论文部分内容阅读
摘要：本文针对矿井的特殊应用环境，对井下无线通信系统展开基础性理论研究。文章提出从集总式通信系统向分布式通信系统的演进，阐述了软件可配的自适应组网方案，使得网络能够在某些链路或节点失效时重新自组网。论文从通信系统的有效性和可靠性两大方面展开论述：首先从有效性方面，给出基于场强的路由方案，该方案可以避免信息在网络中低效传输的问题，最大限度的延长网络生命周期;其次对于传输的可靠性，本文提出累积接收和多节点协作传输的思想并给出理论推导及仿真结果，结果表明接收端信噪比得到改善，最终提高了通信的可靠性，使得当井下事故发生时能够最大限度的保障通信需求。这些技术的提出为更灵活、高效、可靠的下一代井下无线通信系统打下了坚实基础。
关键词：井下无线通信;分布式;自适应组网;有效性;可靠性
1.概述
通信技术的飞跃式发展已经改变了我们的生活方式，也正在深刻影响着煤炭企业的管理模式和生产方式。煤礦通信技术所涵盖的范围相当广泛，从设备之间基于工业控制网络相互传递信号，到人与设备间通过工业以太网进行信息交互，再到人与人之间利用各种有线、无线系统进行调度、管理，可以说煤矿通信技术洗及到了煤矿安全生产、生活的各个方面，建立更加完善的煤矿通信系统已成为当前需要解决的重要问题。
2.系统结构
我们以通用无线通信节点为基础组成井下无线通信网络。整个井下无线通信系统由地面通信中心，井下无线通信节点（包括路由节点，基站节点，无线终端）等功能部分组成。在通常情况下，路由节点和基站节点之间仍可以采用有线连接（光纤或电缆）以兼容现有系统。而当事故发生时，节点之间的有线链路失效，这时可以立即切换为无线连接模式，节点之间通过多跳方式回传信息。与传统网络相比，该分布式网络结构具有扁平化特征，组网灵活，有利于提高网络的容错性。
值得注意的是，路由节点、基站节点甚至是无线终端三者在硬件结构上没有本质的区别，只是工作在不同的模式。一旦当前路由节点或基站节点失效，网络可以迅速的“推选”出另一个路由或基站节点，从而保证了网络生命周期的延续。
3.解决方案
3.1基干场强的定向路由策略
路由就是将信息从源节点经过网络传递到目的节占的过程。对于有线网络，由于其拓扑连接关系固定，因此可以建立维护一个路由表，每个信息数据包在网络中将按照路由表的规划依次传播。而对于无线自组织网络，其位置拓扑关系时刻发生变化，其路由方案“天生”就是动态的，因此无法采用静态路由表的方式，而需要网络具有拓扑发现的功能。最直接的无线路由方式是进行“洪泛”式的广播，即任意一个正确接收数据包的节点，只要其不是最终目的节点，都将该数据包转发。可以想象，在这样的算法结构下，一个数据包会在网络中像洪水一样幕延，消息传播的能耗成本很高，并且数据包还会在节点间反复传递，最终导致网络寿命缩短。
这里提出一种基于目的节点场强指示的定向扩散路由方法，通过各节点收到的目的节点场强对数据的扩散方向进行引导。我们知道，无线电波场强随着传播距离的增加而衰减，因此可以让目的节点首先发射一个数据包用来建立场强信息，各接收节点可以根据接收信号的强度来判断自身在网络中的拓扑位置。由此建立一个以目的节点为中心的“梯度场”，迫使数据包只能向目的节点方向传播，这样就消除了传统网络中数据包环形传递的问题。
3.2累积接收提高传输可靠性
当井下发生坍塌事故时，往往出现被困人员与地面和救援人员失去联系的情况。传统集总式通信网络一旦关键线路被损毁，就意味着通信的彻底中断，这会给人们尤其是被困人员的心理造成巨大压力。而现有的井下无线通信系统并没有任何对抗坍塌面的特殊技术，即信号在坍塌面的衰减过大导致无线信号无法穿透坍塌面。
众所周知，坍塌面实际上是对信号的大幅度衰减，使得接收端信噪比降低，最终阻碍了正常通信。为此，我们可以将通信速率降低，通过将同一个呼救信号多次发送，使得救援接收机可以累积接收，确定性的信号不断累积，而随机噪声则相互抵消，最终提高信噪比以达到正确接收呼救信号的效果。
3.3多节点协作回传救援信号
利用时间上的传输效率换取了传输可靠性。事实上，还可以从另一个维度——空间来考虑传输效率和传输可靠性的折中。这里我们利用无线通信节点成本低、布置密度大的特点（例如每个工人身上佩戴一个），当多个小功率节点同时发射时会在空间形成电磁波叠加，因此本文提出采用多个节点以协作发射的方式将呼救信号的能量集中起来，即模拟出一个大功率的信号从而穿透坍塌面。
