基于礦山安全預警的無線傳感器網絡優化研究

胡潔

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

關鍵詞：無線傳感器網絡 礦山安全預警 多路由

我國疆域遼闊、成礦地質條件優越、礦種齊全配套、資源總量豐富，礦物能源對我國的國民經濟和社會發展有特別重要的戰略意義。據統計，僅2012年，我國采礦業總產值7.99萬億，占GDP的14%;全國采礦業從業人員631萬人，占城鎮就業人員的1.66%;煤炭在我國一次能源生產和消費結構中一直占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，礦山生產從業人員的死傷率一直高居全行業第一[1]。礦山開采安全問題已成為制約我國工業能源發展的一道“瓶頸”。

礦山安全預警是指通過對采礦作業中的某個系統或幾個系統的異常實時監測，發現安全隱患并即時上報，利用警報系統將安全事故根除的系統[2]。近年來，隨著信息技術的突飛猛進，礦山信息化程度也日益提高提高，基于無線傳感器網絡的傳感互聯裝置被逐漸應用在礦山安全監測中來。無線傳感器網絡（ Wireless SensorNetwork，WSN）[3]是由大量部署在網絡監測區域內的傳感器節點以多跳通信的方式形成一個自組織網絡，實時感地知、采集、處理網絡監測區域中各類信息[4]。傳統的礦山安全監測網絡是以工業總線布置，隨著開采進程的延伸，監測點隨之增多，會出現監測盲點，數據采集不齊全，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絡系統，具有低成本、低功耗、自組網的特點，該技術在礦山井下安全生產中必定會占有一席之地。

1.礦山安全預警無線傳感器網絡結構

基于礦山安全預警的無線傳感器網絡系統結構如圖1所示，主要由傳感器節點、匯聚節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點負責收集各種的參數，例如，CO、粉塵、溫度、濕度、C02、02、振動等監測數據，以特定的路由協議傳至坑道上的匯聚節點。匯聚節點通過傳輸網絡將數據傳輸至地面上的中央控制中心，由控制中心對數據進行分析比較，一旦當監測數據超出安全范圍后，啟動報警系統，可以有效的避免事故的發生，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絡路由協議

礦山井下環境中地形復雜、作業區域廣，WSN節點間的通信容易受工作環境、信號干擾和能量有限等因素的影響，節點的故障是不可避免的，這導致無線傳感器網絡在礦山安全預警中出現數據丟失，預警不及時的情況。而目前無線傳感器網絡的研究在動態性、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境，有必要建立一種高容錯的多路由WSN，防止入侵行為、節點故障及電池耗竭等因素對無線傳感器網絡造成的惡劣影響，降低因節點失效而導致數據丟失的概率，提高礦山安全監測和預警的準確性、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。通過在網絡中兩個或多個不相交路徑上給定節點對之間的流量路由。這樣，如果一個節點或一個鏈路在其中一個不相交路徑上失敗，網絡會自動找到可替代的路由，依然可以保證數據流量的有效傳輸。針對多路由機制，目前相關研究人員已經開展了大量的研究工作。王文峰等人[5]在具有移動節點的網絡中，提出一種基于區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絡。Kashyap等人[6]通過增加中轉節點以提高網絡骨干網容錯能力，趙磊靜等[7]基于局部最小生成樹算法提出網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絡的穩定性，但時間復雜度過高。文獻[8]提出一種基于信息重構的多路由數據傳輸算法，該算法通過網絡中的設置中間節點，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。

由于大多數網絡是雙向的，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絡。除非另有說明，否則我們將假設沒有多條邊（同一對節點之間的兩個或多個鏈接）。圖2是由7個節點和12條邊組成的雙向網絡示例，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絡中邊（或鏈接）的物理長度，也可以表示在數據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，那么最優路徑集合在這對節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的矩形區域內隨機部署25個傳感器節點模擬礦山井下狹長的工作環境，節點間的通信距離為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，在無線傳感器網絡某些節點死亡后，算法可以找到替代的路由，保證數據傳輸的穩定性與時效性，同時生成的路徑最短，使通信成本最低。

3.結論

本文主要針對礦山井下的特殊環境，考慮當傳感器節點發生能量耗盡，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絡系統進行了優化，同時，生成路徑最短，最大化地節約了網絡節點間的通信成本。仿真結果表明，我們的算法可以構建容錯的WSN路由，保證了網絡數據傳輸的穩定性和可靠性。無線傳感器網絡的出現和發展，較好的適應了礦山井下開采的惡劣環境，使礦山安全預警更加智能化、高效化。

參考文獻

[1]楊志強，李永密.金屬非金屬地下礦山中毒窒息事故統計分析與對策研究[J].中國礦業，2015，24 （2）：135-137

[2]龔劍，歐陽治華.基于Web網絡技術的礦山安全預警系統及應用[J].金屬礦山，2010 （7）：150-179

[3]jennifer Y，Biswanath M，Dipak G，Wirelesssensor networksurvey[Jl. Computer Networks .2008 .22922330.

[4]李善倉，張克旺，無線傳感器網絡原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5]王文峰，基于區域不相交的無線傳感器網絡路由算法研究[D].哈爾濱工程大學，2016.

[6] Kashyap A，Khuller S，Shaynlan M.Relay placenlentfor fault tolerance in wireless networks in higher dimensionsEJl.Computational Ge01netrv： Theorv and Applications， 2010， 44 （4）：206—215.

[7]趙磊靜，無線傳感器網絡的容錯拓撲控制算法研究[D].燕山大學，2011.

[8]歸奕紅，劉寧.無線傳感器網絡安全數據匯聚算法[J].微電子學與計算機，2011，28 （4）：115-121