基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、煤炭是我國(guó)的主要能源，受我國(guó)煤礦復(fù)雜地形限制，礦難頻發(fā)?，F(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)所存在的缺陷和不足，已成為制約煤礦安全生產(chǎn)水平的瓶頸問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套能夠滿足煤礦安全需求的井下安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。近年來(lái)無(wú)線通訊技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，為研發(fā)下一代的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)靈活、自組織、多跳等特點(diǎn)，適用于惡劣環(huán)境，是彌補(bǔ)目前井下監(jiān)控系統(tǒng)缺陷的有效工具。
　　 本文通過(guò)對(duì)我國(guó)2003年

2、4月至2009年12月間發(fā)生的221起重特大煤礦安全事故的分析和事故誘發(fā)原因的統(tǒng)計(jì)，借助這些實(shí)際事故數(shù)據(jù)，根據(jù)煤礦安全事故產(chǎn)生的必備條件，采用層次分析方法(AHP)建立了瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、頂板事故、透水事故四類典型事故的失信模型。并在煤礦失信因素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的由傳感與檢測(cè)系統(tǒng)、安全信息網(wǎng)絡(luò)與通訊系統(tǒng)、安全管理信息系統(tǒng)、安全預(yù)警決策與決策支持系統(tǒng)

3、以及救援信息保障系統(tǒng)組成的煤礦井下安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵性支撐技術(shù)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位和路由技術(shù)展開(kāi)了研究。在理論研究的基礎(chǔ)上基于CC2430/CC2431節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位原型系統(tǒng)，并在模擬礦井中利用該原型系統(tǒng)對(duì)本文提出的改進(jìn)RSSI定位算法的性能進(jìn)行了測(cè)試。圍繞這些內(nèi)容所進(jìn)行的工作和取得成果如下：
　　 1、針對(duì)煤礦井下靜止節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)RSSI定位方

4、法的分析，發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)RSSI定位算法中路徑衰落指數(shù)通常取固定的常數(shù)值，無(wú)法反映井下環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響程度，是導(dǎo)致RSSI定位算法在井下的定位精度較差的原因。本文結(jié)合巷道內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)讲渴鸬奶攸c(diǎn)，提出了一種基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離和信號(hào)強(qiáng)度值動(dòng)態(tài)計(jì)算巷道各處的真實(shí)路徑衰落指數(shù)的方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于動(dòng)態(tài)路徑衰落指數(shù)的改進(jìn)RSSI定位算法。仿真結(jié)果表明，在相同的環(huán)境下，該算法定位精度優(yōu)于RSSI定位算法，能夠滿足井下人員定位的要求。

5、
　　 2、受井下惡劣條件和節(jié)點(diǎn)有限能量的影響，井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效的情況，使得巷道內(nèi)覆蓋不足，定位節(jié)點(diǎn)由于無(wú)法收集到足夠的定位輔助信息而無(wú)法完成自身的定位，需要借助一些其它的輔助信息完成節(jié)點(diǎn)定位。井下狹小而封閉的空間限定了定位結(jié)果只能落在這個(gè)封閉空間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的分布及網(wǎng)絡(luò)的連通性信息也有助于消除一些冗余的定位結(jié)果，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種服務(wù)器端基于地理信息的輔助定位方法，針對(duì)井下節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中不同的節(jié)

6、點(diǎn)覆蓋度，借助于井下巷道地理信息和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的分布信息，實(shí)現(xiàn)覆蓋度不足情況下的節(jié)點(diǎn)定位，提高節(jié)點(diǎn)定位的精度。
　　 3、針對(duì)井下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題，通過(guò)對(duì)巷道內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，受井下信標(biāo)節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)讲渴鹛攸c(diǎn)的影響，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中所感知到的一跳信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)保持著相同移動(dòng)的趨勢(shì)，且在位置上較為接近，在質(zhì)心點(diǎn)附近采樣，可以大大提高采樣的成功率。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于質(zhì)心盒子的蒙特卡洛定位方法，通過(guò)定義一個(gè)

7、質(zhì)心盒子縮小采樣范圍，以提高采樣的成功率，并最終提高移動(dòng)定位的精度。仿真結(jié)果表明該算法比蒙特卡洛定位方法和基于錨盒子的蒙特卡洛定位方法更適應(yīng)于井下巷道內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位。
　　 4、針對(duì)井下巷道內(nèi)節(jié)點(diǎn)路由問(wèn)題，通過(guò)分析井下巷道內(nèi)線型、網(wǎng)狀和團(tuán)型三種應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，分別提出相應(yīng)的路由策略。針對(duì)線型場(chǎng)景中監(jiān)測(cè)區(qū)域狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，基于分區(qū)成簇、簇頭成鏈的思想提出了一種適用于狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基于位置的分簇路由(PBCR)協(xié)議；針對(duì)網(wǎng)狀場(chǎng)景提出了