蔡忠勇, 閆 述, 鐵滿堂

( 1.中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074；2.江蘇大學,江蘇 鎮(zhèn)江212000；3.新疆煤田滅火工程局，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆是中國煤炭資源的最大后備基地。由于煤質(zhì)、自然條件和人為的因素，新疆煤田自燃的嚴重程度也為世所罕見。經(jīng)過多年的治理，據(jù)最新調(diào)查，火區(qū)的面積達到906萬m2，每年燃燒損失855萬t煤炭資源，燃燒排放的溫室氣體和大量的有毒有害氣體嚴重地污染了大氣環(huán)境。如此規(guī)模的煤火問題，引起了社會的普遍關(guān)注和高度重視。從2001年開始，中德開展了“中國煤田滅火戰(zhàn)略”技術(shù)合作項目，引進了高精度火區(qū)勘探儀器設(shè)備和技術(shù)，開發(fā)了“新疆煤田火區(qū)信息管理和監(jiān)測系統(tǒng)”，這些都加快了新疆煤田火災的治理進度。依據(jù)“新疆煤田滅火規(guī)劃”，到2015年將治理完畢境內(nèi)所有煤田火區(qū)。屆時，新疆煤田火區(qū)將進入治理后的大規(guī)模監(jiān)測階段?，F(xiàn)在，新疆煤田火區(qū)的滅火效果監(jiān)測，主要是在現(xiàn)場以人工的方式測量觀測孔內(nèi)的溫度和氣體，但新疆煤田火區(qū)分布點多面廣，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法效率低、實時性差。為此，需開展適合大面積、遠程監(jiān)測的技術(shù)手段研究，具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為此提供了可能。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)，由布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)調(diào)地進行實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，獲得詳盡、準確的信息，最后傳送到需要這些信息的用戶。這項技術(shù)1990年代末發(fā)端于美國，而中國對這方面的研究，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，并作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一(當時的項目名稱：重點地區(qū)災害實時監(jiān)測、預警和決策支持示范系統(tǒng))，硬件節(jié)點有寧波深聯(lián)(SL)科技、北京博控(BOCON)等公司的代理產(chǎn)品。

2 新疆煤火無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特質(zhì)，使其在大面積的遠程監(jiān)測中，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成對新疆煤火的自動實時和高效的監(jiān)測，將是新疆煤田滅火工程局和江蘇大學今后的重要研究工作。2008年10月，我們在松樹頭火區(qū)成功地進行了遠程數(shù)據(jù)傳輸試驗，自此新疆煤火無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)工作正式啟動，這項工作分三個階段進行：

第一階段，選定兩個已治理和正在治理中的火區(qū)，搭建小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將地下1.5 m深度的地層溫度每隔8h自動發(fā)送到滅火工程局的監(jiān)測中心服務(wù)器上。根據(jù)地層溫度的變化確定煤層是否復燃，或者根據(jù)溫度梯度確定燃燒方向。這項工作正在進行中。

第二階段，逐步把監(jiān)測范圍向地形復雜、交通不便的火區(qū)擴展，建立大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。

第三階段，建立遍及全疆的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對已治理、正在治理、未治理及未燃煤田進行全面監(jiān)測。最終，將火情信息并入中德合作開發(fā)的“新疆煤田火區(qū)信息管理和監(jiān)測系統(tǒng)”中去。

第一階段的研發(fā)工作由德國GTZ公司資助，主要解決如下幾個問題：

(1) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程通信。現(xiàn)有無線傳感器節(jié)點的標稱通信距離一般約為100 m ，部分節(jié)點可達300～500 m，少數(shù)節(jié)點達到1 000 m左右。但是，要將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h至幾百公里甚至幾千公里的監(jiān)測中心，這個通信距離是遠遠不夠的。無線網(wǎng)絡(luò)的遠程通信，有通過衛(wèi)星、通過6LowPIM協(xié)議直接接入公網(wǎng)(Internet網(wǎng))等方式。來自衛(wèi)星的信號微弱，終端所用的天線要具有足夠的增益，甚至使用侍服平臺，保證天線準確地跟蹤衛(wèi)星，這對于資源有限的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點難以做到。能夠提供較強信號的中低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，受“銥”系統(tǒng)等商業(yè)運作失敗的影響，尚處在發(fā)展的培育期。目前，隨著光纖通信和地面蜂窩移動通信的崛起，國際、國內(nèi)長途通信和陸地移動通信業(yè)務(wù)已不再屬于衛(wèi)星通信的主要領(lǐng)地。由于Internet網(wǎng)覆蓋范圍還沒有達到廣大的面積和偏遠的地區(qū)，無線網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點通信距離僅為1 000 m左右，網(wǎng)關(guān)節(jié)點還得放置于距離Interne網(wǎng)站100 m的范圍內(nèi)，因此該方案也不能獲得真正的遠程數(shù)據(jù)傳輸能力。全球移動通信(Global System for Mobile Communication, GSM)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service, GPRS)，按流量計費，為遠程監(jiān)控這種間斷、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，提供了一種高效、低成本的遠程通信手段。在中國，移動網(wǎng)絡(luò)已覆蓋了95%以上的地區(qū)，東南沿海和中心城市達到了100%覆蓋。

