深部礦井提升裝備無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位方法研究

莫新楠

摘 要：近年來，隨著深部（埋藏深度>1000m）礦產(chǎn)資源的進(jìn)一步開發(fā)，提高深部礦井提升裝備運(yùn)行的可靠性成為了我國深部資源開發(fā)的重要舉措。與此同時(shí)，隨著具有感知環(huán)境、數(shù)據(jù)處理、無線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)深部礦井提升裝備進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是推動(dòng)提升裝備從安全檢測(cè)走向健康監(jiān)測(cè)的重要趨勢(shì)。本文介紹了在結(jié)合深部礦井提升裝備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作在惡劣的自然條件的狀況下，利用有限信息時(shí)間和空間相關(guān)性，運(yùn)用面向稀疏網(wǎng)絡(luò)部署的提升容器三維定位算法，掌握深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中提升容器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，估計(jì)提升容器傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及相對(duì)位置關(guān)系，確定其三維位置的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：深部礦井；部署策略；節(jié)點(diǎn)定位；跟蹤

1 深部礦井提升裝備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

作為目前運(yùn)輸深部（埋藏深度>1000m）礦產(chǎn)資源的唯一工具，深部礦井提升裝備的可靠運(yùn)行將直接影響到我國深部資源開發(fā)戰(zhàn)略的順利實(shí)施。運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[ 1 ][ 2 ]對(duì)深部礦井提升裝備進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是推動(dòng)提升裝備從安全檢測(cè)[ 3 ][ 4 ]走向健康監(jiān)測(cè)的重要趨勢(shì)[ 5 ]。由于深部礦井的建設(shè)起步較晚，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與深部礦井提升裝備健康狀況監(jiān)測(cè)相互結(jié)合較少[ 6 ]，對(duì)深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究尚存諸多不足，尤其由于提升裝備在罐道窄長(zhǎng)封閉空間中高速重載運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)無線節(jié)點(diǎn)的部署與定位方法[ 7 ][ 8 ]無法滿足該條件下數(shù)據(jù)高質(zhì)量傳輸?shù)男枨螅壳吧腥狈τ糜谡L(zhǎng)封閉空間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)定位與目標(biāo)跟蹤方面的研究。

2 深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)

1）深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。由于深部礦井提升裝備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖1所示）工作在惡劣的自然條件和苛刻的窄長(zhǎng)封閉空間中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)不能隨意部署且節(jié)點(diǎn)稀疏分布，在此場(chǎng)景下不能保證從足夠數(shù)量的節(jié)點(diǎn)獲取位置信息，從而造成提升容器上的節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中定位失敗。因此，利用有限信息時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性，估計(jì)提升容器傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及相對(duì)位置關(guān)系，并確定提升容器傳感器節(jié)點(diǎn)的三維位置，是深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。

2）深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)路線。在研究采深部礦井提升裝備無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位方法時(shí)用到了理論分析、算法設(shè)計(jì)、仿真模擬與工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方式。

首先，分析深部礦井罐道窄長(zhǎng)封閉空間狀態(tài)和參數(shù)特點(diǎn)，結(jié)合提升容器在罐道中的移動(dòng)特性和擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程構(gòu)建窄長(zhǎng)封閉空間移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型時(shí)，并對(duì)模型進(jìn)行仿真評(píng)估及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2所示。

其次，在所構(gòu)建的提升容器傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型基礎(chǔ)上，分類研究罐道上部署不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法。a.當(dāng)僅有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，研究利用到達(dá)時(shí)間差估計(jì)提升容器位置并約束其信號(hào)覆蓋可能的范圍；b.當(dāng)僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，研究移動(dòng)情況下無需時(shí)間同步的測(cè)距方法；c.在沒有接收到任何節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，研究消息發(fā)送及響應(yīng)機(jī)制，利用歷史位置信息及模型參數(shù)信息，推斷提升容器位于的可能區(qū)域。與此同時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的位置關(guān)系，快速裁減估計(jì)區(qū)域范圍。最后，由于沒有充分利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性，若僅在一個(gè)定位周期內(nèi)計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，并不能取得良好定位效果，在本課題中，合并移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)定位周期內(nèi)所估計(jì)區(qū)域，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法搜尋最佳位置點(diǎn)集合尋找各時(shí)刻的最終位置。

3 結(jié)語

深部礦井提升裝備無線健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于無線通信技術(shù)和多功能傳感器技術(shù)而建立的應(yīng)用于深部礦產(chǎn)資源開發(fā)時(shí)提高礦井提升裝備運(yùn)行可靠性的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)提升裝備傳感器節(jié)點(diǎn)的定位方法研究，尤其是當(dāng)提升裝備在罐道窄長(zhǎng)封閉空間中做高速重載運(yùn)動(dòng)時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地定位提升裝備傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)于深部礦井提升裝備的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，也將直接影響到我國深部資源開發(fā)戰(zhàn)略的順利實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

[1] Akyildiz I F， Su W， Sankarasubramaniam Y， et al. Wireless sensor networks：a survey.Computer Networks，2002，38（4）：393-422.

[2] 劉曉文.基于WNS的煤礦井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

[3].張力.加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)責(zé)任體系建設(shè)研究.中國煤炭，2009（9）：98-100.

[4] 夏恒星.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[5] Wang Y， Huang L， Yang W.A novel real-time coalminer localization and tracking system based on self-organized sensor networks. EURASIP J.Wirel.Commun.Netw，2010，2010：1-5.

[6] 陳林星.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：1-25.

[7] 孫燕，尚軍亮，劉三陽.基于采樣優(yōu)化的蒙特卡羅移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010（09）：2001-2004.

[8] 吳小兵，陳貴海.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)非均勻分布的能量空洞問題.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2008（2）：253-261.