程麗玲

(百色學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)信息工程系，廣西 百色 533000)

目前，由于國內(nèi)外的無線傳感器運(yùn)用于煤炭開采行業(yè)的井下人員定位系統(tǒng)普遍存在成本高、能耗大、檢修難度大等缺憾，在煤礦開采的安全控制方面，我國還有待提高。為此，我們必須建立完善的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，確保在事故發(fā)生時能夠確定井下人員的位置信息，及時搶救傷員。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)均具備感知能力、信息處理能力和無線通信能力，在煤礦安全管理方面，具有顯著的實(shí)用優(yōu)勢。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由空間上分散的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成、大規(guī)模、無線自組織、多跳、無分區(qū)和無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)路中，每個傳感器稱之為一個節(jié)點(diǎn)，其中位置信息已知的節(jié)點(diǎn)稱為信標(biāo)(Beacon)節(jié)點(diǎn)或者是錨(Anchor)節(jié)點(diǎn)，位置信息未知的節(jié)點(diǎn)稱為未知節(jié)點(diǎn)。每個傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，集通信、嵌入式計(jì)算和傳感器感知功能于一體，各個傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過互相協(xié)作來實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能，如監(jiān)測、定位、追蹤、控制等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們獲取信息的能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，目前已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

一、基于無線傳感器的桂西煤礦安全監(jiān)測

由于放頂煤工作面一次采全高、產(chǎn)量大、瓦斯的絕對涌出量增加，容易導(dǎo)致瓦斯超限以及潛在的瓦斯災(zāi)害，瓦斯問題成為制約放頂煤技術(shù)在我國推廣應(yīng)用的一個重要問題。近年來，通過對綜放工作面瓦斯來源分析、瓦斯涌出特征分析、影響瓦斯涌出量的因素分析等工作，提出以瓦斯抽放、巷道排放為主，優(yōu)化通風(fēng)、加強(qiáng)監(jiān)控監(jiān)測及日常管理的綜放工作面瓦斯治理措施，并取得了明顯成效。在瓦斯預(yù)測、瓦斯異常帶超前判識，尤其是在瓦斯抽放相關(guān)技術(shù)研究及應(yīng)用方面，取得了長足進(jìn)步。

當(dāng)支架支撐在頂?shù)装彘g時，支架一般是不存在傾倒的問題。支架傾倒的先決條件是側(cè)向力的作用。在支架的上方冒空時，頂板失去完整性，上部頂板有向下移動的空間。頂板垮落時對支架施加一個側(cè)向力使支架傾倒，側(cè)向力很大一部分是由巖石之間進(jìn)行平衡，作用在支架上的只是一小部分。此時，不等于沒有側(cè)向力。這種側(cè)向力不能簡單地用合力的正壓力與摩擦系數(shù)相乘而得，因?yàn)橹Ъ軟]有與圍巖發(fā)生相對運(yùn)動。一般這種側(cè)向力只有根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定。支架在下滑時前后端的下滑特性也不同。受力狀態(tài)的差異及后部放煤與冒落矸石的下向沖擊等，會產(chǎn)生支架前后擺動，對于放頂煤開采而言，支架的前部載荷大于后部，據(jù)相關(guān)工作面統(tǒng)計(jì)，一般放頂煤開采的工作面前柱工作阻力大于后柱阻力10%～15%，有時甚至出現(xiàn)后立柱受拉現(xiàn)象。因此，支架前部頂梁對頂板具有較大的摩擦力，而后部的摩擦力則較小，如果后部頂煤放空，直接頂冒落不及時，將使支架后部穩(wěn)定狀況更加惡化，極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)下滑。其次，在頂煤放出過程中，相對于支架中心線而言，上部放出的煤體多于下部。同時，頂煤流動過程中，會產(chǎn)生沿傾斜方向的分力。在后部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤過程中，由于部分大塊煤或個別大塊矸石在放煤口的擁擠或堵塞，也會產(chǎn)生向下的作用力，這些因素的綜合作用，易于使支架后部產(chǎn)生下滑或歪斜?？紤]到安全系數(shù)，在工作面傾角為20°以內(nèi)時，支架不會傾倒；大于20°時，支架就會有傾倒的趨勢，應(yīng)設(shè)置防倒千斤頂。防倒千斤頂?shù)奈恢脩?yīng)在前后立柱中間部位的頂梁上。

最后，實(shí)時監(jiān)測頂板來壓、端面頂板冒落及煤壁片幫情況。根據(jù)分析，對于大傾角工作面言，工作面中下部支架承受較大的靜荷載作用，一般情況下雖然綜放工作面基本頂來壓不明顯，但由于冒落矸石的下滑，工作面上部支架頂部可能形成空洞情況，頂板來壓會對支架形成沖擊。因此，一定要保證工作面支架的初撐力，避免基本頂超前斷裂，以免形成基本頂臺階下沉事故。由于頂板斷裂成弧形，中部支架可能較早承受來壓影響，需進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析。嚴(yán)格執(zhí)行四個“從下往上”的工藝措施，即從下往上斜切進(jìn)刀單向割煤，從下往上單向推移輸送機(jī)，從下往上移架和從下往上順序放煤。采煤機(jī)從下往上割煤，雖然增加了牽引的困難，但卻是實(shí)現(xiàn)從下往上單向推移輸送機(jī)，從下往上移架所必須的，必須嚴(yán)格執(zhí)行。為防止采煤機(jī)下滑，需加裝防滑保險鋼絲繩。

二、基于無線傳感器的桂西煤礦安全定位算法及其實(shí)現(xiàn)

