0 引言

    在“兩化融合”政策引導(dǎo)下，傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)作業(yè)方式正逐步被智能化礦井技術(shù)^[1]所替代。智能化礦井包括：全礦井的智能化信息系統(tǒng)平臺、高度自動化和信息化的安全生產(chǎn)系統(tǒng)等。智能化礦井的設(shè)計^[2]，通過使用自動化、智能化采集裝備，實現(xiàn)風(fēng)險提前預(yù)警，極大地減少事故發(fā)生。

    智能礦井的目標(biāo)是實現(xiàn)危險預(yù)警、安全評估、優(yōu)化控制、專家決策、三維可視^[3-4]等功能。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，數(shù)字礦山、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要在礦井中搭建傳感器及傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦井各類數(shù)據(jù)的采集與傳輸。本文給出一種傳感器及其傳輸系統(tǒng)的可靠設(shè)計方案——傳感器數(shù)據(jù)共享傳輸協(xié)議，并分析這種協(xié)議的可靠性和健壯性。

1 煤炭礦井傳感網(wǎng)設(shè)計和數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

    煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場有各類采煤和輸送設(shè)備。為保證設(shè)備安全高效的運行，除了在開采之前對煤炭分布覆蓋情況探測外，還需要在采煤過程中對工作環(huán)境中的人員、設(shè)備、瓦斯、溫濕度變化等各類參數(shù)進(jìn)行定量定性分析^[5]，以確保作業(yè)人員及生產(chǎn)設(shè)備的安全。一旦這些參數(shù)發(fā)生異常及時報警，將進(jìn)一步采用人工檢查干預(yù)。

    煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場需要根據(jù)各類參數(shù)安裝不同的傳感器，包括震動傳感器、溫濕度傳感器、瓦斯等氣體傳感器及視頻監(jiān)控攝像頭等。這些傳感器有的安裝在固定位置，有的安裝在采掘機(jī)械上，隨著采掘的進(jìn)展，傳感器的安裝位置按照安全標(biāo)準(zhǔn)要求不斷調(diào)整。

    煤礦井下安裝的傳感器，一般采用電池供電和無線傳輸?shù)姆绞?，多?shù)傳感器沒有能力直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理和監(jiān)控中心^[6]。因此，需要在井下選擇多個固定位置安裝數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點（或稱為傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點）。這些匯聚節(jié)點與地面使用有線連接方式，將收到的傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)處理中心，如圖1所示。

2 傳統(tǒng)傳輸模式的可靠性

    圖1所示為井下數(shù)據(jù)向地面數(shù)據(jù)處理中心的傳輸模式，從匯聚節(jié)點（基站）到地面的傳輸。因井下環(huán)境復(fù)雜，從傳感器到匯聚節(jié)點之間的無線傳輸部分可能會丟失數(shù)據(jù)^[7]。井下工作人員使用智能手機(jī)等移動終端，這些設(shè)備需要使用Wifi網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)。許多傳感器近距離通信使用ZigBee無線模塊^[8]，而ZigBee無線模塊通信時會受到環(huán)境中的WiFi、藍(lán)牙等信號干擾^[9]，數(shù)據(jù)傳輸過程中，產(chǎn)生的丟包率較為嚴(yán)重，約為50%。針對這種情況，可使用多個匯聚節(jié)點捕獲無線傳感器的信號，以減少丟包所造成的損失。假設(shè)無線信號丟包率為p，并假設(shè)這一丟包率對不同的匯聚節(jié)點是獨立的，對10 000次無線傳感器信號傳輸進(jìn)行了模擬仿真，在保證99%的信號沒有丟失情況下，數(shù)據(jù)丟包率與匯聚節(jié)點的個數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。

    從圖2看出，如果有2%的數(shù)據(jù)丟失，想保證99%的數(shù)據(jù)能被正確接收，需要至少2個匯聚節(jié)點共同工作。當(dāng)數(shù)據(jù)丟失率達(dá)到11%時，需要有3個匯聚節(jié)點共同工作，才能保證99%的數(shù)據(jù)被正確接收。

3 高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸共享協(xié)議設(shè)計

    為了提高數(shù)據(jù)上傳的成功率，采用多個匯聚節(jié)點共同工作的方式不是最好的解決方案。需要研究當(dāng)部分匯聚節(jié)點突發(fā)出現(xiàn)故障時，如何將這些傳感器數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心。

    由于井下環(huán)境復(fù)雜^[10]，通信容易受阻，對傳感器采集的數(shù)據(jù)少，所以采用傳感器與匯聚節(jié)點直連、匯聚節(jié)點相鄰之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式，如圖3所示。

    在圖3中，傳感器1只能連接匯聚節(jié)點A，傳感器6只能連接匯聚節(jié)點C，傳感器2和傳感器3可以同時連接匯聚節(jié)點A和匯聚節(jié)點B，傳感器4和傳感器5可以同時連接匯聚節(jié)點B和匯聚節(jié)點C。這樣，各個傳感節(jié)點將自己采集的環(huán)境信息以無線方式傳輸，各個匯聚節(jié)點將其能接收到的傳感器發(fā)送的信息都記錄下來。除此之外，相鄰匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)還要相互共享。

