深部矿井提升装备无线传感器节点定位方法研究

莫新楠

摘 要：近年来，随着深部（埋藏深度>1000m）矿产资源的进一步开发，提高深部矿井提升装备运行的可靠性成为了我国深部资源开发的重要举措。与此同时，随着具有感知环境、数据处理、无线通信功能的传感器节点得到了广泛应用，运用无线传感器网络技术对深部矿井提升装备进行健康监测是推动提升装备从安全检测走向健康监测的重要趋势。本文介绍了在结合深部矿井提升装备健康监测系统工作在恶劣的自然条件的状况下，利用有限信息时间和空间相关性，运用面向稀疏网络部署的提升容器三维定位算法，掌握深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络中提升容器节点的运动规律，估计提升容器传感器节点运动状态及相对位置关系，确定其三维位置的技术。

关键词：深部矿井；部署策略；节点定位；跟踪

1 深部矿井提升装备无线传感器网络研究现状

作为目前运输深部（埋藏深度>1000m）矿产资源的唯一工具，深部矿井提升装备的可靠运行将直接影响到我国深部资源开发战略的顺利实施。运用无线传感器网络技术[ 1 ][ 2 ]对深部矿井提升装备进行健康监测是推动提升装备从安全检测[ 3 ][ 4 ]走向健康监测的重要趋势[ 5 ]。由于深部矿井的建设起步较晚，针对无线传感器网络技术与深部矿井提升装备健康状况监测相互结合较少[ 6 ]，对深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络的研究尚存诸多不足，尤其由于提升装备在罐道窄长封闭空间中高速重载运动，传统无线节点的部署与定位方法[ 7 ][ 8 ]无法满足该条件下数据高质量传输的需求，目前尚缺乏用于窄长封闭空间内网络节点移动定位与目标跟踪方面的研究。

2 深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络

1）深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络的关键技术。由于深部矿井提升装备健康监测系统（如图1所示）工作在恶劣的自然条件和苛刻的窄长封闭空间中，无线传感器节点不能随意部署且节点稀疏分布，在此场景下不能保证从足够数量的节点获取位置信息，从而造成提升容器上的节点在移动过程中定位失败。因此，利用有限信息时间相关性和空间相关性，估计提升容器传感器节点运动状态及相对位置关系，并确定提升容器传感器节点的三维位置，是深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络关键技术。

2）深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络关键技术路线。在研究采深部矿井提升装备无线传感器节点定位方法时用到了理论分析、算法设计、仿真模拟与工业试验相结合的方式。

首先，分析深部矿井罐道窄长封闭空间状态和参数特点，结合提升容器在罐道中的移动特性和扰动运动参数，根据运动学方程构建窄长封闭空间移动节点的移动模型时，并对模型进行仿真评估及实验验证，如图2所示。

其次，在所构建的提升容器传感器节点移动模型基础上，分类研究罐道上部署不同节点数量下的移动节点定位方法。a.当仅有两个节点接收到移动节点信号时，研究利用到达时间差估计提升容器位置并约束其信号覆盖可能的范围；b.当仅有一个节点收到移动节点信号时，研究移动情况下无需时间同步的测距方法；c.在没有接收到任何节点信号时，研究消息发送及响应机制，利用历史位置信息及模型参数信息，推断提升容器位于的可能区域。与此同时，根据节点间的位置关系，快速裁减估计区域范围。最后，由于没有充分利用节点移动过程中的时间相关性和空间相关性，若仅在一个定位周期内计算移动节点位置，并不能取得良好定位效果，在本课题中，合并移动节点的多个定位周期内所估计区域，基于动态规划方法搜寻最佳位置點集合寻找各时刻的最终位置。

3 结语

深部矿井提升装备无线健康监测传感器网络是基于无线通信技术和多功能传感器技术而建立的应用于深部矿产资源开发时提高矿井提升装备运行可靠性的传感器网络，其中的关键技术是对提升装备传感器节点的定位方法研究，尤其是当提升装备在罐道窄长封闭空间中做高速重载运动时，及时准确地定位提升装备传感器节点，对于深部矿井提升装备的可靠运行至关重要，也将直接影响到我国深部资源开发战略的顺利实施。

参考文献：

[1] Akyildiz I F， Su W， Sankarasubramaniam Y， et al. Wireless sensor networks：a survey.Computer Networks，2002，38（4）：393-422.

[2] 刘晓文.基于WNS的煤矿井下监控网络平台关键技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[3].张力.加强煤矿安全生产责任体系建设研究.中国煤炭，2009（9）：98-100.

[4] 夏恒星.基于无线传感器网络的矿井安全监测系统的研究与实现[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[5] Wang Y， Huang L， Yang W.A novel real-time coalminer localization and tracking system based on self-organized sensor networks. EURASIP J.Wirel.Commun.Netw，2010，2010：1-5.

[6] 陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009：1-25.

[7] 孙燕，尚军亮，刘三阳.基于采样优化的蒙特卡罗移动节点定位算法.系统工程与电子技术，2010（09）：2001-2004.

[8] 吴小兵，陈贵海.无线传感器网络中节点非均匀分布的能量空洞问题.计算机学报，2008（2）：253-261.