0 引言

    在“兩化融合”政策引導下，傳統的煤炭生產作業方式正逐步被智能化礦井技術^[1]所替代。智能化礦井包括：全礦井的智能化信息系統平臺、高度自動化和信息化的安全生產系統等。智能化礦井的設計^[2]，通過使用自動化、智能化采集裝備，實現風險提前預警，極大地減少事故發生。

    智能礦井的目標是實現危險預警、安全評估、優化控制、專家決策、三維可視^[3-4]等功能。為實現上述目標，數字礦山、物聯網技術需要在礦井中搭建傳感器及傳輸系統，實現對礦井各類數據的采集與傳輸。本文給出一種傳感器及其傳輸系統的可靠設計方案——傳感器數據共享傳輸協議，并分析這種協議的可靠性和健壯性。

1 煤炭礦井傳感網設計和數據傳輸架構

    煤礦生產現場有各類采煤和輸送設備。為保證設備安全高效的運行，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境中的人員、設備、瓦斯、溫濕度變化等各類參數進行定量定性分析^[5]，以確保作業人員及生產設備的安全。一旦這些參數發生異常及時報警，將進一步采用人工檢查干預。

    煤礦生產現場需要根據各類參數安裝不同的傳感器，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，有的安裝在采掘機械上，隨著采掘的進展，傳感器的安裝位置按照安全標準要求不斷調整。

    煤礦井下安裝的傳感器，一般采用電池供電和無線傳輸的方式，多數傳感器沒有能力直接將數據傳輸到地面數據處理和監控中心^[6]。因此，需要在井下選擇多個固定位置安裝數據匯聚節點（或稱為傳感器網關節點）。這些匯聚節點與地面使用有線連接方式，將收到的傳感器的數據發送到地面數據處理中心，如圖1所示。

2 傳統傳輸模式的可靠性

    圖1所示為井下數據向地面數據處理中心的傳輸模式，從匯聚節點（基站）到地面的傳輸。因井下環境復雜，從傳感器到匯聚節點之間的無線傳輸部分可能會丟失數據^[7]。井下工作人員使用智能手機等移動終端，這些設備需要使用Wifi網絡或3G網絡。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境中的WiFi、藍牙等信號干擾^[9]，數據傳輸過程中，產生的丟包率較為嚴重，約為50%。針對這種情況，可使用多個匯聚節點捕獲無線傳感器的信號，以減少丟包所造成的損失。假設無線信號丟包率為p，并假設這一丟包率對不同的匯聚節點是獨立的，對10 000次無線傳感器信號傳輸進行了模擬仿真，在保證99%的信號沒有丟失情況下，數據丟包率與匯聚節點的個數之間的關系如圖2所示。

    從圖2看出，如果有2%的數據丟失，想保證99%的數據能被正確接收，需要至少2個匯聚節點共同工作。當數據丟失率達到11%時，需要有3個匯聚節點共同工作，才能保證99%的數據被正確接收。

3 高可靠性的數據傳輸共享協議設計

    為了提高數據上傳的成功率，采用多個匯聚節點共同工作的方式不是最好的解決方案。需要研究當部分匯聚節點突發出現故障時，如何將這些傳感器數據可靠地傳輸到地面數據處理中心。

    由于井下環境復雜^[10]，通信容易受阻，對傳感器采集的數據少，所以采用傳感器與匯聚節點直連、匯聚節點相鄰之間進行數據交互的方式，如圖3所示。

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

    定理1：無論匯聚節點S₁先將數據共享給匯聚節點S₂，還是匯聚節點S₂先將數據共享給匯聚節點S₁，上述數據共享協議（DS-協議）的結果是相同的。

    煤礦井下環境中，數據傳輸的可靠性最為重要。一個傳輸協議的可靠性，在于當一些傳輸設備出現故障后，對擬傳輸數據的影響降為最低。這種可靠性主要是針對發生突發事故時系統的可靠性，而不是設備長期處于故障狀態（這種情況與設備不存在是等價的）。因此方案討論的可靠性是在相鄰匯聚節點之間完成數據共享后，如果在數據傳輸階段發送故障，傳感器數據受影響的情況。這種假設是合理的，因為數據的采集與共享是實時的，而基站數據傳輸則是間歇性的，或只有在收到地面指令時才發送。

    一個協議的可靠性高低取決于可以允許系統中多少設備出現故障，而不影響到數據的正常傳輸。 DS-協議目的就是為提高匯聚節點傳輸傳感器數據的可靠性，因為從礦井到地面的通信有時因通信線路故障難以保證，特別是在發生煤礦井下局部出現事故情況下更容易導致數據丟失。