    定理1：無論匯聚節(jié)點S₁先將數(shù)據(jù)共享給匯聚節(jié)點S₂，還是匯聚節(jié)點S₂先將數(shù)據(jù)共享給匯聚節(jié)點S₁，上述數(shù)據(jù)共享協(xié)議（DS-協(xié)議）的結(jié)果是相同的。

    煤礦井下環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰顬橹匾?。一個傳輸協(xié)議的可靠性，在于當(dāng)一些傳輸設(shè)備出現(xiàn)故障后，對擬傳輸數(shù)據(jù)的影響降為最低。這種可靠性主要是針對發(fā)生突發(fā)事故時系統(tǒng)的可靠性，而不是設(shè)備長期處于故障狀態(tài)（這種情況與設(shè)備不存在是等價的）。因此方案討論的可靠性是在相鄰匯聚節(jié)點之間完成數(shù)據(jù)共享后，如果在數(shù)據(jù)傳輸階段發(fā)送故障，傳感器數(shù)據(jù)受影響的情況。這種假設(shè)是合理的，因為數(shù)據(jù)的采集與共享是實時的，而基站數(shù)據(jù)傳輸則是間歇性的，或只有在收到地面指令時才發(fā)送。

    一個協(xié)議的可靠性高低取決于可以允許系統(tǒng)中多少設(shè)備出現(xiàn)故障，而不影響到數(shù)據(jù)的正常傳輸。 DS-協(xié)議目的就是為提高匯聚節(jié)點傳輸傳感器數(shù)據(jù)的可靠性，因為從礦井到地面的通信有時因通信線路故障難以保證，特別是在發(fā)生煤礦井下局部出現(xiàn)事故情況下更容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

    針對DS-協(xié)議的可靠性，有如下證明。

    定理2：假設(shè)匯聚節(jié)點之間的連接關(guān)系為線型連接，即除首端和尾端兩個節(jié)點（這兩個節(jié)點稱為端節(jié)點）外，每一個匯聚節(jié)點與左右2個鄰居匯聚節(jié)點連接。則有：

    (1)除端節(jié)點外，任何2個相鄰匯聚節(jié)點的失效，不影響傳感器數(shù)據(jù)的成功上傳；

    (2)無論有多少匯聚節(jié)點失效，如果失效的匯聚節(jié)點各不相鄰，則不影響傳感器數(shù)據(jù)的成功上傳；

    (3)無論有多少匯聚節(jié)點失效，如果失效的匯聚節(jié)點中，形成相鄰節(jié)點的最大個數(shù)為2，且在包括端節(jié)點的情況下，相鄰節(jié)點個數(shù)為1（即無相鄰節(jié)點），亦不影響傳感器數(shù)據(jù)的成功上傳。

    證明：把這些線型連接的匯聚節(jié)點根據(jù)鄰居情況依次標(biāo)記為A，B，C，…，其中與2個端節(jié)點的左鄰居匯聚節(jié)點為S₁。下面分情況進(jìn)行證明。

    情況(1)：假設(shè)失效的2個相鄰匯聚節(jié)點為和，且都不是端節(jié)點，則根據(jù)DS-數(shù)據(jù)共享協(xié)議可知，接收到的傳感器數(shù)據(jù)被共享到，根據(jù)假設(shè)，可知和沒有失效，因此點和接收到的傳感器數(shù)據(jù)都可以被成功上傳。

    情況(2)：因為任何一個失效的節(jié)點都有一個不失效的鄰居節(jié)點，因此失效節(jié)點接收到的傳感器數(shù)據(jù)可以通過其鄰居節(jié)點成功上傳。

    情況(3)：假設(shè)一個傳感器數(shù)據(jù)data被匯聚節(jié)點S_i接收，但S_i失效，可以考慮兩種情況：①S_i為端節(jié)點，不妨假設(shè)為S₁。根據(jù)DS-數(shù)據(jù)共享協(xié)議，data被共享到S₂，根據(jù)假設(shè)條件，S₂不失效(否則包括端節(jié)點的相鄰失效節(jié)點數(shù)將大于1，與假設(shè)矛盾)，因此data可被S₂成功上傳；②S_i不為端節(jié)點，則根據(jù)DS數(shù)據(jù)共享協(xié)議，data被共享到S_i－1和S_i+1。根據(jù)假設(shè)條件，S_i－1和S_i+1中一定有一個不失效(否則連同S_i，相鄰失效節(jié)點數(shù)至少為3，與假設(shè)矛盾)，不妨設(shè)S_i－1不失效，因此data可以通過S_i－1成功上傳。

    綜上，定理結(jié)論得證。

    定理2刻畫了DS數(shù)據(jù)共享協(xié)議的可靠性，不難看出該數(shù)據(jù)共享協(xié)議比為所有獨立工作的匯聚節(jié)點增加一個備份更可靠。因為如果一個匯聚節(jié)點連同其備份節(jié)點都失效的話，則其所覆蓋的傳感器數(shù)據(jù)將完全丟失。

