應用巡檢機器人的分布式基站布局及網絡互聯

韓寶虎，趙 亮，韓希君

(國能寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021500)

煤炭作為我國重要的能源之一，占中國能源總量的73%，結合現代信息技術研究煤礦基站的布局和網絡互聯方式具有重要意義。

從國外的研究經驗來看，將信息技術應用到煤礦基站布局中可以有效地提高煤礦的安全系數，降低煤礦的事故率。因此，國內相關領域人員，為了實現煤礦基站的智能布局，對分布式煤礦基站布局及網絡互聯方式進行研究，為我國的煤礦安全事業提供理論支持。有學者提出了一種基于蜂窩網定位的分布式煤礦基站布局方法，不考慮分布式煤礦基站的信號質量，對煤礦進行蜂窩網定位基站布局優化，結合改進的ITSA算法求得改進的領域函數，根據解禁規則在分布式煤礦基站中進行仿真實驗，可有效地解決煤礦區內無法進行可視定位的缺點；還有學者提出了一種基于安全認證的網絡互聯方法，利用分布式動態用戶構建分布式煤礦基站的網絡互聯模型，然后根據網絡接收節點接收網絡互聯的信號，通過網絡動態用戶建立連接的網絡安全協議，實現煤礦基站內的網絡互聯，防止其受礦區干擾信號的影響。

為了有效預防基站內帶來的干擾，本文提出一種應用巡檢機器人的分布式煤礦基站布局及網絡互聯方法，保證分布式基站的網絡互聯效率，實現分布式煤礦基站的無干擾網絡互聯。

1 分布式煤礦基站布局及網絡互聯方法設計

1.1 設置分布式煤礦基站網絡連接防干擾機制

設分布式煤礦基站內有個干擾網絡，將作為發送節點，利用向煤礦基站網絡的其他節點傳輸信號，當煤礦基站網絡節點到節點之間傳輸信號時，如果,=1,2,…，那么設個干擾信號帶給煤礦基站網絡的動態用戶總數目為，分別給煤礦基站網絡節點和節點配置防干擾密鑰分別為′和′；當,=+1,+2,…,+時，說明煤礦基站網絡的傳輸節點接收節點信號為，且在煤礦基站網絡內，不同區域的動態用戶信息無法實現共享，因此，需要設節點和節點j之間的傳輸信道矩陣為，使其無論在煤礦基站網絡實現互聯和無法互聯時，接收節點和節點都可以避免干擾信號的影響；用表示煤礦基站網絡實現互聯后節點的傳輸數據，則可以得到數據′通過傳輸信道發送的信息，那么煤礦基站網絡接收節點′后的信號′為：

(1)

式中：′為煤礦基站網絡傳輸信號的白噪音干擾信號。

(2)

(3)

在上述計算基礎上，計算出所有煤礦基站網絡的動態用戶總容量為：

(4)

式中：煤礦基站網絡動態用戶在實現網絡互聯后的干擾信號為；當=0時，網絡互聯的煤礦基站網絡不會受干擾信號的影響，從而實現了煤礦基站網絡的抗干擾設置，使得煤礦基站網絡在實現網絡互聯時，接收節點信號被劃分為可干擾目標和抗干擾目標兩個部分。

自動甄別煤礦基站網絡傳輸的信號，形成排列矩陣，獲取煤礦基站網絡傳輸信道的干擾信號子空間，進而得到動態用戶接入煤礦基站網絡后的傳輸信號，得到如下等式：

=0×

(5)

根據上述公式，在煤礦基站網絡信息傳輸過程中，通過發送節點和傳輸節點實現網絡互聯，傳輸過程中的干擾信號根據設置的密鑰自動識別，不會影響整個傳輸過程。優化后的通信傳輸信號為：

=0×

(6)

設分布式煤礦基站網絡連接的防干擾機制的密鑰信號分別為和，則煤礦基站網絡中，每個發送節點在傳輸信號的過程中都有個數據需要處理。如果煤礦基站網絡接入密鑰的數目滿足以下公式：

(7)

這說明設置的分布式煤礦基站網絡連接防干擾機制成功，在實現分布式煤礦基站網絡互聯過程中，通過密鑰信號優化通信的傳輸質量，完成網絡連接的防干擾機制設置。

胰頭腫瘤可因腫瘤直接侵犯胰腺和(或)阻塞胰管，進而導致PEI的發生。胰頭腫瘤診斷時PEI的發生率為66%，診斷2個月后PEI發生率超過90%[10]。

1.2 設定分布式煤礦基站局部

在完成分布式煤礦基站網絡連接防干擾機制的設置后，設定分布式煤礦基站布局的方式，將分布式煤礦基站看成若干個單元，將基站內的檢測點設置一個限制數值，可表示為：

(8)

式中：分布式煤礦基站布局的網絡節點數為；基站內連接網絡節點的參數為。在分布式煤礦基站網絡傳輸信道平均分布的基礎上，布局的檢測點可表示為：

(9)

式中：分布式煤礦基站布局檢測點的概率為；所有布局分布的檢測點數量為。根據上述設定的限制數值，規劃基站檢測點的布局方式，利用應用巡檢機器人對檢測點進行智能回波能量計算，不斷積累檢測點內不符合限制要求的布局檢測點數值，計算出分布式煤礦基站布局點的檢測概率。其計算公式為：

(10)

圖1 布局概率與噪聲之間的變化關系Fig.1 Variation relationship between placement probability and noise

