基于物聯網的煤礦監測系統設計及可靠性保障機制分析

(華北科技學院 河北 廊坊 065201)

引言

煤礦重大、特大事故的不斷發生給社會帶來了許多不良影響。雖然現狀已經有一些煤礦開始配備一些安全監控系統，但是當前煤礦安全監控系統還存在一些問題，主要有：(1)井下現有傳輸系統有線傳輸；(2)各類監測傳感器數量有限，不能實現全覆蓋；(3)生產條件惡劣，信號存在誤差；(4)信息處理技術落后，識別過程中經常存在判決誤差，不能及時發現重大災害隱患等情況[1-3]。

一、研究現狀

目前我國根據實際情況先后研發了KJ70型煤礦安全監控系統、U90型煤礦綜合監控系統、WMIS煤礦安全生產信息實時監測系統等，在國內已經開始大面積使用，其系統結構如圖1所示。

圖1 我國煤礦常用的安全監控系統結構

KJ82和KJ122等基于以太網的礦井綜合安全監測監控系統已經在煤礦產業得到廣泛使用，但這些系統仍然存在擴展性不夠、靈活性低和覆蓋面積小等方面的不足。無線傳感器網絡(WSN)的出現給煤礦安全監控系統帶來了新思路，其特有的優點：擴展簡便、放置靈活、自組織、移動性強等，對實現系統進行信息的集成、融合和決策提供了可能。但是，由于WSN工作環境的特殊性，現有的研究成果并不能直接應用，要重新研究WSN的控制算法、通信標準、組網形式等內容。

二、監測系統設計

(一)系統需求分析

任何系統在開發之前都要進行系統需求分析，本文設計的煤礦作業環境監測系統主要由井下監測系統和地面控制中心組成。井下監測系統通過在監測區域內部署大量的無線傳感器節點，來達到對井下環境參數測量的目的。該系統布置環境具有相當的特殊性，因此，新設計的煤礦作業環境監測系統需要滿足以下要求：1.抗干擾能力強；2.網絡生命周期長；3.外網通信接口；4.自組織網絡的能力強；5.節點種類多樣，功能各異。

(二)監測系統設計

針對復雜的井下環境，設計了一種適用于進行煤礦井下作業環境參數監測的無線傳感器網絡系統結構，總體結構如圖4所示：

圖4 無線傳感器網絡系統架構

井下監測系統主要組成部分：1.關鍵節點：分巷外節點、巷道內節點。兩種節點在應用時，巷道內節點只開啟無線通信功能，而巷道口和主巷道的關鍵節點則開啟有線和無線兩種通信方式來實現將無線傳感器節點匯聚得數據與基站數據的交換。2.傳感器節點：負責監測區域的環境數據采集，并將數據通過無線通信方式發送給鄰近節點，最后匯聚到關鍵節點。

(三)傳感器節點方案設計及硬件設計

1.節點方案設計。傳感器節點的主要工作是負責監測區域環境數據的監測、采集、傳輸，由處理器模塊、傳感器模塊。電源模塊和無線傳輸模塊構成。具體設計如圖6所示：

圖6 傳感器節點設計圖

2.節點硬件設計。作為一個微型化的嵌入式系統，無線傳感器節點是構成無線傳感器網絡的基礎支持平臺，傳感器網絡節點硬件功能具體設計如圖7 所示。

圖7 傳感節點硬件設計

(四)基站設計

基站負責無線傳感器關鍵節點匯聚的數據傳輸，考慮基站需求，基站具體設計圖8所示，兼容了存儲、報警及供電類型檢測等功能。

圖8 基站設計框圖

三、監測系統可靠性保障機制與分析

(一)關鍵節點可靠性保障機制與分析

在監測過程中，如果簇頭節點失效，將導致簇中感知節點采集的所有數據丟失，這將對系統的可靠性造成嚴重的影響[16]。如果一個簇頭節點失效后，普通節點重新選擇其他的簇頭節點進行數據的交付，不僅對失效簇中的節點來是一個復雜的過程，而且對欲加入的簇來說，如何處理新加入的節點，也是一項不容易的任務。解決這種情況的一個簡單而有效的方法是采取簇頭節點的備份冗余，如圖9(b)、9(c)所示，圖9(a)為單個簇頭節點，圖9(b)、9(c)為簇頭節點組。當一個簇頭節點失效后，另一個備份的簇頭節點接替工作，不僅降低了路由尋徑的開銷，也降低了其他簇頭節點控制的復雜性。