(一)算法介紹

經(jīng)過近10年的發(fā)展，研究人員提出了許多無線定位算法來解決各種各樣的問題，其中DV-Hop算法是其中較為經(jīng)典的算法：DV-Hop(Distance Vector-Hop)算法是一種不基于測距的分布式絕對定位算法，其定位機(jī)制類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離矢量路由機(jī)制，整個定位過程分為三個步驟，分別如下：

1.計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與每個錨節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)

錨節(jié)點(diǎn)向周圍鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自身的位置信息，其中包括跳段數(shù)，初始化為0°接收節(jié)點(diǎn)收到消息之后記錄到每個錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，忽略來自同一個錨節(jié)點(diǎn)的包含較大跳數(shù)的消息，然后將跳數(shù)值加1并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)。這樣網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都能夠記錄下到每個錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。

2.計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際跳段距離

每個錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)第一步中記錄的其他錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和它們之間的跳數(shù)計(jì)算沒跳的平均距離，其計(jì)算公式如下：

其中 (Xi,Yi,Zi)和 (Xj,Yj,Zj)分別是錨節(jié)點(diǎn)i和j的坐標(biāo)，hj是錨節(jié)點(diǎn)i和j之間的跳數(shù)。

之后，錨節(jié)點(diǎn)將計(jì)算出的每跳平均距離廣播給周圍節(jié)點(diǎn)，其中廣播消息帶有生存期字段，未知節(jié)點(diǎn)在收到消息后記錄下每跳平均距離，并把消息轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)，同時忽略之后收到的包含每跳平均距離的消息。之后，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)跳數(shù)和每跳平均距離計(jì)算到各個錨節(jié)點(diǎn)的距離。根據(jù)第二步的計(jì)算結(jié)果，未知節(jié)點(diǎn)利用三邊或多邊測量法可計(jì)算出自身的坐標(biāo)。

圖1 DV-Hop算法的示意圖

在圖1中，假設(shè)L1，L2，L3為錨節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過第一和第二步之后能夠計(jì)算出三個錨節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際跳數(shù)和距離，則 L2計(jì)算的每跳平均距離為 (40+75)/(2+5)。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)A從L2 獲得每跳平均距離，則節(jié)點(diǎn) A到三個錨節(jié)點(diǎn)之間的距離分別為L1：3×16.42,L2：2×16.42,L3：3×16.42,，最后可利用三邊測量法計(jì)算出坐標(biāo)。

(二)定位實(shí)現(xiàn)

就單個煤礦來講，生產(chǎn)全過程都是地下作業(yè)，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)地點(diǎn)比較分散，且受生產(chǎn)工藝、工序的影響不能隨意上下，這就給真正落實(shí)煤礦井下勞動定員帶來了困難。就整體煤礦來講，煤炭行業(yè)管理部門區(qū)域內(nèi)的所有煤礦地點(diǎn)分散偏僻、生產(chǎn)條件、技術(shù)裝備等差異很大，這給監(jiān)督執(zhí)法帶來了困難。因此，必須利用高科技手段，建立煤礦井下人員監(jiān)測定位系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)全省、全國聯(lián)網(wǎng)，大大提高全省、全國煤礦井下勞動定員的管理水平。建立煤礦井下人員監(jiān)測定位管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對煤礦井下作業(yè)人員進(jìn)出的有效識別和監(jiān)測監(jiān)控，通過研究作業(yè)人員在生產(chǎn)過程中的狀態(tài)，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)、工序進(jìn)行流程再造；根據(jù)各道作業(yè)工序的時間消耗，制定科學(xué)先進(jìn)的勞動定額定員標(biāo)準(zhǔn)。對提高煤礦井下勞動定員管理、生產(chǎn)管理、安全管理水平將發(fā)揮重要作用。

在當(dāng)今以計(jì)算機(jī)為中心的網(wǎng)絡(luò)信息時代，為了加強(qiáng)煤礦井下人員管理，提高礦井綜合管理水平，以信息和知識資源的開發(fā)利用為核心，結(jié)合煤炭工業(yè)實(shí)際需要，將電子技術(shù)、自動測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、射頻技術(shù)和軟件技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研發(fā)適應(yīng)煤礦井下環(huán)境使用的具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸井下人員定位、跟蹤、考勤和管理功能的煤礦井下人員考勤及跟蹤定位管理系統(tǒng)就顯得日益緊迫和必要。

1.考勤功能

能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)煤礦職工的入井、升井時間，可按班次按部門按工作區(qū)域生成日考勤、月考勤統(tǒng)計(jì)報表，并隨時可查詢各工作區(qū)域如大巷、采區(qū)、工作面和相關(guān)地點(diǎn)的作業(yè)人員人數(shù)和相關(guān)檔案資料。

2.定位功能

能夠?qū)侣毠さ姆植记闆r分區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測。能夠用不同標(biāo)識模擬圖形或顏色，數(shù)據(jù)動態(tài)，實(shí)時顯示井下各類人員狀況和分布情況，并能動態(tài)顯示井下人員的當(dāng)班活動模擬軌跡。

3.關(guān)鍵崗位監(jiān)控

系統(tǒng)能對干部下井情況(特別是四點(diǎn)班、零點(diǎn)班的情況)進(jìn)行有效監(jiān)督，領(lǐng)導(dǎo)在辦公室通過電腦或在調(diào)度室大屏幕就可以看到應(yīng)下井干部是否下井，在世界任何地方出差，通過互聯(lián)網(wǎng)也可以了解干部下井情況。

三、結(jié)論

基于無線傳感器的桂西煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠及時、準(zhǔn)確地將井下各個區(qū)域人員及設(shè)備的動態(tài)情況反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員、設(shè)備的分布狀況和每個礦工的運(yùn)動軌跡，以便于進(jìn)行更加合理的調(diào)度管理。當(dāng)事故發(fā)生時，救援人員也可根據(jù)井下人員及設(shè)備定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率。