煤矿井下机会感知网络与路由算法研究

来源 :安徽理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:HoshinoYuki
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我国政府相继出台了多种办法和措施来保障煤矿井下安全生产和工作人员的生命安全。建设智慧矿山,实现煤矿井下无人值守、少人作业就是一个重要举措。对煤矿井下物联网系统尤其是感知层和传输层的深入研究与应用对于推进我国煤矿工业化与信息化深度融合、加快煤矿产业结构更新和生产效率的提高,最终实现煤矿井下无人值守、少人作业这一发展目标具有重要的意义。为实现这一发展目标,本文从煤矿井下环境和设备参数获取和传输的实际需求出发,针对矿井环境和现有煤矿网络感知层和网络层特点,对煤矿井下机会感知网络的构建和关键技术进行了深入研究。提出了利用煤矿井下现有网络资源和电机车、人员的移动,在不增加移动设备、少增加感知装置的情况下,通过“有线固定节点+无线固定节点+无线移动节点”的方式构建煤矿井下机会感知网络,从而对矿山人员、环境、设备进行全面感知,保证了煤矿环境及设备参数的实时传输和矿井上下实时动态响应。主要研究成果如下:(1)设计了一种基于有线+无线固定节点+无线移动节点的煤矿井下机会感知网络,实现了对矿山人员、环境、设备状态信息的全面感知。(2)设计了煤矿井下物联网的智慧感知层与异构传输层。通过分级分类感控、协同感知、定义统一规范的接口,实现了煤矿井下多种信号的有效有序处理。研制的异构融合网关,实现了煤矿井下异构网络之间的通信。(3)提出了一种煤矿巷道无线通讯拓扑机制,建立了感知节点间方向性低误报感知模型,优化了煤矿井下异构融合网络及其节点拓扑结构,提高了煤矿井下移动机会感知网络的可靠性。(4)提出了一种煤矿井下移动机会感知网络布置策略,应用改进的卡尔曼节点交互预估模型,对受控移动节点的动态路线规划,以最小成本最大限度实现了井下物联网的全面覆盖。(5)为适应煤矿井下机会感知网络中节点异质性、节点移动泛周期性等特点,设计了基于节点间历史相遇信息统计的路由算法,通过对节点历史信息的分析、受控移动节点与固定信息交互预估,实现了移动节点的路由和数据转发。在上述研究工作的基础上,我们研制了煤矿井下机会感知网络所需四类节点的软件和硬件,应用基于LoRa的低功耗广域网构建了煤矿井下机会感知网络,并在煤矿井下巷道部署网络进行现场实验。通过数据传输实验,节点间一次相遇的数据交互量最大达到1200KB/s,实现了煤矿井下环境中节点间有效通信。通过数据采集和网络覆盖实验比对,引入机会网络后,煤矿井下的网络覆盖率比只用固定有线节点的10%提高到95%,显著提高了煤矿井下网络覆盖率,引入受控移动节点后,网络性能和感知传输覆盖率进一步提高。工业性实验证明了该机会网络和路由算法的科学性和有效性。最后我们将机会网络应用于煤矿井下斜巷运输系统中,取得了良好的应用效果。本文的研究工作为煤矿物联网的智能感知和传输提供了新的研究方向和基础,将进一步推动煤矿物联网的发展与普及,从而为煤矿安全生产提供有力保障。图[38]表[9]参[125]
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