無線信號(hào)傳輸存在多徑衰落現(xiàn)象[22]，信號(hào)傳輸距離短[23-24]。因此，節(jié)點(diǎn)間極易產(chǎn)生通信干擾和信道競(jìng)爭(zhēng)，信號(hào)傳輸可靠性差，感知層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法應(yīng)具有一定的拓?fù)漪敯粜浴?/p>

2.3 可擴(kuò)展性

煤礦井下巷道為分支結(jié)構(gòu)，呈樹形布置，分支長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千米甚至萬米以上，網(wǎng)絡(luò)直徑大，同步誤差累積效應(yīng)明顯[25]；同時(shí)，感知層網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模會(huì)隨著監(jiān)測(cè)任務(wù)的具體要求及節(jié)點(diǎn)的加入和死亡而發(fā)生改變。因此，煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法要能降低網(wǎng)絡(luò)直徑大引起的同步誤差累積效應(yīng)，并適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模改變所帶來的影響。

3 煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步研究現(xiàn)狀

目前，煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的研究成果主要集中在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、同步精度和同步能耗等方面。

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[2]通過剖析礦山智能感控的目標(biāo)對(duì)象、監(jiān)測(cè)參數(shù)與時(shí)間同步性問題，指出礦山精確時(shí)間同步的必要性，提出要充分顧及礦山傳感器、傳感網(wǎng)及反饋控制系統(tǒng)的性能，綜合利用衛(wèi)星同步、硬件同步和軟件同步技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展礦山精確時(shí)間同步機(jī)制與技術(shù)模式。

文獻(xiàn)[26]指出煤礦生產(chǎn)環(huán)境需要特殊感知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于RBS的改進(jìn)型IRBS算法。該算法假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中都有1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)廣播同步包給所有節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)接收并記錄同步信息的時(shí)間，簇首再?gòu)V播接收到的時(shí)刻給所有節(jié)點(diǎn)，并交換時(shí)間戳，實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。從文獻(xiàn)[26]給出的仿真結(jié)果可看出，改進(jìn)后的算法在能耗和時(shí)間延遲方面有了很大的提升。

為了解決井地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井下與地面監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)間不同步的問題，文獻(xiàn)[27]研制了一種GPS和IEEE1588協(xié)議聯(lián)合同步系統(tǒng)，其聯(lián)合時(shí)間同步原理如圖4所示,其中n為監(jiān)測(cè)分站個(gè)數(shù)。該系統(tǒng)分為地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)2種，地面設(shè)備主要用GPS授時(shí)方式同步，井下設(shè)備采用GPS時(shí)間服務(wù)器通過以太網(wǎng)IEEE1588協(xié)議同步，將GPS絕對(duì)時(shí)間導(dǎo)入到井下，實(shí)現(xiàn)井地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

圖4 GPS和IEEE1588聯(lián)合時(shí)間同步原理

3.2 同步精度

文獻(xiàn)[28]結(jié)合TPSN和RBS同步方法，在物理層附帶時(shí)間信息，用數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)晶振偏差補(bǔ)償，在實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步的同時(shí)大大降低了能耗。其分層算法與TPSN的分層算法相同，根節(jié)點(diǎn)視為0級(jí)，根節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播信息；收到信息的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為1級(jí)，各1級(jí)節(jié)點(diǎn)再依次向下發(fā)送廣播信息，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的分級(jí)工作。在時(shí)間同步方法的設(shè)計(jì)上，基于TPSN，結(jié)合RBS算法的優(yōu)勢(shì)，減少了節(jié)點(diǎn)間的信息交換量。

針對(duì)傳統(tǒng)TPSN算法存在線型網(wǎng)絡(luò)末端節(jié)點(diǎn)同步誤差較大的問題，文獻(xiàn)[29]提出了一種針對(duì)簇型線狀網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法，運(yùn)用分簇算法[26]、時(shí)鐘漂移補(bǔ)償和異常數(shù)據(jù)過濾等技術(shù)對(duì)時(shí)間同步進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)節(jié)點(diǎn)接收的大量時(shí)間戳，構(gòu)造回歸直線，處理器可以在誤差允許范圍內(nèi)根據(jù)回歸曲線進(jìn)行計(jì)算，以達(dá)到減少報(bào)文交互及能耗的目的。同時(shí)，采用最小二乘法求出節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏移并進(jìn)行同步補(bǔ)償。

