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基于物联网的煤矿实时监测的拓扑可靠性设计与优化分析
资料介绍
物联网技术很适合对煤矿进行实时监测,但其可靠性需进一步探究和完善.根据煤矿巷道窄长且干扰因素多等特点,提出了一种适合煤矿安全监测的三维均匀物联网节点部署方法.在保障监测数据准确的基础上,进一步研究了提高物联网拓扑可靠性的相关机制,如节点之间的距离冗余、簇头节点的非等量备份冗余,并对相关的参数进行量化分析.从理论分析和仿真的结果看,所提出的方法具有监测区域覆盖程度高、能耗均衡和灵活可扩展等特点,对提高煤矿安全监测的拓扑可靠性具有显著效果.
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Series No． 496
Octoberꢀ 2017
总第 496期
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METAL MINE
2017 年第 10 期
基于物联网的煤矿实时监测的
拓扑可靠性设计与优化分析
田立勤ꢀ 马亚楠
(华北科技学院计算机系,北京 101601)
摘ꢀ 要ꢀ 物联网技术很适合对煤矿进行实时监测,但其可靠性需进一步探究和完善。 根据煤矿巷道窄长且干扰
因素多等特点,提出了一种适合煤矿安全监测的三维均匀物联网节点部署方法。 在保障监测数据准确的基础上,进
一步研究了提高物联网拓扑可靠性的相关机制,如节点之间的距离冗余、簇头节点的非等量备份冗余,并对相关的参
数进行量化分析。 从理论分析和仿真的结果看,所提出的方法具有监测区域覆盖程度高、能耗均衡和灵活可扩展等
特点,对提高煤矿安全监测的拓扑可靠性具有显著效果。
关键词ꢀ 物联网ꢀ 煤矿ꢀ 监测ꢀ 拓扑ꢀ 可靠性ꢀ 优化
TD67ꢀ ꢀ ꢀ
Aꢀ ꢀ ꢀ
1001-1250(2017)-10-063-04
文章编号ꢀ
ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ
文献标志码ꢀ
Design and Optimal Analysis of Topological Reliability to Remote
-
Real time Monitoring of Coal Mine With IoT
Tian Liqinꢀ Ma Yanan
(North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)
ꢁ
Abstractꢀ Internet of Things (IoT) is very suitable for remote real time monitoring on coal mine,however its reliability
needs to be further studied and improved. Based on the characteristics of coal mine,such as long and narrow tunnel and severe
interference,a 3D uniform IoT sensor deployment method which is suitable for the major hazards monitoring is proposed. Fur-
thermore,the related mechanisms to improve the topological reliability of IoT are studied on the basis of accurate monitoring da-
ta,such as the distance redundancy between nodes and the unequal redundancy of cluster head. At the same time,several rele-
vant parameters are quantitatively analyzed. From the view of theoretical analysis and simulation results,the method have char-
acteristics of high coverage,balanced energy consumption,and flexible scalability,which have significant effect on improving
the topological reliability of coal mine major hazards remote monitoring with IoT.
Keywordsꢀ Internet of Things,Coal mine,Monitoring,Topology,Reliability,Optimization
ꢀ ꢀ 煤炭工业是国民经济的重要基础产业,对煤矿安
全进行实时、可靠的监测是安全生产的基础。 传统基
于有线通信方式的煤矿安全生产监控系统存在拓扑
复杂、可扩展程度差[1] 、劳动强度高、系统智能化程
度低、易出现盲区、通信线路维护成本高、时间和空间
灵活性低[2] 等缺点。 最近几年,随着物联网技术的