(2) 無持續(xù)能量供應(yīng)的節(jié)點能耗問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點攜帶能量有限，新疆煤田火區(qū)所要建立的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)遠離基礎(chǔ)設(shè)施、無人值守，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有被畜群踐踏和人為損壞的危險，要求節(jié)點是掩埋式、隱蔽式的。解決節(jié)點能量有限的問題，不能采取太陽能、風能等出露地面的可持續(xù)能源供應(yīng)；還由于監(jiān)測面積廣大，管理人員不易到達，不宜采用一般的丟棄舊點、補充新點的方法。同樣的原因，還要求在網(wǎng)絡(luò)建立后的0.5～2年的生命周期中是免維護的。這樣，就對節(jié)點的能量供應(yīng)、能耗、節(jié)點的休眠、喚醒機制、監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)?，提出了非常嚴格的要求。解決能量問題，是無線傳感器技術(shù)開發(fā)中重要的研究課題，傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)拓撲控制、路由協(xié)議、MAC(Medium Access Control，介質(zhì)訪問控制)協(xié)議等，都涉及了能量控制問題。但在當前傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段，這些研究都不夠完善，大部分還是理論上的研究。因此，如何開發(fā)出適合新疆煤田火區(qū)具體應(yīng)用情況下的節(jié)點能耗控制協(xié)議，是我們的重要研究內(nèi)容。在為節(jié)點配備了高性能的蓄電池之后，通過對節(jié)點休眠、喚醒控制機制研究，達到至少在網(wǎng)絡(luò)建成0.5年內(nèi)節(jié)點電池毋須更換，在不考慮電池自然損耗的情況下，0.5～2年內(nèi)毋須更換。

(3) 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點同步問題研究。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這樣的分布式系統(tǒng)中，不同的節(jié)點都有自己的本地時鐘。由于不同節(jié)點的晶體振蕩器存在偏差，以及溫度變化、電磁干擾等，即使在某個時刻所有節(jié)點都達到時間同步，但隨著時間的流逝，它們的時間也會逐漸出現(xiàn)偏差。時間同步對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作非常重要，特別是在采取了一般節(jié)點定時時鐘自動喚醒機制的網(wǎng)絡(luò)中，如果節(jié)點不能在約定的時間間隔中同時處于喚醒狀態(tài)，將無法執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信，也無法執(zhí)行通信時序，以至網(wǎng)絡(luò)崩潰。因此，時間同步機制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)框架的一個關(guān)鍵機制。分布式時間同步，涉及物理時間和邏輯時間兩個概念。物理時間表示人類社會使用的絕對時間，邏輯時間表達事件發(fā)生的順序關(guān)系，是相對的。分布式系統(tǒng)需要一個表示整個系統(tǒng)時間的全局時間，全局時間根據(jù)需要可以是物理時間或邏輯時間。時間同步機制在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)時間同步機制較少考慮計算和通信的開銷，沒有考慮節(jié)點的能耗。現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法，還未能囊括所有的具體應(yīng)用條件，因此需根據(jù)要求選擇和設(shè)計適合火區(qū)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議，使節(jié)點間通信保持正常時順，每次節(jié)點喚醒時，都能消除前次的時間積累誤差，維持網(wǎng)絡(luò)正常運轉(zhuǎn)。

(4) 節(jié)點的隱蔽與密封。在新疆火區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中，如何使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于較為隱蔽的狀態(tài)，減少陽光、風雨、電磁干擾、人為損壞、動物踐踏等對物理節(jié)點的影響和損壞，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用中需要解決的問題之一。將節(jié)點埋在地下、天線伸出地表，是隔離氣候影響、防止動物踐踏和人為損壞的有效方法。節(jié)點掩埋在地下，將會有雨水浸泡和濕氣侵入，為此設(shè)計了隱蔽式天線和密封式的節(jié)點，并申請了實用新型專利。

(5) 節(jié)點間通信性能的改進。無線傳感器節(jié)點的通信距離是在自由空間中定義的，由于隱蔽式節(jié)點掩埋在地下，天線出露地表僅10 cm，降低了天線的輻射功率，工作頻率為2.45GHz天線的最大通信距離降低到50 m 左右，極端情況下的通信距離，如雨天、地面極其潮濕環(huán)境下的通信距離還缺乏保證。天線的輻射性能要進一步改善，節(jié)點的工作頻率還要進一步選擇優(yōu)化，以便用較少的節(jié)點獲得較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，降低無線監(jiān)測網(wǎng)成本。除網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中需要的冗余外，要使節(jié)點的部屬與火區(qū)監(jiān)測需要的采樣點相一致。

(6)數(shù)據(jù)管理與觀測數(shù)據(jù)分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場采集的溫度、濕度、節(jié)點位置、觀測時間等信息，將從現(xiàn)場遠程傳輸?shù)叫陆禾餃缁鸸こ叹直O(jiān)測中心永久保存，監(jiān)測中心根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的閾值確定是否發(fā)出火情警報，并采取相應(yīng)措施。所設(shè)計的數(shù)據(jù)管理功能，有數(shù)據(jù)存儲、查詢，節(jié)點地理位置、溫度趨勢圖等。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，今后可以和“新疆煤田火區(qū)地理信息動態(tài)管理系統(tǒng)”相融合。觀測數(shù)據(jù)的分析，除了有賴于對煤火發(fā)火機制的了解以外，還須分辨1.5 m深度(現(xiàn)在的觀測孔深度)采集的溫度數(shù)據(jù)是否還受到地面氣溫的影響，或?qū)鉁赜绊懛蛛x出去；或重新設(shè)定溫度傳感器的埋深，以便得到更準確的煤層溫度變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在新疆煤田火區(qū)監(jiān)測中的研究，已取得較大進展，并將在實際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。在不久的未來，煤火監(jiān)測主要是觀測溫度和氣體兩個指標，但目前在新疆煤火試驗性的監(jiān)測中，觀測的是溫度信息，首先解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中的遠程數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點休眠與喚醒、節(jié)點隱蔽等問題。今后待獲得體積、性能、價格等方面適合新疆煤火監(jiān)測的氣體傳感器后，將增加氣體觀測功能，使煤火監(jiān)測的信息更為全面。