一种简易的井下巷道冗余节点部署策略*

李 婧， 王华奎， 王佩琦， 李艳萍， 萧宝瑾

(1.太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024；2.山西职业技术学院 电子信息工程系，山西 太原 030006)

0 引 言

我国煤层构造复杂，生产环境恶劣，安全生产一直是制约煤炭产业发展的重要因素。通过井下布设无线传感器网络(WSNs)可以实现井下环境参数的实时监测和下井人员位置信息的查询和跟踪[1,2]。因此，将无线传感器网络应用到矿井的监测系统中，可以有效实现安全预警和及时救援。

节点如何部署是构建无线传感器网络时首先要考虑的问题，节点部署策略的优劣，直接影响到无线传感器网络的覆盖性能和使用寿命[3,4]。由于井下巷道多为狭长型，因此，监测节点的部署结构也呈带状，且不宜使用随机布撒的方式，故通常采用固定部署方式将节点有规则地放置在巷道两侧[5]。

基于三点定位的思想，监测节点的部署要尽量保证巷道中的每个位置的网络覆盖度不低于3，即能够被3个或3个以上的监测节点所覆盖，才能满足可靠定位的需求。文献[6]提出了经典的K重覆盖算法，覆盖性能良好，但对监测节点的密度要求很高，不适合井下的特殊环境。文献[7]提出了适用于井下环境的线性无线传感器网络，采用非均匀的节点部署方案，同时采用簇头节点的动态选择机制提高网络的自适应性，该算法有效延长了网络的生命周期，但需要消耗过多的传感器节点。文献[8～10]分别提出了线性、矩形、三角形的节点覆盖模型，这些部署策略都能够在一定程度上满足煤矿井下巷道无线传感器网络的覆盖要求。

为了满足节点定位和覆盖要求，本文提出了一种基于等腰三角形的冗余节点部署策略，该策略简单、实用，适合井下巷道监测节点的布置。模拟实验结果表明：此方法能够在使用较少节点的同时保证系统的通信质量和实现对移动节点的定位。

1 系统模型

1.1 井下无线传感器网络模型

井下巷道无线传感器网络包括网关(Sink)节点、监测节点和移动节点。如图1所示，网关节点通常放置在巷道的关键位置，用来将监测节点传来的信息上传给地面控制中心；监测节点均匀分布在巷道里，一方面用来对移动节点进行通信定位，另一方面对环境进行实时监测；移动节点由井下人员随身携带，节点的位置可以随时移动，能够接收地面的呼叫信息和发出求救信号。本文主要考虑监测节点的部署策略。

图1 井下无线传感器网络模型

1.2 网络覆盖模型

对于井下覆盖模型，本文采用0—1布尔感知模型[11]，感知区域是以节点为圆心，rs为感知半径的圆，对于发生在感知圆内的事件感知概率为1，发生在感知圆外的事件感知概率为0，即

(1)

式中P(i,s)为节点i对事件s的监测概率，d(i,s)为节点i到事件s的欧氏距离。

图2标出了网络覆盖度为1～4的区域。

图2 网络覆盖度示意图

2 节点部署策略

井下巷道环境特殊，不恰当的部署会影响网络的性能：节点过密容易导致网络负荷增加，影响通信质量；节点过疏则会造成定位难度的增加和精度的下降。同时井下巷道中环境复杂，各种线缆和大型设备的运作会对节点通信造成干扰，而监测节点的能量都是有限的，因此，节点失效的可能性较大。

图3 等腰三角形冗余节点部署方法

本文根据传感器网络的自组织特性，在监测节点部署时采用一种基于等腰三角形的冗余节点部署策略。如图3所示，O,A,B,C,D,E,F为监测节点所在位置，|OA|=|AB|=|BC|=|CD|…，各节点具有相同的感知半径，设为rs，巷道同侧监测节点间的距离为d，设置方式为d=rs。各节点将整个巷道分成POQ,QORA,ARBG,GBH四个区域，它们的网络覆盖度分别为2,3,4,3。区域POQ,QORA分别被O,A两节点和O,A,B三节点的感应圆覆盖，其中区域POQ不满足三重覆盖的原则，而且这两个区域一般存在于巷道的拐点或始末位置，由于建筑的遮挡，信号屏蔽比较严重[12]，影响网络通信，因此，考虑使用额外增加监测节点的弥补措施，比如：在巷道另一侧与节点O垂直处，即P点处增加一个监测节点；区域ARBG和GBH分别被O,A,B,C四节点和A,B,C三节点的感应圆覆盖，这类区域占整个巷道的绝大部分，下面主要对这类区域进行讨论。