值得说明的是，这种多个小功率节点合成大功率信号的方式，较直接使用单个大功率节点方式有其额外优势：首先，小功率节点的成本低，重量轻，体积小，便于大量部署和随员携带;其次，小功率节点可以采用简单而高效的恒包络调制方式，进一步降低节点功耗：更为重要的是，由于效率较低，无线发射机实际从天线发射的信号只占其总功率的很小一部分，因此大功率发射机实际上节点本身会承载更大功率的信号，这大大增加了放电击穿烧毁等事故的可能性，而这种放电打火等情况在矿井中应尤其避免，事实上，小功率节点将大功率发射机的能量分布式的存储起来，成为更为安全的使用方式。
3.4智慧煤矿的数据传播载体
智慧煤矿拥有大量的传感设备，如对环境、机电设备以及温度的感知设备，像锚杆定位传感器、油温油位传感器以及主运胶带故障传感器等，将其植入到自然对象或者是机械设备当中就可以很好地感知到对象动态或者是静态特性。将这种智能化的通信系统应用到煤矿井下通信系统当中可以使得整个管理工作更加智能化，很好地实现了煤矿生产设备“监测、管理、控制”智慧化的运行。如果将云计算和虚拟现实技术等各种互联网技术进行充分的融合利用还可以实现煤矿生产运行过程的无人值守，大大提高了生产效率和生产质量，同时还可以降低生产成本，不断优化各个生产运营环节。
矿井矿压的监测一般都是通过对一些关键性区域的液压支架压力进行监测来实现的，一般情况下每个矿井都会在关键部位设置一定的矿压传感器，无线通信系统就可以将这些支架上的数据及时输送到地面控制中心，数据一旦超出限定范围就会发出报警信号，井下工作人员就会第一时间收到警报信息，这样就可以避免一些不必要的伤害。无线通信系统在井下作业中的应用实现了实时语音和视频通信，这样地面控制中心就可以第一时间获取井下人员和设备相关信息，地面所发送的各种信息井下工作人员也可以及时收到，提高了井下作业的安全性。
结论
本文以无线通信网络为基础，对下一代井下无线通信系统展开基础性研究。针对矿井的特殊应用环境，提出软件配置的自适应组网方案，使得网络能够在某些链路或节点失效时重新自组网，同时具体给出基于场强的组网路由方案，并最大限度的延长网络生命周期，保证网络通信的可靠性和有效性。
参考文献
[1]吕志强，煤矿井下通信系统的现状及趋势[J].中国煤炭，2014，40（05），89-92
[2]杨雷，基于无线mesh网络的井下应急通信系统[D].重庆：重庆大学信息技术自动化，2013
[3]顾义东.无线Mesh技术在煤矿工作面通信系统中的应用[J].工况自动化，2014，40（12），96-98
关键词：井下无线通信;分布式;自适应组网;有效性;可靠性
1.概述
通信技术的飞跃式发展已经改变了我们的生活方式，也正在深刻影响着煤炭企业的管理模式和生产方式。煤礦通信技术所涵盖的范围相当广泛，从设备之间基于工业控制网络相互传递信号，到人与设备间通过工业以太网进行信息交互，再到人与人之间利用各种有线、无线系统进行调度、管理，可以说煤矿通信技术洗及到了煤矿安全生产、生活的各个方面，建立更加完善的煤矿通信系统已成为当前需要解决的重要问题。
2.系统结构
我们以通用无线通信节点为基础组成井下无线通信网络。整个井下无线通信系统由地面通信中心，井下无线通信节点（包括路由节点，基站节点，无线终端）等功能部分组成。在通常情况下，路由节点和基站节点之间仍可以采用有线连接（光纤或电缆）以兼容现有系统。而当事故发生时，节点之间的有线链路失效，这时可以立即切换为无线连接模式，节点之间通过多跳方式回传信息。与传统网络相比，该分布式网络结构具有扁平化特征，组网灵活，有利于提高网络的容错性。
值得注意的是，路由节点、基站节点甚至是无线终端三者在硬件结构上没有本质的区别，只是工作在不同的模式。一旦当前路由节点或基站节点失效，网络可以迅速的“推选”出另一个路由或基站节点，从而保证了网络生命周期的延续。
3.解决方案
3.1基干场强的定向路由策略
路由就是将信息从源节点经过网络传递到目的节占的过程。对于有线网络，由于其拓扑连接关系固定，因此可以建立维护一个路由表，每个信息数据包在网络中将按照路由表的规划依次传播。而对于无线自组织网络，其位置拓扑关系时刻发生变化，其路由方案“天生”就是动态的，因此无法采用静态路由表的方式，而需要网络具有拓扑发现的功能。最直接的无线路由方式是进行“洪泛”式的广播，即任意一个正确接收数据包的节点，只要其不是最终目的节点，都将该数据包转发。可以想象，在这样的算法结构下，一个数据包会在网络中像洪水一样幕延，消息传播的能耗成本很高，并且数据包还会在节点间反复传递，最终导致网络寿命缩短。
