應(yīng)用巡檢機器人的分布式基站布局及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

韓寶虎，趙 亮，韓希君

(國能寶日希勒能源有限公司，內(nèi)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(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)研究煤礦基站的布局和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方式具有重要意義。

從國外的研究經(jīng)驗來看，將信息技術(shù)應(yīng)用到煤礦基站布局中可以有效地提高煤礦的安全系數(shù)，降低煤礦的事故率。因此，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域人員，為了實現(xiàn)煤礦基站的智能布局，對分布式煤礦基站布局及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方式進(jìn)行研究，為我國的煤礦安全事業(yè)提供理論支持。有學(xué)者提出了一種基于蜂窩網(wǎng)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(zhì)量，對煤礦進(jìn)行蜂窩網(wǎng)定位基站布局優(yōu)化，結(jié)合改進(jìn)的ITSA算法求得改進(jìn)的領(lǐng)域函數(shù)，根據(jù)解禁規(guī)則在分布式煤礦基站中進(jìn)行仿真實驗，可有效地解決煤礦區(qū)內(nèi)無法進(jìn)行可視定位的缺點；還有學(xué)者提出了一種基于安全認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法，利用分布式動態(tài)用戶構(gòu)建分布式煤礦基站的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模型，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點接收網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的信號，通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)用戶建立連接的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，實現(xiàn)煤礦基站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，防止其受礦區(qū)干擾信號的影響。

為了有效預(yù)防基站內(nèi)帶來的干擾，本文提出一種應(yīng)用巡檢機器人的分布式煤礦基站布局及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法，保證分布式基站的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)效率，實現(xiàn)分布式煤礦基站的無干擾網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

1 分布式煤礦基站布局及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法設(shè)計

1.1 設(shè)置分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接防干擾機制

設(shè)分布式煤礦基站內(nèi)有個干擾網(wǎng)絡(luò)，將作為發(fā)送節(jié)點，利用向煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點傳輸信號，當(dāng)煤礦基站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點到節(jié)點之間傳輸信號時，如果,=1,2,…，那么設(shè)個干擾信號帶給煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)用戶總數(shù)目為，分別給煤礦基站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和節(jié)點配置防干擾密鑰分別為′和′；當(dāng),=+1,+2,…,+時，說明煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的傳輸節(jié)點接收節(jié)點信號為，且在煤礦基站網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，不同區(qū)域的動態(tài)用戶信息無法實現(xiàn)共享，因此，需要設(shè)節(jié)點和節(jié)點j之間的傳輸信道矩陣為，使其無論在煤礦基站網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)和無法互聯(lián)時，接收節(jié)點和節(jié)點都可以避免干擾信號的影響；用表示煤礦基站網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)后節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)，則可以得到數(shù)據(jù)′通過傳輸信道發(fā)送的信息，那么煤礦基站網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點′后的信號′為：

(1)

式中：′為煤礦基站網(wǎng)絡(luò)傳輸信號的白噪音干擾信號。

(2)

(3)

在上述計算基礎(chǔ)上，計算出所有煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)用戶總?cè)萘繛椋?/p>

(4)

式中：煤礦基站網(wǎng)絡(luò)動態(tài)用戶在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)后的干擾信號為；當(dāng)=0時，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的煤礦基站網(wǎng)絡(luò)不會受干擾信號的影響，從而實現(xiàn)了煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的抗干擾設(shè)置，使得煤礦基站網(wǎng)絡(luò)在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時，接收節(jié)點信號被劃分為可干擾目標(biāo)和抗干擾目標(biāo)兩個部分。

自動甄別煤礦基站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘枺纬膳帕芯仃?，獲取煤礦基站網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的干擾信號子空間，進(jìn)而得到動態(tài)用戶接入煤礦基站網(wǎng)絡(luò)后的傳輸信號，得到如下等式：

=0×

(5)

根據(jù)上述公式，在煤礦基站網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程中，通過發(fā)送節(jié)點和傳輸節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，傳輸過程中的干擾信號根據(jù)設(shè)置的密鑰自動識別，不會影響整個傳輸過程。優(yōu)化后的通信傳輸信號為：

=0×

(6)

設(shè)分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接的防干擾機制的密鑰信號分別為和，則煤礦基站網(wǎng)絡(luò)中，每個發(fā)送節(jié)點在傳輸信號的過程中都有個數(shù)據(jù)需要處理。如果煤礦基站網(wǎng)絡(luò)接入密鑰的數(shù)目滿足以下公式：

(7)

這說明設(shè)置的分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接防干擾機制成功，在實現(xiàn)分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過程中，通過密鑰信號優(yōu)化通信的傳輸質(zhì)量，完成網(wǎng)絡(luò)連接的防干擾機制設(shè)置。

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

1.2 設(shè)定分布式煤礦基站局部

在完成分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接防干擾機制的設(shè)置后，設(shè)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(nèi)的檢測點設(shè)置一個限制數(shù)值，可表示為：

(8)