針對(duì)井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特殊結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘不穩(wěn)定性對(duì)同步精度產(chǎn)生的影響，文獻(xiàn)[30]提出了一種基于最優(yōu)線性擬合的時(shí)間同步方法。該方法以TPSN為基礎(chǔ)構(gòu)造算法模型，假設(shè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包和應(yīng)答數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔較短，將接收數(shù)據(jù)包和應(yīng)答數(shù)據(jù)包的時(shí)間看作同一時(shí)間點(diǎn),建立一元線性回歸模型。通過同步數(shù)據(jù)包交互，節(jié)點(diǎn)可構(gòu)造出對(duì)應(yīng)時(shí)間-接收時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)，經(jīng)過多次信息交換可構(gòu)造回歸表。根據(jù)構(gòu)造的回歸表可估算出時(shí)鐘漂移和偏移，進(jìn)而可對(duì)節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償。

文獻(xiàn)[30]還提出了一種異常數(shù)據(jù)過濾方法，在一次同步過程中得到數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)，根據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間和回歸表中的數(shù)據(jù)估計(jì)出接收時(shí)間的預(yù)測(cè)區(qū)間，并判斷接收時(shí)間是否在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)，若在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)可信，并刷新回歸表；否則丟棄該數(shù)據(jù)點(diǎn)。

針對(duì)井下電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，結(jié)合經(jīng)典同步算法TPSN和RBS的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[31]提出了一種能量有效且滿足一定精度要求的算法RBTP(Reference Broadcast and Timing-sync Protocol)。該算法采用以等級(jí)廣播為基礎(chǔ)的單向廣播與雙向同步相結(jié)合的機(jī)制，在MAC層打時(shí)間戳，并采用最大似然估計(jì)及最小二乘法同時(shí)補(bǔ)償時(shí)鐘偏移和頻偏。

3.3 同步能耗

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的周期性活躍/睡眠問題，文獻(xiàn)[32]提出了一種考慮節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制的時(shí)間同步方法。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的工作周期主要由Tact和Tsleep參數(shù)決定，其中Tact為2種端設(shè)備采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段，Tsleep為睡眠周期。只要所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)相同，就能保證網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都同步地活躍和睡眠。選擇協(xié)調(diào)器作為參考節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的每個(gè)同步信息都會(huì)攜帶一個(gè)不同的序號(hào)，當(dāng)前后收到的同步信息序號(hào)相同時(shí)更新同步信息，不同則舍棄。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，若收到父節(jié)點(diǎn)的同步信息，則立刻進(jìn)入睡眠，在轉(zhuǎn)入活動(dòng)狀態(tài)的Tact時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送工作。利用分布式時(shí)間同步方法及足夠長(zhǎng)的Tact時(shí)間段，可以在同步信息廣播非同步轉(zhuǎn)發(fā)的情況下保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的同步工作。

圖5 基于占空比機(jī)制的時(shí)間同步方法

為解決礦井復(fù)雜環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度差、能耗大等問題，文獻(xiàn)[34]提出了一種煤礦井下時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(Time-Sensitive Network, TSN)分布式精確時(shí)間同步算法(Distributed Precise Time Synchronization, DPTS)。DPTS過程總共分為2個(gè)階段：第1階段根據(jù)傳遞時(shí)間戳信息計(jì)算時(shí)間偏差和頻率相對(duì)變化率；第2階段采用卡爾曼濾波修正噪聲誤差,并精準(zhǔn)預(yù)測(cè)時(shí)間偏差，實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步。在TSN匯聚層，選用通用精確時(shí)間協(xié)議算法實(shí)現(xiàn)Sink節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))間納秒級(jí)時(shí)間同步。主網(wǎng)絡(luò)采用基于卡爾曼濾波的優(yōu)化算法對(duì)頻偏和相偏進(jìn)行修正，次網(wǎng)絡(luò)采用基于廣播的單雙向混合同步算法修正時(shí)鐘信息。

4 煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步展望

現(xiàn)有面向煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間同步研究大多圍繞同步精度和同步能耗展開。如何針對(duì)煤礦井下通信環(huán)境和空間環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)一種對(duì)拓?fù)?、時(shí)延具有一定魯棒性的時(shí)間同步方法，是未來的研究重點(diǎn)。

首先，可考慮從拓?fù)鋭?dòng)態(tài)維護(hù)角度提高時(shí)間同步方法對(duì)拓?fù)涞聂敯粜?。由于煤礦井下空間環(huán)境的特殊性，物聯(lián)網(wǎng)感知層通信拓?fù)涑尸F(xiàn)狹長(zhǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間的通信關(guān)系很大程度上受空間長(zhǎng)度方面的影響。為減少網(wǎng)絡(luò)中的同步消息量，可對(duì)感知層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層分簇處理，生成一種層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示。圖6中，為每一層或簇選擇1個(gè)或多個(gè)成對(duì)同步(Pairwise Synchronization，PS)節(jié)點(diǎn)；在每一層或簇中，父節(jié)點(diǎn)或簇首節(jié)點(diǎn)與PS節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行SRS同步，其余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行ROS同步。同時(shí)，為均衡節(jié)點(diǎn)能量消耗，可基于節(jié)點(diǎn)剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑦x擇PS節(jié)點(diǎn)。