随着巷道宽度的变大，Q点、G点与A点的距离以及R点与B点的距离在逐渐缩小，当巷道宽度增至图4情况时，Q点、G点与A点重合，R点与B点重合，此时为三重覆盖的临界状态，设巷道宽度为W，则有

(2)

此时

(3)

图4 三重覆盖的临界状态

因此,在部署监测节点时，节点间距d(感知半径rs)与巷道宽度W之间的关系应满足

(4)

节点的冗余部署法还确保了网络中每个监测节点的两侧都存在一个冗余节点，能够实现在某个节点发生故障时，通过产生新的临时链路来进行数据的传输。例如：假设数据沿着A—B—C—D—E—F的路径向网关节点进行传输，当节点D意外失效时，它的上一跳节点C会寻找其监测区域以内的其他节点，由于节点E与节点C互相处于对方的通信范围之内，此时节点C会与节点E建立临时连接，以A—B—C—E—F的路径继续传送数据，而不会由于某个节点的失效而导致通信网络的中断。

3 模拟实验与分析

3.1 通信性能分析

为了测试冗余节点部署策略对通信质量的影响，在长60 m、宽2 m、高3.8 m的楼道内进行了模拟实验，如图5所示，节点感知半径rs=20 m。

图5 实验场景

网络由一个网关节点和若干监测节点组成，实验对三种节点部署方法进行了测试比较：

1)矩形部署法：在楼道两侧同时放置监测节点，间隔为10 m，呈长宽分别为10,2 m的矩形。

2)冗余节点部署法：在墙壁两侧等腰三角形的顶点处依次放置监测节点，根据公式(4)，三角形腰长和底边分别为10.2,20 m(因实验地点长度有限，故本实验未考虑在始末位置增加监测节点)。

3)等腰三角形部署法：同样在等腰三角形的顶点处放置监测节点，采用文献[10]中的三重覆盖节点部署策略，腰长和底边的长度分别为13.45,26.6 m。

在三种分布形式下通过监测节点网络向协调器发送数量为1000的数据包，分别发送7次，并计算网络丢包率，结果如图6所示。

图6 丢包率对比图

上述实验中，在60 m长的楼道范围内，三种方法使用监测节点的个数分别为14，7，5。从对比结果可以看出：1)冗余节点部署法与等腰三角形部署法在监测节点数量相近的情况下，具有更低的丢包率；2) 冗余节点部署法在比矩形部署法监测节点数量少50%的情况下，具有相似的丢包率,这表明本文提出的部署策略在节省节点数量的同时并不影响通信质量。

3.2 定位实验

将监测节点分别固定在坐标为 (0,0),(2,10),(0,20),(2,30),(0,40),(2,50),(0,60)m的位置(其中横坐标对应楼道的宽，纵坐标对应楼道的长)，高度均为1 m。由实验人员携带传感器节点在监测区域内移动，移动节点的高度为1.6 m，移动节点采用极大似然估计法计算自身坐标，将定位结果上传并与实际坐标进行对比，定位结果如表1所示。

表1 定位结果

从表中数据可以看出：横向定位误差在0.52 m以下，纵向定位误差在2.52 m以下。实验结果表明:采用冗余节点部署法可以实现三重以上覆盖，实现移动节点的定位功能，且定位误差较小。

4 结 论

对于井下巷道无线传感器网络采用基于等腰三角形的冗余节点布置策略，该策略能够在节约节点个数的基础上，满足煤矿井下巷道无线传感器网络的三重覆盖要求，实现对携带移动节点的井下工作人员的准确定位；冗余部署方案保证网络中即使有个别节点失效也能够通过建立新的临时链路来进行数据的传输。模拟实验结果表明：该部署策略具有较好的通信质量，且满足移动节点的定位要求。

参考文献:

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