采煤工作面無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化方法

鄒翔宇， 劉燕， 趙端， 蹤征雪，史新國， 翟勃， 王衛(wèi)龍

(1.礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221008；3.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山東 淄博 255199)

0 引言

2020年2月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委明確提出推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)要求。作為煤礦智能化的核心部分，工作面智能化水平與環(huán)境、設(shè)備、人員等數(shù)據(jù)的有效獲取息息相關(guān)。因工作面環(huán)境惡劣、設(shè)備較多，且設(shè)備隨工作面推進(jìn)而移動，而有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)存在敷設(shè)困難、易破壞等缺點(diǎn)，因此無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用于工作面人、機(jī)、環(huán)信息采集[1-2]。

采煤工作面空間狹長，無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中靠近工作面兩端的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量大、消耗能量多，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中能量分布不均[3]。此外，無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，受工作面復(fù)雜環(huán)境影響，人工維護(hù)和更換電池難度大[4]。因此，無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)易受到部分監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能量供給不足的影響，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生命周期短，生產(chǎn)安全得不到保障。為了解決上述問題，本文提出基于移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能量補(bǔ)充，以優(yōu)化采煤工作面無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合采煤工作面無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，利用采煤機(jī)的移動性提出了一種基于移動節(jié)點(diǎn)的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化方法。該方法在采煤機(jī)上安裝移動節(jié)點(diǎn)對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并對能量消耗過快的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)能量均衡目的，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

1 采煤工作面無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)模型

采煤工作面無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通常由布置在工作面及采空區(qū)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、布置在工作面巷道的Sink節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，監(jiān)測信息主要包括溫度、濕度、瓦斯?jié)舛取⒚簤m濃度、采煤機(jī)位置、液壓支架壓力等[12-14]。本文提出的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型中加入移動節(jié)點(diǎn)，并賦予其部分Sink節(jié)點(diǎn)功能和能量補(bǔ)充功能，如圖1所示。

圖1 采煤工作面無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Wireless monitoring network of coal mine working face

假設(shè)采煤工作面空間為長度為X、寬度為Y的矩形區(qū)域，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分布在該區(qū)域內(nèi)，移動節(jié)點(diǎn)在區(qū)域中部勻速往返運(yùn)動，Sink節(jié)點(diǎn)分布在該區(qū)域兩側(cè)。K個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)位置固定，為(xk,yk),k∈{1,2,…,K}。移動節(jié)點(diǎn)速度為V，則移動節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻的位置已知。

網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)維護(hù)同一個(gè)變量表，包括3種節(jié)點(diǎn)的信息。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)可判斷移動節(jié)點(diǎn)到達(dá)其通信范圍的時(shí)間，從而盡量選擇移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在采煤機(jī)移動過程中，移動節(jié)點(diǎn)不斷向周圍的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)輻射射頻能量，根據(jù)周圍節(jié)點(diǎn)的剩余能量調(diào)節(jié)發(fā)射功率，對其進(jìn)行能量補(bǔ)充。

2 數(shù)據(jù)傳輸方案

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)周期性地采集工作面環(huán)境數(shù)據(jù)，通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)或移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。移動節(jié)點(diǎn)可移動至Sink節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，所以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量選擇移動節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，取代傳統(tǒng)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)模式。加入移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的路由如圖2所示。

圖2 加入移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的路由Fig.2 Route after adding mobile node forwarding

通過移動節(jié)點(diǎn)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)可節(jié)省其他節(jié)點(diǎn)能耗。本文不考慮路由協(xié)議中的簇頭選擇問題，通過引入移動節(jié)點(diǎn)對原有路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計(jì)了普通傳輸和緊急傳輸2種模式。

(1) 普通傳輸模式。當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)未超過傳輸閾值時(shí)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選擇移動節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)先將采集數(shù)據(jù)緩存，并根據(jù)變量表判斷移動節(jié)點(diǎn)到達(dá)其通信范圍的時(shí)間，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)到達(dá)其通信范圍時(shí)建立通信連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動節(jié)點(diǎn)。移動節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，當(dāng)其移動至Sink節(jié)點(diǎn)1跳通信范圍時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至Sink節(jié)點(diǎn)。

(2) 緊急傳輸模式。當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)超過傳輸閾值時(shí)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)判斷移動節(jié)點(diǎn)是否在其通信范圍內(nèi)，若是則將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動節(jié)點(diǎn)，反之將數(shù)據(jù)發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，判斷移動節(jié)點(diǎn)是否在其通信范圍內(nèi)，即優(yōu)先選擇移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)經(jīng)簇頭節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至最近的Sink節(jié)點(diǎn)。

聯(lián)合國教科文組織提出未來教育是讓學(xué)生“學(xué)會認(rèn)知”“學(xué)會做事”“學(xué)會共同生活”“學(xué)生生存”。各國都在不斷地進(jìn)行教育改革，探索新的教育方法。以學(xué)生為主體，讓學(xué)生在“做中學(xué)”的教學(xué)方式越來越得到推崇，這其中“做中學(xué)”的做，即是參與活動，動手操作，親自感知的意思。

基于移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3 基于移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.3 Data transmission process based on mobile node

以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)S1數(shù)據(jù)到達(dá)模型(圖4)為例說明基于移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方案。B0為傳輸閾值。假設(shè)移動節(jié)點(diǎn)在t4時(shí)刻到達(dá)S1通信范圍內(nèi)，S1每次發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗為E1。在t1時(shí)刻，S1監(jiān)測到數(shù)據(jù)B1，判斷移動節(jié)點(diǎn)尚未到達(dá)其通信范圍，B1B0，立即發(fā)送B3，耗能E1。在t4時(shí)刻，S1監(jiān)測到數(shù)據(jù)B4，判斷移動節(jié)點(diǎn)到達(dá)其通信范圍，立即發(fā)送B4，耗能E1。上述過程共耗能2E1。若采用周期性監(jiān)測發(fā)送模式而無移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，則耗能4E1。可見，基于移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方案減少了冗余數(shù)據(jù)發(fā)送和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能耗。

