本文關(guān)鍵詞：礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》 2015年

礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究

朱凱  

【摘要】：礦井破碎圍巖產(chǎn)生突然坍塌對煤炭安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅,利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)施礦井圍巖的安全監(jiān)測已得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有如下不足:節(jié)點(diǎn)自修復(fù)能力弱、耗能高,且數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無線通信過程中易出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。針對上述無線傳感網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn),論文分析了礦井環(huán)境無線通信的傳播特性,提出圍巖監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,重點(diǎn)研究了礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)的自修復(fù)能力、網(wǎng)絡(luò)生命周期及數(shù)據(jù)傳輸可靠性等關(guān)鍵技術(shù),具體如下:(1)設(shè)計(jì)了礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了設(shè)計(jì)有效的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng),論文分析了圍巖復(fù)雜環(huán)境中多徑效應(yīng)對無線傳播特性的影響,并研究了井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上提出礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu),該架構(gòu)包含三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):管理層、監(jiān)控層和設(shè)備層。管理層對服務(wù)器及客戶端實(shí)施管理,并對圍巖監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)施分析處理;監(jiān)控層基于以太網(wǎng)SOI協(xié)議,對設(shè)備層之間的通信實(shí)施管理,采用動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),構(gòu)建圍巖物理特征監(jiān)控系統(tǒng);設(shè)備層由網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器之間采用CAN線互連,終端節(jié)點(diǎn)采用無線傳感器、短距離無線傳輸和檢測技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集與傳輸。論文所設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是研究礦井圍巖監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。(2)研究了礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)自修復(fù)路由算法礦井環(huán)境惡劣,傳感器控制節(jié)點(diǎn)易受損壞,導(dǎo)致前端無線傳感采集網(wǎng)癱瘓。因此,在個(gè)別節(jié)點(diǎn)受損情況下,如何實(shí)現(xiàn)前端采集網(wǎng)的自修復(fù)能力,提高采集網(wǎng)的穩(wěn)定性是論文重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。論文重點(diǎn)研究路由算法對采集網(wǎng)自修復(fù)能力的影響,對比分析了平面路由算法和分層路由算法的優(yōu)劣性,研究結(jié)果表明:分層路由算法具有節(jié)點(diǎn)周期性休眠、使用簇首控制網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn),滿足礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)需求。在分層路由算法中,LEACH算法是經(jīng)典的簇樹狀拓?fù)淇刂扑惴?存在簇首分布不均勻問題。針對該問題,論文提出改進(jìn)的RD-LEACH(Regular Distribution–LEACH)算法。RD-LEACH算法優(yōu)化了簇首節(jié)點(diǎn)競爭條件,克服了簇首節(jié)點(diǎn)分布不均勻問題,所產(chǎn)生的均勻分布提高了地理位置相近節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的相關(guān)性和子網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡,減少拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對前端采集網(wǎng)絡(luò)的影響,從而提高圍巖監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)的自修復(fù)能力。論文設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證RD-LEACH算法的有效性。實(shí)驗(yàn)范圍600m×300m,終端節(jié)點(diǎn)400個(gè),輪數(shù)間隔值0.05。終端節(jié)點(diǎn)由程序隨機(jī)產(chǎn)生,代表圍巖中傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量小于0(s(i).e0)時(shí),標(biāo)志節(jié)點(diǎn)死亡,代表實(shí)際環(huán)境中節(jié)點(diǎn)被損壞后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。