圖6 一種層次型感知層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其次，可考慮從通信拓?fù)涮摂M構(gòu)建角度提高一致性時(shí)間同步方法的收斂速度。一致性時(shí)間同步方法無法直接應(yīng)用到煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要原因是其算法收斂時(shí)間長(zhǎng)。為提高一致性時(shí)間同步方法的收斂速度，可引入虛擬鏈路[17-18]的概念，將接收信息轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)，以提高網(wǎng)絡(luò)連通度。2跳虛擬鏈接生成過程如圖7所示。圖7(a)中，節(jié)點(diǎn)i在Ti,1時(shí)刻廣播自身狀態(tài)信息(MSG1)，其通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)j在Tj,1時(shí)刻收到狀態(tài)信息后進(jìn)行1次轉(zhuǎn)發(fā)。如此，節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行狀態(tài)迭代時(shí)，其鄰居節(jié)點(diǎn)中增加了虛擬連接節(jié)點(diǎn)。通過引入狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，構(gòu)建了圖7(b)所示的節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)m間的虛擬鏈路，增大了網(wǎng)絡(luò)的代數(shù)連通度，可大幅提高一致性時(shí)間同步方法的收斂速度。

(a)基于消息轉(zhuǎn)發(fā)的信息廣播

最后，可從時(shí)間戳處理和矩陣補(bǔ)全角度提高時(shí)間同步方法對(duì)傳輸時(shí)延的魯棒性。由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要將發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳打包到發(fā)送信息中，造成了傳輸時(shí)延的不確定性。為降低傳輸時(shí)延的不確定性，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)、PS節(jié)點(diǎn))，可研究一種由待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)起的時(shí)間同步方法，具體同步過程如圖8所示。圖8中，節(jié)點(diǎn)i為待同步節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)j為父節(jié)點(diǎn)，時(shí)間同步和參數(shù)估計(jì)皆由節(jié)點(diǎn)i完成，這樣就免去了節(jié)點(diǎn)i發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)刻時(shí)間戳T1,k的打包過程。同時(shí)，為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)全局時(shí)間間隔Δ，節(jié)點(diǎn)j在T2，k時(shí)刻接收到同步請(qǐng)求包syn后延時(shí)Δ，在T3,k時(shí)刻發(fā)送應(yīng)答包ack，這樣可免去節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)刻時(shí)間戳的處理過程[35]。此外，針對(duì)數(shù)據(jù)包丟失和隨機(jī)延時(shí)問題，可在雙向信息交換中引入矩陣補(bǔ)全方法[36-37]，基于觀測(cè)到的信息對(duì)丟失信息進(jìn)行估計(jì)處理，從而提高時(shí)間同步精度。

圖8 由待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)起的時(shí)間同步方法

5 結(jié)論

(1)時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)智能礦山精準(zhǔn)感知的支撐技術(shù)，給出了物聯(lián)網(wǎng)感知層節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘模型和同步信息交換模型，介紹了層次型時(shí)間同步和分布式時(shí)間同步方法的原理。

(2)分析了煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步對(duì)同步性能的需求，即除需考慮收斂性、同步精度等外，還需要考慮同步算法能量有效性、拓?fù)漪敯粜约翱蓴U(kuò)展性等指標(biāo)，應(yīng)具有較少的通信量、較長(zhǎng)的同步周期、一定的拓?fù)漪敯粜?，要能降低網(wǎng)絡(luò)直徑大引起的同步誤差累積效應(yīng)，并適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模改變所帶來的影響。

(3)分析了煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步研究現(xiàn)狀，得出目前的研究成果主要集中在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、同步精度和同步能耗等方面。

(4)對(duì)煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步技術(shù)的研究方向進(jìn)行了展望，指出如何針對(duì)煤礦井下通信環(huán)境和空間環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)一種對(duì)拓?fù)?、時(shí)延具有一定魯棒性的時(shí)間同步方法，是未來的研究重點(diǎn)，可從以下方面開展研究：① 從拓?fù)鋭?dòng)態(tài)維護(hù)角度提高時(shí)間同步方法對(duì)拓?fù)涞聂敯粜裕虎?從通信拓?fù)涮摂M構(gòu)建角度提高一致性時(shí)間同步方法的收斂速度；③ 從時(shí)間戳處理和矩陣補(bǔ)全角度提高時(shí)間同步方法對(duì)傳輸時(shí)延的魯棒性。