    在實際部署中，匯聚節(jié)點的部署也不完全是線型結(jié)構(gòu)的，更多的情況是樹型結(jié)構(gòu)。注意樹型結(jié)構(gòu)實際是一些線型結(jié)構(gòu)的連接，其本質(zhì)是一個線型結(jié)構(gòu)的端節(jié)點與另一個線型結(jié)構(gòu)的中間節(jié)點合并。此時該分叉節(jié)點具有多余2個鄰居節(jié)點，數(shù)據(jù)共享的冗余性更高。根據(jù)實際情況，如果該交叉節(jié)點的數(shù)據(jù)重要性沒有那么高，可以不需要與所有鄰居節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，例如只將自己的數(shù)據(jù)共享給一個鄰居節(jié)點（把自己當(dāng)作線型結(jié)構(gòu)的端節(jié)點對待），或?qū)⒆约旱臄?shù)據(jù)分享給2個鄰居節(jié)點（把自己當(dāng)作線型結(jié)構(gòu)的中間節(jié)點對待）。但交叉節(jié)點所有鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)將全部共享給該交叉節(jié)點。不難看出，樹狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)共享比線型結(jié)構(gòu)具有更高的可靠性。直覺告訴研究人員，在樹狀結(jié)構(gòu)中，交叉節(jié)點的失效比普通節(jié)點的失效影響更大。這一問題將作進(jìn)一步研究。

4 數(shù)據(jù)丟包率對數(shù)據(jù)共享協(xié)議的影響

    在上文中討論了使用備份匯聚節(jié)點來處理數(shù)據(jù)丟失問題。如果使用研究者提出的數(shù)據(jù)共享協(xié)議，丟包率問題是否能得到解決呢？假設(shè)每一個無線傳感器信號在正常情況下可以被2個相鄰的匯聚節(jié)點收到，同樣對10 000次無線傳輸在礦井生產(chǎn)仿真環(huán)境中進(jìn)行了實驗，得到的結(jié)果如圖4所示。

    從圖4中看到，數(shù)據(jù)共享協(xié)議可以明顯降低傳感器數(shù)據(jù)丟包率。當(dāng)傳感器節(jié)點丟包率小于10%時，在數(shù)據(jù)共享協(xié)議下數(shù)據(jù)丟包率為0%（基于實驗數(shù)據(jù)和0.01的精確度）；當(dāng)傳感器節(jié)點丟包率達(dá)到30%，在數(shù)據(jù)共享協(xié)議下數(shù)據(jù)丟包率小于10%；當(dāng)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)丟包率接近50%時，在數(shù)據(jù)共享協(xié)議下數(shù)據(jù)丟包率不到25%。

    通過進(jìn)一步分析可以看出，數(shù)據(jù)共享協(xié)議的更大價值在于匯聚節(jié)點失效情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了具有可比性，可以假設(shè)傳統(tǒng)方法中使用2個匯聚節(jié)點以提高可靠性（即一個匯聚節(jié)點是另一個的備份，服務(wù)的傳感器集合相同且獨立工作），而在數(shù)據(jù)共享協(xié)議中，每一個傳感器的數(shù)據(jù)也能被2個相鄰的匯聚節(jié)點接收到。假設(shè)發(fā)生事故時匯聚節(jié)點失效（如損壞）的概率為p，在同樣的仿真環(huán)境下通過10 000次模擬實驗并取其平均值，得到單匯聚節(jié)點失效概率p（橫軸）與匯聚節(jié)點信息全部丟失的概率（縱軸）之間的關(guān)系如圖5。

    從圖5不難看出，使用數(shù)據(jù)共享協(xié)議后，在單匯聚節(jié)點失效概率很小和接近50%的情況下，數(shù)據(jù)共享協(xié)議的優(yōu)勢不明顯。當(dāng)匯聚節(jié)點失效概率在30%左右時，數(shù)據(jù)共享協(xié)議可以明顯降低數(shù)據(jù)丟失。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種適合智能煤礦井復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，通過匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享協(xié)議，可以有效提高系統(tǒng)的可靠性。采用此方案，當(dāng)因事故等原因造成一些匯聚節(jié)點不能正常工作時，傳感器數(shù)據(jù)依然可以正常傳輸?shù)降孛嫣幚碇行?，這對礦山發(fā)生意外情況下的緊急事故處理有著非常實用的實踐價值。

    本文提出的數(shù)據(jù)共享協(xié)議，還可以在匯聚節(jié)點的部署密度方面比節(jié)點備份有優(yōu)勢，該問題留待進(jìn)一步研究。使用此方案提出的數(shù)據(jù)共享協(xié)議，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，可以為智慧礦井的建設(shè)提供更可靠的傳感器數(shù)據(jù)傳輸和處理機(jī)制，從而提升智能礦井的業(yè)務(wù)穩(wěn)定性和系統(tǒng)整體安全性。

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作者信息：

孟  峰1，肖  政2，劉軍雨3

（1.神華集團(tuán)煤炭生產(chǎn)部，北京100011；2.神華集團(tuán)信息管理部，北京100011；

3.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京100011）