論文使用簇重合度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡因子兩個(gè)指標(biāo)對rd-leach算法與leach算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較,對比結(jié)果表明rd-leach算法比leach算法產(chǎn)生的簇首節(jié)點(diǎn)分布更均勻,進(jìn)而說明基于rd-leach算法的無線網(wǎng)路由自修復(fù)能力更強(qiáng)。(3)研究了延長礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)生命周期的路由算法監(jiān)測系統(tǒng)的終端采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電,能量有限,而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功耗較大。因此,論文開展礦井圍巖監(jiān)測無線網(wǎng)的節(jié)能研究,旨在降低網(wǎng)絡(luò)整體能量消耗,延長網(wǎng)絡(luò)壽命。論文首先對控制節(jié)點(diǎn)的硬件開展低功耗研究,論文按照低功耗設(shè)計(jì)原則,研究了溫度、壓力和振動(dòng)等節(jié)點(diǎn)的低功耗電路設(shè)計(jì)和采集方案。論文重點(diǎn)研究了無線傳感網(wǎng)控制系統(tǒng)的低功耗路由算法。針對圍巖監(jiān)測無線網(wǎng)在選擇簇首節(jié)點(diǎn)過程中的能量消耗問題,提出fl-leach(firstlast–leach)節(jié)能算法,降低圍巖監(jiān)測無線網(wǎng)在選擇簇首節(jié)點(diǎn)過程中的能量消耗。fl-leach算法使用集合來記錄簇狀態(tài)更新,以更新后集合中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)確定成簇個(gè)數(shù),引入節(jié)點(diǎn)成為簇首的地距因子參數(shù)d(n),降低監(jiān)測系統(tǒng)總體能量消耗,克服成簇過程中網(wǎng)絡(luò)能量消耗過大的缺點(diǎn),延長礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用的周期。論文仿真驗(yàn)證了fl-leach算法的有效性,設(shè)定節(jié)點(diǎn)初始能量為200,選用不同的地距因子、不同的循環(huán)輪次得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。地距因子代表終端采集節(jié)點(diǎn)至簇首節(jié)點(diǎn)之間的距離,循環(huán)輪次代表仿真實(shí)驗(yàn)中成簇次數(shù),能量變化值由剩余能量記錄,代表一輪循環(huán)后節(jié)點(diǎn)剩余能量。通過對比不同地距因子在不同循環(huán)次數(shù)條件下的網(wǎng)絡(luò)剩余能量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明fl-leach比leach至少節(jié)能18%,說明改進(jìn)的fl-leach算法使系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)的生命周期得到延長。(4)研究了礦井圍巖無線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性傳輸技術(shù)礦井惡劣環(huán)境存在嚴(yán)重的電磁干擾,會(huì)降低數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?增大數(shù)據(jù)傳輸誤碼率。誤碼率是判斷數(shù)據(jù)傳輸可靠重要指標(biāo)之一,因此論文開展礦井圍巖無線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸編碼算法研究,降低數(shù)據(jù)誤碼率。論文改進(jìn)了一種基于低密度奇偶校驗(yàn)碼的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)算法rmn-dec(rockmonitoringnetwork–dataerrorcorrection)。rmn-dec在原有編碼算法基礎(chǔ)上改變初始條件,并利用本文提出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型,采用硬判決譯碼方法完成數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。論文研究了數(shù)據(jù)通信機(jī)制,完成自定義的soi通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)字典,仿真實(shí)驗(yàn)選用不同碼字,采用高斯白噪聲信道、二進(jìn)制相稱鍵控調(diào)制,最大迭代次數(shù)和最小錯(cuò)誤幀數(shù)均設(shè)為150。與傳統(tǒng)的硬判決算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,rmn-dec算法在減少迭代次數(shù)以及內(nèi)存開銷的同時(shí)可以降低誤碼率,說明基于RMN-DEC算法能夠保證監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。論文在研究過程,提出了如下技術(shù)創(chuàng)新:(1)提出了一種基于LEACH的RD-LEACH算法,改進(jìn)了節(jié)點(diǎn)成為簇首的競爭條件,提高了網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)能力;(2)提出了一種基于LEACH的FL-LEACH算法,能夠降低圍巖監(jiān)測無線網(wǎng)在選擇簇首節(jié)點(diǎn)過程中的能量消耗;(3)改進(jìn)了一種基于低密度奇偶校驗(yàn)碼的RMN-DEC數(shù)據(jù)糾錯(cuò)算法,降低終端采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的誤碼率。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD76;TN929.5;TP212.9
【目錄】：