由圖1可知，在分布式煤礦基站布局檢測點分布方式的影響下，檢測結果會受噪音的影響，當噪音值變大時，檢測點的布局準確率會降低，所以設定分布式煤礦基站布局檢測點時，只保留采樣數據，以最小的限制數值為采樣的起點，以限制數據為核心進行布局。其計算公式：

(11)

式中：分布式煤礦基站布局的起點和終點分別為、；布局分布的數據集可用()表示。在上述限制數值參與的條件下，將布局檢測點的數值設置為1，實現布局方式的實時性。設定實時布局檢測點方式后，根據執行時間，最終完成對分布式煤礦基站布局方式的設定。

1.3 設計分布式煤礦基站網絡互聯算法

結合應用巡檢機器人的運行程序，對分布式煤礦基站內的不同網絡類型進行優化處理，選取適合于應用巡檢機器人運行的網絡特征，然后對每個傳輸信道進行掃描，針對不適于應用巡檢機器人運行的網絡特征進行歸一變換，提取分布式煤礦基站中的網絡特征，特征向量用表示；互聯特征用來描述。利用下式表示分布式煤礦基站網絡的關聯性：

(12)

其中，(+)=()-()+(+)，分布式煤礦基站網絡互聯的各傳輸信道差異性為()；分布式煤礦基站網絡互聯的各傳輸信道的利用率為()。可獲得：

(13)

式中：()表示分布式煤礦基站網絡信道帶寬。

根據下述公式計算出分布式煤礦基站網絡互聯的概率：

(14)

式中：表示分布式煤礦基站網絡連接起點；表示分布式煤礦基站網絡連接終點。

針對所有不適合應用巡檢機器人運行的網絡特征，進行歸一化處理，得到不同層次的分布式煤礦基站網絡特征描述為：

(15)

式中：表示分布式煤礦基站網絡特征集合；表示互聯系數；表示分布式煤礦基站的連接線路屬性；分布式煤礦基站網絡互聯的屬性為；設滿足應用巡檢機器人運行的網絡特征數量為。根據上述公式可以得到分布式煤礦基站網絡互聯的活躍度。

根據下述公式對所有實現網絡互聯的個體進行迭代處理：

(16)

(17)

式中：表示分布式煤礦基站網絡互聯的最優信道；、均表示分布式煤礦基站的布局指數；表示通信鏈路。根據上述公式，提取出分布式煤礦基站網絡互聯過程中的不同的網絡特征，并對其進行優化處理。

根據上述實現分布式煤礦基站網絡互聯優化的過程，完成對分布式煤礦基站網絡互聯算法的設計。

2 實例分析

2.1 分布式煤礦基站網絡的巡檢探測

在分布式煤礦基站網絡中，A類交換機只可以實現最基本的煤礦基站數據轉發功能，采用巡檢機器人實現分布式煤礦基站網絡的巡檢探測。設終端A通過某一條網絡鏈路連接節點網絡設備，巡檢探測出端口1011時不會作出回應，將看作A類交換機，煤礦基站網絡節點的信息未知而且不能夠響應組長的功能。巡檢探測終端A可以通過猜測的分量地址位數，實現分布式煤礦基站網絡的巡檢探測；若的地址位數為3、返回端口為001時，終端 A才能接收到符合要求的返回包，并相應的編號和位數。利用分布式煤礦基站二進制編碼的網絡地址轉發，將(1,2,3,2)轉發為11001110，分布式煤礦基站網絡數據包的變換情況如表1所示。

表1 分布式煤礦基站網絡數據包的更換情況Tab.1 Replacement of distributed coal mine base station network data packets

2.2 分布式煤礦基站網絡的互聯

利用分布式煤礦基站網絡的布局父子關系與基站網絡虛擬路徑關系的機器人巡檢方法，收集煤礦基站終端A的巡檢信息。基站網絡節點與節點、節點是父子關系，節點與節點是父子關系，節點和節點、節點是父子關系，5個節點通過互聯可以形成一個環路，至少會有一條路徑標記為虛擬路徑，具體如圖2所示。

圖2 終端A的基站網絡結構模型Fig.2 Model of base station network structure of Terminal A

巡檢探測終端A根據分布式煤礦基站網絡結構信息，通過巡檢探測終端 A的唯一端口發送生成維護信令包。在分布式煤礦基站網絡中，信源設備A遍歷整個基站網絡結構的向量地址，包括17個分量地址，經過1 s之后，終端A就會繼續發送信令包，實現網絡互聯。分布式煤礦基站網絡互聯的遍歷路徑如表2所示。

表2 分布式煤礦基站網絡節點的路徑集合Tab.2 Path set of nodes in distributed coal mine base station network

根據圖2的路徑集合，終端A可以生成V-node和Leaf-node 2個節點，在終端B實現網絡互聯；終端B生成的V-node和Leaf-node分別存放在{，A，，}和{，}中。在實際應用中，終端B可以協助終端A檢測分布式煤礦基站網絡結構，如果終端B能夠提前部署分布式煤礦基站，并向終端A發送網絡數據包，終端A就會根據終端B發送的信息，停止巡檢，重新布局分布式煤礦基站。此時，網絡互聯結束。

3 結語

本文提出了應用巡檢機器人的分布式煤礦基站布局及網絡互聯方法，應用巡檢機器人設置了分布式煤礦基站網絡連接防干擾機制，通過設定分布式煤礦基站局部方式，設計了分布式煤礦基站網絡互聯算法，實現了分布式煤礦基站布局及網絡互聯，可以準確探測分布式煤礦基站網絡變化，提高分布式煤礦基站網絡結構的可靠性。