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我国地下煤矿开采环境恶劣,各类安全事故时有发生。部署无线传感器网络实时监控煤矿采空区生产和人员安全,提高突发灾难预警的及时性和应急响应的准确性,避免造成重大的人员伤亡和经济损失,是地下煤炭开采的重要之举。然而,煤矿井下巷道狭长的地理环境,加深了传感节点之间能耗不均衡的程度,容易在网络中导致能量空洞问题和“热点”问题。因此,研究非均匀分簇路由协议,在矿井无线传感器网络中应用,实现传感节点能量有效利用,延长网络寿命,对煤矿生产具有重要的安全和经济意义。首先,由电池提供能源的传感节点具有能量有限的特性。其次,与常见的无线传感器网络相比,矿井无线传感器网络受自身特性影响,更容易受“热点”问题和能量空洞问题的困扰。以上两方面所反映的能耗问题导致矿井无线传感器网络寿命较短,难以满足矿井长期采煤作业的需求。本文提出采用非均匀分簇的策略规划矿井无线传感器网络,根据矿井狭长的地理特性,建立适宜于矿井的网络模型。利用MATLAB仿真实验验证了所建立模型在节能方面的有效性,利用形式化的Petri-net分析了所建立模型的正确性和可行性。本文具体研究内容如下:1)由于煤矿巷道狭长的地理特性,进一步加深了网络所面临能量空洞问题和“热点”问题的程度。针对矿井无线传感器网络所设计的网络模型和能耗模型,既要满足网络相关参数决定网络的非均匀程度,又要满足与基站的距离选择多跳路由。将EBUC和DEEUC两种非均匀分簇路由协议应用于所设计的网络模型,仿真实验表明,DEEUC协议实现的非均匀分簇效果比EBUC协议的更好,在网络能耗的均衡性,延长网络寿命和网络可扩展性等方面都更优。2)针对DEEUC协议应用于所设计的网络模型中存在的不足之处,提出一种适应矿井巷道无线传感器网络的M-DEEUC协议。M-DEEUC协议的改进思路是,由于非均匀分簇各阶段并不是由单一的能量因素或距离因素所决定,综合考虑节点剩余能量、节点密度和相关距离因素,可以有效地提高非均匀规划网络的合理性。仿真实验表明,与DEEUC协议相比,改进协议M-DEEUC的能量效率更高,网络寿命更长。因此,M-DEEUC协议更适合在矿井无线传感器网络中应用。3)为了解决改进M-DEEUC协议未进行实际现场部署,无法直观地反映协议的状态变化,可能存在模糊性和二义性。提出利用Petri-net建立M-DEEUC协议的形式化建模,直观地反映了非均匀分簇的状态变化过程,并用Petri-net在数学理论上分析该模型,验证了M-DEEUC协议的可达性、有界性、活性和不变量。该论文有图26幅,表6个,参考文献79篇。