深部礦井提升裝備無線傳感器節點定位方法研究

莫新楠

摘 要：近年來，隨著深部（埋藏深度>1000m）礦產資源的進一步開發，提高深部礦井提升裝備運行的可靠性成為了我國深部資源開發的重要舉措。與此同時，隨著具有感知環境、數據處理、無線通信功能的傳感器節點得到了廣泛應用，運用無線傳感器網絡技術對深部礦井提升裝備進行健康監測是推動提升裝備從安全檢測走向健康監測的重要趨勢。本文介紹了在結合深部礦井提升裝備健康監測系統工作在惡劣的自然條件的狀況下，利用有限信息時間和空間相關性，運用面向稀疏網絡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測傳感器網絡中提升容器節點的運動規律，估計提升容器傳感器節點運動狀態及相對位置關系，確定其三維位置的技術。

關鍵詞：深部礦井；部署策略；節點定位；跟蹤

1 深部礦井提升裝備無線傳感器網絡研究現狀

作為目前運輸深部（埋藏深度>1000m）礦產資源的唯一工具，深部礦井提升裝備的可靠運行將直接影響到我國深部資源開發戰略的順利實施。運用無線傳感器網絡技術[ 1 ][ 2 ]對深部礦井提升裝備進行健康監測是推動提升裝備從安全檢測[ 3 ][ 4 ]走向健康監測的重要趨勢[ 5 ]。由于深部礦井的建設起步較晚，針對無線傳感器網絡技術與深部礦井提升裝備健康狀況監測相互結合較少[ 6 ]，對深部礦井提升裝備無線健康監測傳感器網絡的研究尚存諸多不足，尤其由于提升裝備在罐道窄長封閉空間中高速重載運動，傳統無線節點的部署與定位方法[ 7 ][ 8 ]無法滿足該條件下數據高質量傳輸的需求，目前尚缺乏用于窄長封閉空間內網絡節點移動定位與目標跟蹤方面的研究。

2 深部礦井提升裝備無線健康監測傳感器網絡

1）深部礦井提升裝備無線健康監測傳感器網絡的關鍵技術。由于深部礦井提升裝備健康監測系統（如圖1所示）工作在惡劣的自然條件和苛刻的窄長封閉空間中，無線傳感器節點不能隨意部署且節點稀疏分布，在此場景下不能保證從足夠數量的節點獲取位置信息，從而造成提升容器上的節點在移動過程中定位失敗。因此，利用有限信息時間相關性和空間相關性，估計提升容器傳感器節點運動狀態及相對位置關系，并確定提升容器傳感器節點的三維位置，是深部礦井提升裝備無線健康監測傳感器網絡關鍵技術。

2）深部礦井提升裝備無線健康監測傳感器網絡關鍵技術路線。在研究采深部礦井提升裝備無線傳感器節點定位方法時用到了理論分析、算法設計、仿真模擬與工業試驗相結合的方式。

首先，分析深部礦井罐道窄長封閉空間狀態和參數特點，結合提升容器在罐道中的移動特性和擾動運動參數，根據運動學方程構建窄長封閉空間移動節點的移動模型時，并對模型進行仿真評估及實驗驗證，如圖2所示。

其次，在所構建的提升容器傳感器節點移動模型基礎上，分類研究罐道上部署不同節點數量下的移動節點定位方法。a.當僅有兩個節點接收到移動節點信號時，研究利用到達時間差估計提升容器位置并約束其信號覆蓋可能的范圍；b.當僅有一個節點收到移動節點信號時，研究移動情況下無需時間同步的測距方法；c.在沒有接收到任何節點信號時，研究消息發送及響應機制，利用歷史位置信息及模型參數信息，推斷提升容器位于的可能區域。與此同時，根據節點間的位置關系，快速裁減估計區域范圍。最后，由于沒有充分利用節點移動過程中的時間相關性和空間相關性，若僅在一個定位周期內計算移動節點位置，并不能取得良好定位效果，在本課題中，合并移動節點的多個定位周期內所估計區域，基于動態規劃方法搜尋最佳位置點集合尋找各時刻的最終位置。

3 結語

深部礦井提升裝備無線健康監測傳感器網絡是基于無線通信技術和多功能傳感器技術而建立的應用于深部礦產資源開發時提高礦井提升裝備運行可靠性的傳感器網絡，其中的關鍵技術是對提升裝備傳感器節點的定位方法研究，尤其是當提升裝備在罐道窄長封閉空間中做高速重載運動時，及時準確地定位提升裝備傳感器節點，對于深部礦井提升裝備的可靠運行至關重要，也將直接影響到我國深部資源開發戰略的順利實施。

參考文獻：

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