圖4 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)模型Fig.4 Data arriving model of monitoring node

3 能量補(bǔ)充方案

在井下復(fù)雜環(huán)境中，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)不同，因此其數(shù)據(jù)傳輸周期和單次傳輸數(shù)據(jù)量不同，使得能耗不同。針對該情況，本文提出基于移動節(jié)點(diǎn)的能量補(bǔ)充方案。該方案通過調(diào)節(jié)移動節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，對所需能量少的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行小功率充電，對所需能量多的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大功率充電。移動節(jié)點(diǎn)隨采煤機(jī)移動過程中不斷輻射射頻能量，從而對周圍的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充。本文只考慮移動節(jié)點(diǎn)到監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的無線能量傳輸鏈路。將采煤機(jī)從工作面一端移動到另一端的時(shí)間記為T，將T分成N個(gè)時(shí)隙，則每個(gè)時(shí)隙的長度δ=T/N。δ足夠小，可認(rèn)為移動節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙的位置不變，為(x(n),y(n)),n∈{1,2,…,N}。設(shè)移動節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為P(0≤P≤Pmax，Pmax為移動節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射功率)，路徑損耗模型為自由空間路徑損失模型，則在第n個(gè)時(shí)隙，從移動節(jié)點(diǎn)到第k個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的信道增益為

(1)

在第n個(gè)時(shí)隙，第k個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)獲得的能量為

(2)

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)按需充電，提出以下優(yōu)化問題。

(3)

式中：Ek為第k個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在充電周期T內(nèi)獲得的總能量；γk為第k個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分配的能量比例。

式(3)為線性規(guī)劃問題，可通過Matlab工具箱求解。

4 仿真與結(jié)果分析

采用Matlab軟件，從網(wǎng)絡(luò)剩余能量、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活數(shù)及網(wǎng)絡(luò)生命周期的角度對基于移動節(jié)點(diǎn)的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化方法進(jìn)行仿真。仿真設(shè)置：X=300 m，Y=5 m，β0=-30 dB，P=40 dB·m，K=80；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，初始能量均為1 J；移動節(jié)點(diǎn)在區(qū)域中間勻速移動，V=5 m/min;未加入移動節(jié)點(diǎn)時(shí)，無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇LEACH協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)剩余能量仿真結(jié)果如圖5所示。可看出采用LEACH協(xié)議時(shí)，無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行200輪后剩余能量為10 J，運(yùn)行475輪后能量耗盡；加入移動節(jié)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行200輪后剩余能量為40 J，運(yùn)行1 000輪后能量耗盡。主要原因是在LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上加入移動節(jié)點(diǎn)后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)會盡量選擇移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)不再是1跳將數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)，而是選擇移動節(jié)點(diǎn)和其他簇頭節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，避免了區(qū)域中心監(jiān)測節(jié)點(diǎn)因離Sink節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)而過早地耗盡能量，同時(shí)通過設(shè)定傳輸閾值，減少了冗余數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送。

圖5 網(wǎng)絡(luò)剩余能量仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of residual network energy

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)獲得的補(bǔ)充能量仿真結(jié)果如圖6所示。可看出節(jié)點(diǎn)獲得的能量不均衡，原因是各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測任務(wù)不同，且受監(jiān)測數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)采集和傳輸周期、與Sink節(jié)點(diǎn)距離等因素影響，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)的能耗不同。移動節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能耗需求對其進(jìn)行能量補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際意義上的能量均衡。

圖6 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)獲得的補(bǔ)充能量仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of energy supplement of monitoring nodes

無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)存活數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示。可看出隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存活的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)不斷減少，這是由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)不斷采集、發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其能量耗盡而死亡；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行輪數(shù)相同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)在采用LEACH協(xié)議、移動節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方案、移動節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和能量補(bǔ)充方案時(shí)，存活的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)依次增多。

圖7 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)存活數(shù)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of alive monitoring nodes in network

考慮工作面監(jiān)測區(qū)域狹長特點(diǎn)，定義當(dāng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中70%的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)無法保證正常數(shù)據(jù)傳輸，即網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)死亡率為70%時(shí)的運(yùn)行時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)生命周期。從圖7可看出，采用LEACH協(xié)議、移動節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方案、移動節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和能量補(bǔ)充方案時(shí)，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分別在運(yùn)行210，470，800輪時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)死亡率達(dá)70%，可見采用本文提出的能量優(yōu)化方法時(shí)，無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)生命周期較采用LEACH協(xié)議時(shí)延長了2.8倍。

5 結(jié)語

結(jié)合采煤工作面環(huán)境，對無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)采煤機(jī)移動特點(diǎn)，引入移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并設(shè)定傳輸閾值，減少了簇頭節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，避免了冗余數(shù)據(jù)傳輸。在此基礎(chǔ)上，提出了能量補(bǔ)充方案，通過移動節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)按需補(bǔ)充能量。仿真結(jié)果表明，基于移動節(jié)點(diǎn)對無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量優(yōu)化后，網(wǎng)絡(luò)能耗較采用LEACH協(xié)議時(shí)低，網(wǎng)絡(luò)能量分布均衡，運(yùn)行相同輪數(shù)時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)死亡率大幅降低，網(wǎng)絡(luò)有效生命周期延長了2.8倍。