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【引證文獻(xiàn)】

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7 朱永全,劉勇,張素敏;洞室大小和形狀對極限位移的影響[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);1998年05期

8 韓和平;郭俊義;蔡建德;;復(fù)雜圍巖條件下巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究[J];礦業(yè)快報(bào);2007年01期

9 陳金國;不穩(wěn)定圍巖區(qū)段煤柱尺寸的確定[J];礦山壓力與頂板管理;2000年04期

10 姚紹濤;;隧道Ⅴ級圍巖中隔壁(CD)法施工技術(shù)淺析[J];價(jià)值工程;2013年11期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 殷立軍;;層狀圍巖隧道施工爆破數(shù)值模擬分析[A];鐵路長大隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2004年

2 冷希喬;史憲明;姜群會(huì);;層狀圍巖中隧道開挖變形特征研究[A];第十二屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)與技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2013年

3 吳小光;;雙聯(lián)體隧道中墻頂部圍巖保護(hù)及墻頂回填體施工質(zhì)量保證[A];巖土鉆掘技術(shù)在資源、環(huán)境和工程建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展學(xué)術(shù)論文集[C];2001年

4 張禮仁;張友良;譚飛;劉登學(xué);;隧道不同級別圍巖監(jiān)測與數(shù)值模擬分析[A];第十三屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)及技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2014年

5 張宗偉;;強(qiáng)擠壓圍巖隧道施工合理支護(hù)問題的探討[A];鐵路長大隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2004年

6 李浩;陳寅奕;徐永福;張志泉;;收斂-約束法原理及其在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A];巖土工程數(shù)值方法與高性能計(jì)算學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2007年

7 崔蘭;王樹仁;;深部圓巷開挖圍巖能量耗散特征數(shù)值模擬分析[A];全國地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與災(zāi)害治理學(xué)術(shù)及技術(shù)研討會(huì)論文集（Ⅰ）[C];2009年

8 黃明利;伍志勇;徐飛;;城市環(huán)境下TBM施工對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測與分析[A];第二屆隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)、TBM）專業(yè)委員會(huì)第一次學(xué)術(shù)研討會(huì)暨中鐵隧道集團(tuán)城市盾構(gòu)項(xiàng)目管理、施工技術(shù)、設(shè)備維保交流會(huì)論文集[C];2011年

9 王國卿;劉利軍;;TBM在不同地質(zhì)條件下掘進(jìn)參數(shù)的選擇[A];水與水技術(shù)（第4輯）[C];2014年

10 劉夕才;何滿潮;林韻梅;;軟巖膨脹性對巷道圍巖特性曲線的影響[A];面向21世紀(jì)的巖石力學(xué)與工程：中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第四次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];1996年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 新礦集團(tuán) 張萬武;[N];新疆科技報(bào)(漢);2004年

2 安立廣;[N];中國交通報(bào);2012年

3 燧文;[N];人民鐵道;2007年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 朱凱;礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2015年

2 李丹;高地應(yīng)力條件下交通隧道的模型試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D];中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所）;2008年

3 齊明山;大變形軟巖流變性態(tài)及其在隧道工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[D];同濟(jì)大學(xué);2006年

4 李鴻博;高應(yīng)力軟巖公路隧道大變形機(jī)理及工程應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2012年

5 孫輝;地下金屬礦山六邊形進(jìn)路充填開采圍巖穩(wěn)定性機(jī)理及控制方法研究[D];青島理工大學(xué);2013年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 冉銘哲;軟硬交界地層重載鐵路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2015年

2 房敦敏;基于數(shù)量化理論的巖質(zhì)圍巖施工階段亞級分級方法研究[D];西南交通大學(xué);2007年

3 唐衛(wèi)華;水平層狀圍巖隧道鉆爆施工控制技術(shù)研究[D];中南大學(xué);2009年

4 文志武;圍巖錨固機(jī)理及錨固參數(shù)優(yōu)化研究[D];大連海事大學(xué);2011年

5 楊廣安;隧道施工中圍巖參數(shù)反演及載荷分配比例問題研究[D];武漢理工大學(xué);2007年

6 王玉培;新奧法隧道施工圍巖—支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

7 華開成;麻崖子不同級別圍巖隧道結(jié)構(gòu)受力特性分析與安全性評價(jià)[D];長安大學(xué);2014年

8 羅定倫;隧道抗減震模型試驗(yàn)圍巖相似材料研究[D];西南交通大學(xué);2009年

9 明凱;復(fù)雜圍巖隧道爆破減震技術(shù)的研究[D];武漢科技大學(xué);2012年

10 熊芳斌;廈門海底隧道爆破施工及對圍巖影響的研究[D];河南理工大學(xué);2009年

  本文關(guān)鍵詞：礦井圍巖監(jiān)測無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：177967