式中：分布式煤礦基站布局的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為；基站內(nèi)連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的參數(shù)為。在分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)傳輸信道平均分布的基礎(chǔ)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(shù)量為。根據(jù)上述設(shè)定的限制數(shù)值，規(guī)劃基站檢測點的布局方式，利用應(yīng)用巡檢機器人對檢測點進(jìn)行智能回波能量計算，不斷積累檢測點內(nèi)不符合限制要求的布局檢測點數(shù)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(guān)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(jié)果會受噪音的影響，當(dāng)噪音值變大時，檢測點的布局準(zhǔn)確率會降低，所以設(shè)定分布式煤礦基站布局檢測點時，只保留采樣數(shù)據(jù)，以最小的限制數(shù)值為采樣的起點，以限制數(shù)據(jù)為核心進(jìn)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(shù)據(jù)集可用()表示。在上述限制數(shù)值參與的條件下，將布局檢測點的數(shù)值設(shè)置為1，實現(xiàn)布局方式的實時性。設(shè)定實時布局檢測點方式后，根據(jù)執(zhí)行時間，最終完成對分布式煤礦基站布局方式的設(shè)定。

1.3 設(shè)計分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)算法

結(jié)合應(yīng)用巡檢機器人的運行程序，對分布式煤礦基站內(nèi)的不同網(wǎng)絡(luò)類型進(jìn)行優(yōu)化處理，選取適合于應(yīng)用巡檢機器人運行的網(wǎng)絡(luò)特征，然后對每個傳輸信道進(jìn)行掃描，針對不適于應(yīng)用巡檢機器人運行的網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行歸一變換，提取分布式煤礦基站中的網(wǎng)絡(luò)特征，特征向量用表示；互聯(lián)特征用來描述。利用下式表示分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)性：

(12)

其中，(+)=()-()+(+)，分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的各傳輸信道差異性為()；分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)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(wǎng)絡(luò)信道帶寬。

根據(jù)下述公式計算出分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的概率：

(14)

式中：表示分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接起點；表示分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接終點。

針對所有不適合應(yīng)用巡檢機器人運行的網(wǎng)絡(luò)特征，進(jìn)行歸一化處理，得到不同層次的分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)特征描述為：

(15)

式中：表示分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)特征集合；表示互聯(lián)系數(shù)；表示分布式煤礦基站的連接線路屬性；分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的屬性為；設(shè)滿足應(yīng)用巡檢機器人運行的網(wǎng)絡(luò)特征數(shù)量為。根據(jù)上述公式可以得到分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的活躍度。

根據(jù)下述公式對所有實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的個體進(jìn)行迭代處理：

(16)

(17)

式中：表示分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的最優(yōu)信道；、均表示分布式煤礦基站的布局指數(shù)；表示通信鏈路。根據(jù)上述公式，提取出分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過程中的不同的網(wǎng)絡(luò)特征，并對其進(jìn)行優(yōu)化處理。

根據(jù)上述實現(xiàn)分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)優(yōu)化的過程，完成對分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)算法的設(shè)計。

2 實例分析

2.1 分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的巡檢探測

在分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)中，A類交換機只可以實現(xiàn)最基本的煤礦基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，采用巡檢機器人實現(xiàn)分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的巡檢探測。設(shè)終端A通過某一條網(wǎng)絡(luò)鏈路連接節(jié)點網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，巡檢探測出端口1011時不會作出回應(yīng)，將看作A類交換機，煤礦基站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息未知而且不能夠響應(yīng)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(shù)，實現(xiàn)分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的巡檢探測；若的地址位數(shù)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(yīng)的編號和位數(shù)。利用分布式煤礦基站二進(jìn)制編碼的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)發(fā)，將(1,2,3,2)轉(zhuǎn)發(fā)為11001110，分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的變換情況如表1所示。

表1 分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)

利用分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)的布局父子關(guān)系與基站網(wǎng)絡(luò)虛擬路徑關(guān)系的機器人巡檢方法，收集煤礦基站終端A的巡檢信息?；揪W(wǎng)絡(luò)節(jié)點與節(jié)點、節(jié)點是父子關(guān)系，節(jié)點與節(jié)點是父子關(guān)系，節(jié)點和節(jié)點、節(jié)點是父子關(guān)系，5個節(jié)點通過互聯(lián)可以形成一個環(huán)路，至少會有一條路徑標(biāo)記為虛擬路徑，具體如圖2所示。

圖2 終端A的基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of base station network structure of Terminal A

巡檢探測終端A根據(jù)分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息，通過巡檢探測終端 A的唯一端口發(fā)送生成維護(hù)信令包。在分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)中，信源設(shè)備A遍歷整個基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的向量地址，包括17個分量地址，經(jīng)過1 s之后，終端A就會繼續(xù)發(fā)送信令包，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的遍歷路徑如表2所示。

表2 分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的路徑集合Tab.2 Path set of nodes in distributed coal mine base station network

根據(jù)圖2的路徑集合，終端A可以生成V-node和Leaf-node 2個節(jié)點，在終端B實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；終端B生成的V-node和Leaf-node分別存放在{，A，，}和{，}中。在實際應(yīng)用中，終端B可以協(xié)助終端A檢測分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果終端B能夠提前部署分布式煤礦基站，并向終端A發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，終端A就會根據(jù)終端B發(fā)送的信息，停止巡檢，重新布局分布式煤礦基站。此時，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)束。

3 結(jié)語

本文提出了應(yīng)用巡檢機器人的分布式煤礦基站布局及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法，應(yīng)用巡檢機器人設(shè)置了分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)連接防干擾機制，通過設(shè)定分布式煤礦基站局部方式，設(shè)計了分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)算法，實現(xiàn)了分布式煤礦基站布局及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可以準(zhǔn)確探測分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)變化，提高分布式煤礦基站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性。