基于无线传感器的桂西煤矿安全监测及定位研究 *

程丽玲

(百色学院 数学与计算机信息工程系，广西 百色 533000)

目前，由于国内外的无线传感器运用于煤炭开采行业的井下人员定位系统普遍存在成本高、能耗大、检修难度大等缺憾，在煤矿开采的安全控制方面，我国还有待提高。为此，我们必须建立完善的无线传感器网络定位系统，确保在事故发生时能够确定井下人员的位置信息，及时抢救伤员。无线传感器网络(WSN)通过在监测区域内布置大量无线传感器节点，每个节点均具备感知能力、信息处理能力和无线通信能力，在煤矿安全管理方面，具有显著的实用优势。

无线传感器网络是一种由空间上分散的传感器节点构成、大规模、无线自组织、多跳、无分区和无基础设施支持的网络。在无线传感器网路中，每个传感器称之为一个节点，其中位置信息已知的节点称为信标(Beacon)节点或者是锚(Anchor)节点，位置信息未知的节点称为未知节点。每个传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，集通信、嵌入式计算和传感器感知功能于一体，各个传感器节点之间通过互相协作来实现各种各样的功能，如监测、定位、追踪、控制等。无线传感器网络扩展了人们获取信息的能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，具有十分广阔的应用前景，目前已成为计算机科学领域的研究热点之一。

一、基于无线传感器的桂西煤矿安全监测

由于放顶煤工作面一次采全高、产量大、瓦斯的绝对涌出量增加，容易导致瓦斯超限以及潜在的瓦斯灾害，瓦斯问题成为制约放顶煤技术在我国推广应用的一个重要问题。近年来，通过对综放工作面瓦斯来源分析、瓦斯涌出特征分析、影响瓦斯涌出量的因素分析等工作，提出以瓦斯抽放、巷道排放为主，优化通风、加强监控监测及日常管理的综放工作面瓦斯治理措施，并取得了明显成效。在瓦斯预测、瓦斯异常带超前判识，尤其是在瓦斯抽放相关技术研究及应用方面，取得了长足进步。

当支架支撑在顶底板间时，支架一般是不存在倾倒的问题。支架倾倒的先决条件是侧向力的作用。在支架的上方冒空时，顶板失去完整性，上部顶板有向下移动的空间。顶板垮落时对支架施加一个侧向力使支架倾倒，侧向力很大一部分是由岩石之间进行平衡，作用在支架上的只是一小部分。此时，不等于没有侧向力。这种侧向力不能简单地用合力的正压力与摩擦系数相乘而得，因为支架没有与围岩发生相对运动。一般这种侧向力只有根据经验和统计规律确定。支架在下滑时前后端的下滑特性也不同。受力状态的差异及后部放煤与冒落矸石的下向冲击等，会产生支架前后摆动，对于放顶煤开采而言，支架的前部载荷大于后部，据相关工作面统计，一般放顶煤开采的工作面前柱工作阻力大于后柱阻力10%～15%，有时甚至出现后立柱受拉现象。因此，支架前部顶梁对顶板具有较大的摩擦力，而后部的摩擦力则较小，如果后部顶煤放空，直接顶冒落不及时，将使支架后部稳定状况更加恶化，极易发生扭转下滑。其次，在顶煤放出过程中，相对于支架中心线而言，上部放出的煤体多于下部。同时，顶煤流动过程中，会产生沿倾斜方向的分力。在后部刮板输送机运煤过程中，由于部分大块煤或个别大块矸石在放煤口的拥挤或堵塞，也会产生向下的作用力，这些因素的综合作用，易于使支架后部产生下滑或歪斜。考虑到安全系数，在工作面倾角为20°以内时，支架不会倾倒；大于20°时，支架就会有倾倒的趋势，应设置防倒千斤顶。防倒千斤顶的位置应在前后立柱中间部位的顶梁上。

最后，实时监测顶板来压、端面顶板冒落及煤壁片帮情况。根据分析，对于大倾角工作面言，工作面中下部支架承受较大的静荷载作用，一般情况下虽然综放工作面基本顶来压不明显，但由于冒落矸石的下滑，工作面上部支架顶部可能形成空洞情况，顶板来压会对支架形成冲击。因此，一定要保证工作面支架的初撑力，避免基本顶超前断裂，以免形成基本顶台阶下沉事故。由于顶板断裂成弧形，中部支架可能较早承受来压影响，需进行实时监测和分析。严格执行四个“从下往上”的工艺措施，即从下往上斜切进刀单向割煤，从下往上单向推移输送机，从下往上移架和从下往上顺序放煤。采煤机从下往上割煤，虽然增加了牵引的困难，但却是实现从下往上单向推移输送机，从下往上移架所必须的，必须严格执行。为防止采煤机下滑，需加装防滑保险钢丝绳。

