基于矿山安全预警的无线传感器网络优化研究

胡洁

摘要：针对矿山井下的生产的情况复杂、环境恶劣的特点，建立基于矿山安全预警的无线传感器网络系统，并对井下的无线传感器网络建立多路由通信机制，对网络进行优化。仿真结果表明，优化后的无线传感器网络可找到多条不相交最短路径，提升矿山安全预警系统的实时性和有效性。

关键词：无线传感器网络 矿山安全预警 多路由

我国疆域辽阔、成矿地质条件优越、矿种齐全配套、资源总量丰富，矿物能源对我国的国民经济和社会发展有特别重要的战略意义。据统计，仅2012年，我国采矿业总产值7.99万亿，占GDP的14%;全国采矿业从业人员631万人，占城镇就业人员的1.66%;煤炭在我国一次能源生产和消费结构中一直占67%左右的比重，预计到2050年仍将占50%以上的比重。但与此同时，近年来因矿山开采造成的各类安全事故仍然居高不下，矿山生产从业人员的死伤率一直高居全行业第一[1]。矿山开采安全问题已成为制约我国工业能源发展的一道“瓶颈”。

矿山安全预警是指通过对采矿作业中的某个系统或几个系统的异常实时监测，发现安全隐患并即时上报，利用警报系统将安全事故根除的系统[2]。近年来，随着信息技术的突飞猛进，矿山信息化程度也日益提高提高，基于无线传感器网络的传感互联装置被逐渐应用在矿山安全监测中来。无线传感器网络（ Wireless SensorNetwork，WSN）[3]是由大量部署在网络监测区域内的传感器节点以多跳通信的方式形成一个自组织网络，实时感地知、采集、处理网络监测区域中各类信息[4]。传统的矿山安全监测网络是以工业总线布置，随着开采进程的延伸，监测点随之增多，会出现监测盲点，数据采集不齐全，布线成本上升等诸多问题。而基于矿山安全预警的无线传感网络系统，具有低成本、低功耗、自組网的特点，该技术在矿山井下安全生产中必定会占有一席之地。

1.矿山安全预警无线传感器网络结构

基于矿山安全预警的无线传感器网络系统结构如图1所示，主要由传感器节点、汇聚节点和控制中心三大部分组成。部署在矿山井下的各类传感器节点负责收集各种的参数，例如，CO、粉尘、温度、湿度、C02、02、振动等监测数据，以特定的路由协议传至坑道上的汇聚节点。汇聚节点通过传输网络将数据传输至地面上的中央控制中心，由控制中心对数据进行分析比较，一旦当监测数据超出安全范围后，启动报警系统，可以有效的避免事故的发生，有力的保障井下开采人员的生命安全。

2.矿山安全预警无线传感器网络路由协议

矿山井下环境中地形复杂、作业区域广，WSN节点间的通信容易受工作环境、信号干扰和能量有限等因素的影响，节点的故障是不可避免的，这导致无线传感器网络在矿山安全预警中出现数据丢失，预警不及时的情况。而目前无线传感器网络的研究在动态性、自适应性、可靠性和抗毁性等方面还存在一些不足。因此，针对矿山安全预警的特殊环境，有必要建立一种高容错的多路由WSN，防止入侵行为、节点故障及电池耗竭等因素对无线传感器网络造成的恶劣影响，降低因节点失效而导致数据丢失的概率，提高矿山安全监测和预警的准确性、及时性。

2.1多路由机制

提高无线传感器网络可靠性的方法之一是建立高容错的多路由机制。通过在网络中两个或多个不相交路径上给定节点对之间的流量路由。这样，如果一个节点或一个链路在其中一个不相交路径上失败，网络会自动找到可替代的路由，依然可以保证数据流量的有效传输。针对多路由机制，目前相关研究人员已经开展了大量的研究工作。王文峰等人[5]在具有移动节点的网络中，提出一种基于区域划分的不相交多路由算法，以解决路径失效的问题，但该算法仅适用于密集网络。Kashyap等人[6]通过增加中转节点以提高网络骨干网容错能力，赵磊静等[7]基于局部最小生成树算法提出网络容错拓扑控制算法，这些工作在一定程度上可以提高了网络的稳定性，但时间复杂度过高。文献[8]提出一种基于信息重构的多路由数据传输算法，该算法通过网络中的设置中间节点，来抵御攻击，以保证通信路由的正常传输，但该算法信息重构的过程较为复杂，且计算量较大。我们通过几何与图论的方法，通过对经典Dijkstra算法提出一些改进，以建立从源点到汇点的多条不相交路径，并且路径最短。