    針對DS-協議的可靠性，有如下證明。

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

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

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

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

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

    情況(1)：假設失效的2個相鄰匯聚節點為和，且都不是端節點，則根據DS-數據共享協議可知，接收到的傳感器數據被共享到，根據假設，可知和沒有失效，因此點和接收到的傳感器數據都可以被成功上傳。

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

    情況(3)：假設一個傳感器數據data被匯聚節點S_i接收，但S_i失效，可以考慮兩種情況：①S_i為端節點，不妨假設為S₁。根據DS-數據共享協議，data被共享到S₂，根據假設條件，S₂不失效(否則包括端節點的相鄰失效節點數將大于1，與假設矛盾)，因此data可被S₂成功上傳；②S_i不為端節點，則根據DS數據共享協議，data被共享到S_i－1和S_i+1。根據假設條件，S_i－1和S_i+1中一定有一個不失效(否則連同S_i，相鄰失效節點數至少為3，與假設矛盾)，不妨設S_i－1不失效，因此data可以通過S_i－1成功上傳。

    綜上，定理結論得證。

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

    在實際部署中，匯聚節點的部署也不完全是線型結構的，更多的情況是樹型結構。注意樹型結構實際是一些線型結構的連接，其本質是一個線型結構的端節點與另一個線型結構的中間節點合并。此時該分叉節點具有多余2個鄰居節點，數據共享的冗余性更高。根據實際情況，如果該交叉節點的數據重要性沒有那么高，可以不需要與所有鄰居節點進行數據共享，例如只將自己的數據共享給一個鄰居節點（把自己當作線型結構的端節點對待），或將自己的數據分享給2個鄰居節點（把自己當作線型結構的中間節點對待）。但交叉節點所有鄰居節點的數據將全部共享給該交叉節點。不難看出，樹狀結構的數據共享比線型結構具有更高的可靠性。直覺告訴研究人員，在樹狀結構中，交叉節點的失效比普通節點的失效影響更大。這一問題將作進一步研究。

4 數據丟包率對數據共享協議的影響

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

    從圖4中看到，數據共享協議可以明顯降低傳感器數據丟包率。當傳感器節點丟包率小于10%時，在數據共享協議下數據丟包率為0%（基于實驗數據和0.01的精確度）；當傳感器節點丟包率達到30%，在數據共享協議下數據丟包率小于10%；當傳感器節點數據丟包率接近50%時，在數據共享協議下數據丟包率不到25%。

    通過進一步分析可以看出，數據共享協議的更大價值在于匯聚節點失效情況下的系統穩定性。為了具有可比性，可以假設傳統方法中使用2個匯聚節點以提高可靠性（即一個匯聚節點是另一個的備份，服務的傳感器集合相同且獨立工作），而在數據共享協議中，每一個傳感器的數據也能被2個相鄰的匯聚節點接收到。假設發生事故時匯聚節點失效（如損壞）的概率為p，在同樣的仿真環境下通過10 000次模擬實驗并取其平均值，得到單匯聚節點失效概率p（橫軸）與匯聚節點信息全部丟失的概率（縱軸）之間的關系如圖5。

    從圖5不難看出，使用數據共享協議后，在單匯聚節點失效概率很小和接近50%的情況下，數據共享協議的優勢不明顯。當匯聚節點失效概率在30%左右時，數據共享協議可以明顯降低數據丟失。

5 結論

    本文設計了一種適合智能煤礦井復雜網絡環境下的傳感器網絡數據傳輸的方案，通過匯聚節點之間的數據共享協議，可以有效提高系統的可靠性。采用此方案，當因事故等原因造成一些匯聚節點不能正常工作時，傳感器數據依然可以正常傳輸到地面處理中心，這對礦山發生意外情況下的緊急事故處理有著非常實用的實踐價值。

    本文提出的數據共享協議，還可以在匯聚節點的部署密度方面比節點備份有優勢，該問題留待進一步研究。使用此方案提出的數據共享協議，結合物聯網、大數據處理等技術，可以為智慧礦井的建設提供更可靠的傳感器數據傳輸和處理機制，從而提升智能礦井的業務穩定性和系統整體安全性。

參考文獻

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作者信息：

孟  峰1，肖  政2，劉軍雨3

（1.神華集團煤炭生產部，北京100011；2.神華集團信息管理部，北京100011；

3.北京國電通網絡技術有限公司，北京100011）