不断发展与成熟,将物联网应用于煤矿监测能够满足
传输的实时性、人员的安全性和布网的灵活性等需
须采用长带状结构[4] 。 文献[5] 首次提出了链式地
下煤矿无线传感器网络的概念,并提出一种最低密度
非均匀簇头节点部署与动态轮换算法。 文献[6] 从
延长无线传感器网络寿命的角度对线性无线传感器
网络的节点密度进行了理论分析,并根据得到的节点
密度公式对无线传感器网络进行节点部署。 以上 2
种节点部署方式均是 2 面平面节点部署,但煤矿巷道
是一种三维结构。 及时、准确、可靠的探测异常情况,
对煤矿安全生产监测有着重要的意义[7] 。 文献[8]
针对煤矿巷道狭长的特点提出了一种 3 维均匀网络
求[3]
。
煤矿巷道的物理结构决定了无线传感器网络必
收稿日期ꢀ 2017-09-02
基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:61472137),河北省物联网数据采集与处理工程中心、中央高校基本科研业务项目(编号:3142015146),
河北省重点研发计划项目(编号:16273904D)。
作者简介ꢀ 田立勤(1970—),男,教授,博士,博士研究生导师。
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总第 496 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 10 期
部署方法和一种由能耗均衡策略和簇头选举策略组
成的分区机制。 在煤矿安全监测过程中,可信的监测
数据和可靠通信资源对应急情况的响应是至关重要
的
[9] 。 鉴于以上基本情况,本研究提出了一种细粒
图 2ꢀ 六边形部署
度的三维均匀节点部署方法(3DUND),并采取了一
种非等量簇头节点冗余策略来均衡网络能耗,提高网
络的生存时间。
Fig. 2ꢀ Hexagonal deployment
图 1(a) 所示的基本监测面为如图 3 ( a)、图 3
(b)所示的覆盖区域。 假设每个传感器节点的感知
半径为 rs ,将全部区域恰好全覆盖的情况如图 3(a)
1ꢀ 基于多路径三维立体的拓扑结构设计与量
化分析
+
所示,此时每个监测组可监测的距离为 2(1
2 )rs
1． 1ꢀ 三维均匀节点部署方法(3DUND)
在 3DUND 中信息监测和数据处理的最小单元
是基本监测面,每个基本监测面中的节点构成一个
簇,簇由簇头和普通节点组成,普通节点将感知到的
信息发送给本簇中的簇头节点,簇头节点将数据交付
给前驱监测面的簇头节点或者 sink 节点。
定义 1:基本监测面由 9 个传感器节点组成,分
成 3 排按照正方形排列在巷道墙面上,中心 1 个带路
由功能传感器充当簇头节点,簇头节点周围 8 个普通
节点,如图 1(a)所示。
将传感器间的距离继续拉近,一种特殊情况是一个传
感器节点恰好部署在另一个传感器节点感知范围的
极限点上[8] ,如图 3(b)所示,此时每个监测组可监测
的距离为 4rs 。 在图 3(c),图 3(d) 中分别画出了图
3(a)和图 3(b)中的 2 个基本监测面,从图 3(c)可以
看出,当中间一排监测节点中某些普通节点失效,则
会出现部分监测盲区,图 3(d) 所示的情况可以有效
地弥补上述缺陷,即使最上排和最下排有节点失效,
仍能最大限度地减小监测盲区。
定义 2:每个基本监测体是由左右 2 个基本监测
面和顶板处的 1 个传感器组成的立体监测结构,如图
1(b)所示。
将多个基本监测体进行连接后得到整个巷道的
监测网络,如图 1(c)画出了 4 块基本监测体相连的
情况。
图 3ꢀ 正方形节点部署
Fig. 3ꢀ Square node deployment
1． 3ꢀ 拓扑结构相关参数的量化分析
因为煤矿安全监测对可靠性要求较高,因此采用
图 3(b)所示的情况作为基本监测面。 图 3(d) 中,2
个基本监测面可监测的距离为 7rs ,当 i 个基本监测
面依次排列好后,部署 i 个基本监测面可监测的距离
为
图 1ꢀ 监测网拓扑结构
Fig. 1ꢀ Topological structure of monitoring network
1． 2ꢀ 监测区域全覆盖性的计算与分析
=
+
l
(3i 1)rs .
(1)
在利用物联网对煤矿进行监测时,监测数据的准
确性与传感器节点部署的方式与密度有关。 在覆盖
问题 上, 六 边 形 部 署 策 略 是 一 种 最 优 化 部 署 策
因此,监测距离 l 与路由节点个数的关系为
=
+
3(3i 1)rs .
l
(2)
ꢁ
略[10 11] 。 然而,在煤矿安全监测中,由于巷道的高度
ꢀ ꢀ 已知传感器感知的半径为 rs ,则由 i 个簇形成的
监测区域的面积 Si 为
有限,无法使得任何 6 个节点都成六边形,而仅能沿
着巷道进行连续部署多个六边形监测模块时,就会出
现如图 2 所示的监测盲区。 而采取由 9 个节点组成
的正方形结构,当连续部署多个基本监测面后能保证
监测区域的均匀覆盖,如图 3 所示。
+
-
-
+
3i 4
(12 3 3 )i (4
3 )
2
2
=
+
Si
rs
πrs .
2
3
(3)
ꢀ ꢀ 在中间一排,2 个簇头节点间的任何一个普通节
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