由于大多数网络是双向的，我们用一组顶点和连接这些顶点的边来表示一个无线传感器网络。除非另有说明，否则我们将假设没有多条边（同一对节点之间的两个或多个链接）。图2是由7个节点和12条边组成的双向网络示例，我们以s为源顶点，t为目标顶点。每条边等于两条反向的有向弧，每条弧长等于边长，这里边长的一般含义表示为网络中边（或链接）的物理长度，也可以表示在数据传输中使用边的成本等。在一对顶点之间的路径或路由是连接它们的一系列弧。在搜索一对给定顶点之间的不同路径时，通常希望找到一组路径，它们的和是最小的例如如果一条边的长度是该物理链路上的通信距离，那么最优路径集合在这对节点之间通信距离最小。类似地，如果图中链接的长度表示沿着该链接提供服务的成本，那么最优路径集表示不同的路由，在这些路由上，不同的服务提供成本将是最小的。

顶点不相交最短路径算法分为以下八个步骤：

①初始化，将源顶点s记为集合U，除源顶点之外的其它顶点记为集合Z。

②从源顶点s的邻接顶点中选择下一跳顶点，并且路径最短，否则重新选择。将选择的最短路径邻接顶点归人集合U，剩余未选中的顶点归人集合Z。

③从已选的顶点中继续选择下一跳顶点，并且路径最短，选中的顶点归人集合U，剩余未选中的顶点归人集合Z。

④下一跳顶点为t时，找到最短路径。

⑤用指向源顶点的负向边替换最短路径上的每条边。

⑥分裂最短路径上的每个顶点。

⑦修改图，回到步骤①再次寻找最短路径。

⑧合并分裂顶点，得到另一条顶点不相交最短路径。

2.2仿真实验分析

我们以Matlab仿真平台对算法进行仿真，在25m*3m的矩形区域内随机部署25个传感器节点模拟矿山井下狭长的工作环境，节点间的通信距离为lOrn。得到WSN的两条不相交最短路径如下。图3得到第一条不相交最短路径pl-{2，21，17，14，10，22}，路径长度为5。图4得到第二条不相交最短路径p2={2，21，26，28，1O，29，22}，路径长度为6。两条不相交路径除了源顶点和目标顶点外没有共同的顶点。仿真结果表明，顶点不相交最短路径算法可以找到两条以上顶点不相交路径，在无线传感器网络某些节点死亡后，算法可以找到替代的路由，保证数据传输的稳定性与时效性，同时生成的路径最短，使通信成本最低。

3.结论

本文主要针对矿山井下的特殊环境，考虑当传感器节点发生能量耗尽，位置变化，或人为破坏等情况后，以通过多路由机制生成节点间多条不相交路径，对基于矿山安全预警的无线传感器网络系统进行了优化，同时，生成路径最短，最大化地节约了网络节点间的通信成本。仿真结果表明，我们的算法可以构建容错的WSN路由，保证了网络数据传输的稳定性和可靠性。无线传感器网络的出现和发展，较好的适应了矿山井下开采的恶劣环境，使矿山安全预警更加智能化、高效化。

参考文献

[1]杨志强，李永密.金属非金属地下矿山中毒窒息事故统计分析与对策研究[J].中国矿业，2015，24 （2）：135-137

[2]龚剑，欧阳治华.基于Web网络技术的矿山安全预警系统及应用[J].金属矿山，2010 （7）：150-179

[3]jennifer Y，Biswanath M，Dipak G，Wirelesssensor networksurvey[Jl. Computer Networks .2008 .22922330.

[4]李善倉，张克旺，无线传感器网络原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]王文峰，基于区域不相交的无线传感器网络路由算法研究[D].哈尔滨工程大学，2016.

[6] Kashyap A，Khuller S，Shaynlan M.Relay placenlentfor fault tolerance in wireless networks in higher dimensionsEJl.Computational Ge01netrv： Theorv and Applications， 2010， 44 （4）：206—215.

[7]赵磊静，无线传感器网络的容错拓扑控制算法研究[D].燕山大学，2011.

[8]归奕红，刘宁.无线传感器网络安全数据汇聚算法[J].微电子学与计算机，2011，28 （4）：115-121