基于物联网的煤矿监测系统设计及可靠性保障机制分析

(华北科技学院 河北 廊坊 065201)

引言

煤矿重大、特大事故的不断发生给社会带来了许多不良影响。虽然现状已经有一些煤矿开始配备一些安全监控系统，但是当前煤矿安全监控系统还存在一些问题，主要有：(1)井下现有传输系统有线传输；(2)各类监测传感器数量有限，不能实现全覆盖；(3)生产条件恶劣，信号存在误差；(4)信息处理技术落后，识别过程中经常存在判决误差，不能及时发现重大灾害隐患等情况[1-3]。

一、研究现状

目前我国根据实际情况先后研发了KJ70型煤矿安全监控系统、U90型煤矿综合监控系统、WMIS煤矿安全生产信息实时监测系统等，在国内已经开始大面积使用，其系统结构如图1所示。

图1 我国煤矿常用的安全监控系统结构

KJ82和KJ122等基于以太网的矿井综合安全监测监控系统已经在煤矿产业得到广泛使用，但这些系统仍然存在扩展性不够、灵活性低和覆盖面积小等方面的不足。无线传感器网络(WSN)的出现给煤矿安全监控系统带来了新思路，其特有的优点：扩展简便、放置灵活、自组织、移动性强等，对实现系统进行信息的集成、融合和决策提供了可能。但是，由于WSN工作环境的特殊性，现有的研究成果并不能直接应用，要重新研究WSN的控制算法、通信标准、组网形式等内容。

二、监测系统设计

(一)系统需求分析

任何系统在开发之前都要进行系统需求分析，本文设计的煤矿作业环境监测系统主要由井下监测系统和地面控制中心组成。井下监测系统通过在监测区域内部署大量的无线传感器节点，来达到对井下环境参数测量的目的。该系统布置环境具有相当的特殊性，因此，新设计的煤矿作业环境监测系统需要满足以下要求：1.抗干扰能力强；2.网络生命周期长；3.外网通信接口；4.自组织网络的能力强；5.节点种类多样，功能各异。

(二)监测系统设计

针对复杂的井下环境，设计了一种适用于进行煤矿井下作业环境参数监测的无线传感器网络系统结构，总体结构如图4所示：

图4 无线传感器网络系统架构

井下监测系统主要组成部分：1.关键节点：分巷外节点、巷道内节点。两种节点在应用时，巷道内节点只开启无线通信功能，而巷道口和主巷道的关键节点则开启有线和无线两种通信方式来实现将无线传感器节点汇聚得数据与基站数据的交换。2.传感器节点：负责监测区域的环境数据采集，并将数据通过无线通信方式发送给邻近节点，最后汇聚到关键节点。

(三)传感器节点方案设计及硬件设计

1.节点方案设计。传感器节点的主要工作是负责监测区域环境数据的监测、采集、传输，由处理器模块、传感器模块。电源模块和无线传输模块构成。具体设计如图6所示：

图6 传感器节点设计图

2.节点硬件设计。作为一个微型化的嵌入式系统，无线传感器节点是构成无线传感器网络的基础支持平台，传感器网络节点硬件功能具体设计如图7 所示。

图7 传感节点硬件设计

(四)基站设计

基站负责无线传感器关键节点汇聚的数据传输，考虑基站需求，基站具体设计图8所示，兼容了存储、报警及供电类型检测等功能。

图8 基站设计框图

三、监测系统可靠性保障机制与分析

(一)关键节点可靠性保障机制与分析

在监测过程中，如果簇头节点失效，将导致簇中感知节点采集的所有数据丢失，这将对系统的可靠性造成严重的影响[16]。如果一个簇头节点失效后，普通节点重新选择其他的簇头节点进行数据的交付，不仅对失效簇中的节点来是一个复杂的过程，而且对欲加入的簇来说，如何处理新加入的节点，也是一项不容易的任务。解决这种情况的一个简单而有效的方法是采取簇头节点的备份冗余，如图9(b)、9(c)所示，图9(a)为单个簇头节点，图9(b)、9(c)为簇头节点组。当一个簇头节点失效后，另一个备份的簇头节点接替工作，不仅降低了路由寻径的开销，也降低了其他簇头节点控制的复杂性。