由于每側墻壁上的簇頭節點是以鏈式方式相連，它們所形成的拓撲結構為串聯結構，如圖9(a)所示。因此，如若某個節點出現故障則這個節點之前的數據很難交付，采取簇頭節點冗余備份后，鏈路結構如圖9(b)、9(c)所示，此時每個簇頭不再是單個的故障體，而是一個簇頭節點組，每個組中包含兩個簇頭節點。采用這種機制后，當個別節點失效依然可以保證通信鏈路的連通性。

(a)單個簇頭節點 (b)簇頭節點組 (c)節點組某個節點失效

(1)

(二)基站可靠性保障機制與分析

如果單從提高系統可靠度的角度來說，基站系統宜采用兩個基站的方式。在安全監測系統正常工作時，系統和任意基站傳輸子系統出現故障時，系統會自動切換到另一個基站繼續進行數據傳輸工作，從而保證監測系統的高度可靠性。

與傳感器節點子系統不同，基站和通信方式只需有且只有一個系統運行即可，不需要兩個基站和通信方式同時運行，當一個基站或是通信方式故障時直接切換到另一個繼續工作即可。由分析知基站內部系統冗余系統符合熱備冗余的特點，因此本論文需要通過建立動態故障樹與馬爾可夫鏈相結合的方法如圖10所示，來求解基站系統的可靠度。

圖10 動態故障樹模型對應的馬爾科夫鏈狀態轉移圖

依據馬爾科夫二次狀態轉移公式得到頂事件的故障發生概率為：

(2)

假設基站的失效率為λJ，切換裝置的失效率為λQ，則冗余后基站的失效率為λZJ=λJ+λQ，那么基站的可靠度為：

r′=2e-λ1t-e-2λ1t

(3)

(三)數據傳輸可靠性保障機制與分析

在煤礦作業環境等基于物聯網的安全生產監測監控中，因為監測區域與地面監控中心進行數據傳輸的特殊性，在地面基站采用包括GPRS、3G、互聯網、衛星通信、微波、衛星傳輸等。這些通信在傳輸形式、費用、帶寬等都大不相同，在時間部署時要根據監測煤礦的實際通信狀況再考慮其費用、可靠性等條件，選擇同時用三種不同的傳輸方式進行數據傳輸，提高地面基站向監控中心傳輸的可靠性。

設計一個數據傳輸的三冗余并聯結構，即為：基站1和基站2之間相互冗余，通信方式1和通信方式2相互冗余，冗余后的基站和通信方式再串聯起來。如圖11所示：

圖11 具有三冗余和重傳功能的數據傳輸架構

假設煤礦環境無線傳感器監測區域網關可靠性為rs、信息傳輸和反饋可靠性均為rm、地面管理中心網關的可靠性為rr，并假設當傳輸失敗后成功啟動重傳系統的概率為c，那么整個數據傳輸系統的第k次重傳可靠性為：

(4)

則，基站-數據傳輸系統的可靠性為：

RJS=rkr′=(2e-λ1t-e-2λ1t)[rk-1(1-crmr0)+crmr0]

(5)

(6)

四、總結

1.對煤礦進行分析，設計出基于無線傳感器網絡的監測系統，并重點介紹了基站和節點的設計。

2.研究了提高基于無線傳感器網絡的安全監控系統可靠性的相關機制，一方面在討論井下傳感器關鍵節點重要性的基礎上對關鍵節點進行備份冗余，另一方面考慮地面基站以及數據傳輸的可靠性，對基站進行動態失效分析，進行并聯冗余設計；對數據傳輸方式進行三冗余數據重傳的方式，來提高整個系統的可靠性。

3.從理論分析來看，本文中所提出的方法對提高煤礦安全監測的拓撲可靠性具有顯著效果。

4.本文所提出的監測系統仍處于模擬仿真階段，研究的目的是將該系統及可靠性保障機制應用于將來煤礦安全生產實時監測監控等方面。