二、基于无线传感器的桂西煤矿安全定位算法及其实现

(一)算法介绍

经过近10年的发展，研究人员提出了许多无线定位算法来解决各种各样的问题，其中DV-Hop算法是其中较为经典的算法：DV-Hop(Distance Vector-Hop)算法是一种不基于测距的分布式绝对定位算法，其定位机制类似于传统网络中的距离矢量路由机制，整个定位过程分为三个步骤，分别如下：

1.计算未知节点与每个锚节点之间的最小跳数

锚节点向周围邻居节点广播自身的位置信息，其中包括跳段数，初始化为0°接收节点收到消息之后记录到每个锚节点的最小跳数，忽略来自同一个锚节点的包含较大跳数的消息，然后将跳数值加1并转发给邻居节点。这样网络中所有节点都能够记录下到每个锚节点的最小跳数。

2.计算未知节点与锚节点之间的实际跳段距离

每个锚节点根据第一步中记录的其他锚节点的位置信息和它们之间的跳数计算没跳的平均距离，其计算公式如下：

其中 (Xi,Yi,Zi)和 (Xj,Yj,Zj)分别是锚节点i和j的坐标，hj是锚节点i和j之间的跳数。

之后，锚节点将计算出的每跳平均距离广播给周围节点，其中广播消息带有生存期字段，未知节点在收到消息后记录下每跳平均距离，并把消息转发给邻居节点，同时忽略之后收到的包含每跳平均距离的消息。之后，未知节点根据跳数和每跳平均距离计算到各个锚节点的距离。根据第二步的计算结果，未知节点利用三边或多边测量法可计算出自身的坐标。

图1 DV-Hop算法的示意图

在图1中，假设L1，L2，L3为锚节点，经过第一和第二步之后能够计算出三个锚节点之间的实际跳数和距离，则 L2计算的每跳平均距离为 (40+75)/(2+5)。假设未知节点A从L2 获得每跳平均距离，则节点 A到三个锚节点之间的距离分别为L1：3×16.42,L2：2×16.42,L3：3×16.42,，最后可利用三边测量法计算出坐标。

(二)定位实现

就单个煤矿来讲，生产全过程都是地下作业，各个生产环节和生产地点比较分散，且受生产工艺、工序的影响不能随意上下，这就给真正落实煤矿井下劳动定员带来了困难。就整体煤矿来讲，煤炭行业管理部门区域内的所有煤矿地点分散偏僻、生产条件、技术装备等差异很大，这给监督执法带来了困难。因此，必须利用高科技手段，建立煤矿井下人员监测定位系统并实现全省、全国联网，大大提高全省、全国煤矿井下劳动定员的管理水平。建立煤矿井下人员监测定位管理系统可实现对煤矿井下作业人员进出的有效识别和监测监控，通过研究作业人员在生产过程中的状态，对生产环节、工序进行流程再造；根据各道作业工序的时间消耗，制定科学先进的劳动定额定员标准。对提高煤矿井下劳动定员管理、生产管理、安全管理水平将发挥重要作用。

在当今以计算机为中心的网络信息时代，为了加强煤矿井下人员管理，提高矿井综合管理水平，以信息和知识资源的开发利用为核心，结合煤炭工业实际需要，将电子技术、自动测量技术、自动控制技术、射频技术和软件技术有机结合，研发适应煤矿井下环境使用的具有网络数据远距离传输井下人员定位、跟踪、考勤和管理功能的煤矿井下人员考勤及跟踪定位管理系统就显得日益紧迫和必要。

1.考勤功能

能够准确统计煤矿职工的入井、升井时间，可按班次按部门按工作区域生成日考勤、月考勤统计报表，并随时可查询各工作区域如大巷、采区、工作面和相关地点的作业人员人数和相关档案资料。

2.定位功能

能够对井下职工的分布情况分区域实时监测。能够用不同标识模拟图形或颜色，数据动态，实时显示井下各类人员状况和分布情况，并能动态显示井下人员的当班活动模拟轨迹。

3.关键岗位监控

系统能对干部下井情况(特别是四点班、零点班的情况)进行有效监督，领导在办公室通过电脑或在调度室大屏幕就可以看到应下井干部是否下井，在世界任何地方出差，通过互联网也可以了解干部下井情况。

三、结论

基于无线传感器的桂西煤矿安全监测系统必须能够及时、准确地将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。