这里提出一种基于目的节点场强指示的定向扩散路由方法，通过各节点收到的目的节点场强对数据的扩散方向进行引导。我们知道，无线电波场强随着传播距离的增加而衰减，因此可以让目的节点首先发射一个数据包用来建立场强信息，各接收节点可以根据接收信号的强度来判断自身在网络中的拓扑位置。由此建立一个以目的节点为中心的“梯度场”，迫使数据包只能向目的节点方向传播，这样就消除了传统网络中数据包环形传递的问题。
3.2累积接收提高传输可靠性
当井下发生坍塌事故时，往往出现被困人员与地面和救援人员失去联系的情况。传统集总式通信网络一旦关键线路被损毁，就意味着通信的彻底中断，这会给人们尤其是被困人员的心理造成巨大压力。而现有的井下无线通信系统并没有任何对抗坍塌面的特殊技术，即信号在坍塌面的衰减过大导致无线信号无法穿透坍塌面。
众所周知，坍塌面实际上是对信号的大幅度衰减，使得接收端信噪比降低，最终阻碍了正常通信。为此，我们可以将通信速率降低，通过将同一个呼救信号多次发送，使得救援接收机可以累积接收，确定性的信号不断累积，而随机噪声则相互抵消，最终提高信噪比以达到正确接收呼救信号的效果。
3.3多节点协作回传救援信号
利用时间上的传输效率换取了传输可靠性。事实上，还可以从另一个维度——空间来考虑传输效率和传输可靠性的折中。这里我们利用无线通信节点成本低、布置密度大的特点（例如每个工人身上佩戴一个），当多个小功率节点同时发射时会在空间形成电磁波叠加，因此本文提出采用多个节点以协作发射的方式将呼救信号的能量集中起来，即模拟出一个大功率的信号从而穿透坍塌面。
值得说明的是，这种多个小功率节点合成大功率信号的方式，较直接使用单个大功率节点方式有其额外优势：首先，小功率节点的成本低，重量轻，体积小，便于大量部署和随员携带;其次，小功率节点可以采用简单而高效的恒包络调制方式，进一步降低节点功耗：更为重要的是，由于效率较低，无线发射机实际从天线发射的信号只占其总功率的很小一部分，因此大功率发射机实际上节点本身会承载更大功率的信号，这大大增加了放电击穿烧毁等事故的可能性，而这种放电打火等情况在矿井中应尤其避免，事实上，小功率节点将大功率发射机的能量分布式的存储起来，成为更为安全的使用方式。
3.4智慧煤矿的数据传播载体
智慧煤矿拥有大量的传感设备，如对环境、机电设备以及温度的感知设备，像锚杆定位传感器、油温油位传感器以及主运胶带故障传感器等，将其植入到自然对象或者是机械设备当中就可以很好地感知到对象动态或者是静态特性。将这种智能化的通信系统应用到煤矿井下通信系统当中可以使得整个管理工作更加智能化，很好地实现了煤矿生产设备“监测、管理、控制”智慧化的运行。如果将云计算和虚拟现实技术等各种互联网技术进行充分的融合利用还可以实现煤矿生产运行过程的无人值守，大大提高了生产效率和生产质量，同时还可以降低生产成本，不断优化各个生产运营环节。
矿井矿压的监测一般都是通过对一些关键性区域的液压支架压力进行监测来实现的，一般情况下每个矿井都会在关键部位设置一定的矿压传感器，无线通信系统就可以将这些支架上的数据及时输送到地面控制中心，数据一旦超出限定范围就会发出报警信号，井下工作人员就会第一时间收到警报信息，这样就可以避免一些不必要的伤害。无线通信系统在井下作业中的应用实现了实时语音和视频通信，这样地面控制中心就可以第一时间获取井下人员和设备相关信息，地面所发送的各种信息井下工作人员也可以及时收到，提高了井下作业的安全性。
结论
本文以无线通信网络为基础，对下一代井下无线通信系统展开基础性研究。针对矿井的特殊应用环境，提出软件配置的自适应组网方案，使得网络能够在某些链路或节点失效时重新自组网，同时具体给出基于场强的组网路由方案，并最大限度的延长网络生命周期，保证网络通信的可靠性和有效性。
参考文献
[1]吕志强，煤矿井下通信系统的现状及趋势[J].中国煤炭，2014，40（05），89-92
[2]杨雷，基于无线mesh网络的井下应急通信系统[D].重庆：重庆大学信息技术自动化，2013
[3]顾义东.无线Mesh技术在煤矿工作面通信系统中的应用[J].工况自动化，2014，40（12），96-98