由于每侧墙壁上的簇头节点是以链式方式相连，它们所形成的拓扑结构为串联结构，如图9(a)所示。因此，如若某个节点出现故障则这个节点之前的数据很难交付，采取簇头节点冗余备份后，链路结构如图9(b)、9(c)所示，此时每个簇头不再是单个的故障体，而是一个簇头节点组，每个组中包含两个簇头节点。采用这种机制后，当个别节点失效依然可以保证通信链路的连通性。

(a)单个簇头节点 (b)簇头节点组 (c)节点组某个节点失效

(1)

(二)基站可靠性保障机制与分析

如果单从提高系统可靠度的角度来说，基站系统宜采用两个基站的方式。在安全监测系统正常工作时，系统和任意基站传输子系统出现故障时，系统会自动切换到另一个基站继续进行数据传输工作，从而保证监测系统的高度可靠性。

与传感器节点子系统不同，基站和通信方式只需有且只有一个系统运行即可，不需要两个基站和通信方式同时运行，当一个基站或是通信方式故障时直接切换到另一个继续工作即可。由分析知基站内部系统冗余系统符合热备冗余的特点，因此本论文需要通过建立动态故障树与马尔可夫链相结合的方法如图10所示，来求解基站系统的可靠度。

图10 动态故障树模型对应的马尔科夫链状态转移图

依据马尔科夫二次状态转移公式得到顶事件的故障发生概率为：

(2)

假设基站的失效率为λJ，切换装置的失效率为λQ，则冗余后基站的失效率为λZJ=λJ+λQ，那么基站的可靠度为：

r′=2e-λ1t-e-2λ1t

(3)

(三)数据传输可靠性保障机制与分析

在煤矿作业环境等基于物联网的安全生产监测监控中，因为监测区域与地面监控中心进行数据传输的特殊性，在地面基站采用包括GPRS、3G、互联网、卫星通信、微波、卫星传输等。这些通信在传输形式、费用、带宽等都大不相同，在时间部署时要根据监测煤矿的实际通信状况再考虑其费用、可靠性等条件，选择同时用三种不同的传输方式进行数据传输，提高地面基站向监控中心传输的可靠性。

设计一个数据传输的三冗余并联结构，即为：基站1和基站2之间相互冗余，通信方式1和通信方式2相互冗余，冗余后的基站和通信方式再串联起来。如图11所示：

图11 具有三冗余和重传功能的数据传输架构

假设煤矿环境无线传感器监测区域网关可靠性为rs、信息传输和反馈可靠性均为rm、地面管理中心网关的可靠性为rr，并假设当传输失败后成功启动重传系统的概率为c，那么整个数据传输系统的第k次重传可靠性为：

(4)

则，基站-数据传输系统的可靠性为：

RJS=rkr′=(2e-λ1t-e-2λ1t)[rk-1(1-crmr0)+crmr0]

(5)

(6)

四、总结

1.对煤矿进行分析，设计出基于无线传感器网络的监测系统，并重点介绍了基站和节点的设计。

2.研究了提高基于无线传感器网络的安全监控系统可靠性的相关机制，一方面在讨论井下传感器关键节点重要性的基础上对关键节点进行备份冗余，另一方面考虑地面基站以及数据传输的可靠性，对基站进行动态失效分析，进行并联冗余设计；对数据传输方式进行三冗余数据重传的方式，来提高整个系统的可靠性。

3.从理论分析来看，本文中所提出的方法对提高煤矿安全监测的拓扑可靠性具有显著效果。

4.本文所提出的监测系统仍处于模拟仿真阶段，研究的目的是将该系统及可靠性保障机制应用于将来煤矿安全生产实时监测监控等方面。