煤矿工作面无线信号耦合规律分析.pdf

第 4 3卷 第 1 1 期 2 0 1 7 年 l 1 月 Vo 1 ． 4 3 NO ．i i NO V ．2 O1 7 ’ ’ ◆ i分析研 究 ’ _． ．◆Il ． ◆， 文 章编 号 I 6 7 i 一 2 5 1 X 2 O 1 7 1 1 0 0 4 8 0 6 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 1 1 ． 0 1 0 煤矿工作面无线信号耦合规律分析 杨 长俊 ， 张 申。 1 ． 神华 宁夏 煤业集 团有 限责任 公 司 红 柳煤 矿 ，宁夏 灵武 7 5 0 4 0 9 ； 2 ． 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针对 煤矿 工作 面无 线传 感 器 网络 传输 问题 ， 根 据 工作 面无 线通 信 空 间特 征 ， 将 工 作 面 划 分 为 2个 通信 空 间。采 用射 线跟踪 法 分析 了液 压 支架对 工作 面无 线 传 感 器 网络 节点 通信 的影 响 ， 针 对 无 线信 号 源 定 义了工作面信号传输的近 区、 过渡 区和远区， 并通过分区数值计算 ， 得 出了只有在无线信号源的近区才存在 2个通信 空 间信 号耦合 的规 律 。基 于工作 面 2个 通信 空 间的 无 线信 号 耦 合 规律 ， 制 定 了适 用 于 工作 面环 境 的无线传感器网络节点部署策略 ， 并采用 NS 2软件进行 了仿真分析 。仿真结果表 明， 该工作面无线传感 器 网络 节点部 署 策略 具有较 长 的 网络 生存期 和较好 的 数据 收发 效 果 。 关 键 词 煤 炭 开采 ；工作 面 ； 液压 支 架 ； 无 线传输 ； 无 线传 感 器 网络 ； 无 线信 号耦 合 ；网络 节点 部署 ； 射 线跟踪 法 中图分 类号 TD 6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 O 1 7 一l O 一 2 7 0 8 5 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k e ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 1 0 2 7 ． 0 8 5 5 ． 0 1 0 ． h t ml An a l y s i s o f wi r e l e s s s i g n a l c o up l i n g l a w o n c o a l f a c e YANG Ch a n g j u n ， ZHANG S h e n 1 ． Ho n g l i u Co a l Mi n e ，S h e n h u a Ni n g x i a C o a l Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，L i n g wu 7 5 0 4 0 9 ，Ch i n a；2． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co n t r o l En g i n e e r i n g，Ch i n a Uni v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Abs t r a c tFo r t he pr o bl e m o f wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r kW SN t r a ns m i s s i o n o n c o a l f a c e， 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 3 0 1 ； 修回 日期 2 0 l 7 一 O 9 2 o ； 责任编辑 李 明。 基金项目 “ 十二五” 国家科技 支撑计划 资助项 目 2 0 1 3 B AK0 6 B 0 5 。 作者 简介 杨长俊 1 9 6 7 一 ， 男 ， 宁夏 隆德人 ， 高级 _ I 程师 ， 现主要从事煤矿机电设备管理 【 作 ， E ma i l 7 4 2 0 6 1 6 8 8 q q ． c o rn。 引用格式 杨长俊， 张申， 煤矿 工作面无线信号耦合规律分析[ J ] ． T矿 自动化， 2 0 1 7， 4 3 1 1 4 8 5 3 ． YAN G C h a n g j u n ， Z HANG S h e n ． An a l y s i s o f wi r e l e s s s i g n a l c o u p l i n g l a w o n c o a l f a c e [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 l 7 4 3 1 1 4 8 5 3 ． [ 2 7 ] [ 2 8 ] 杨国安 ， 许 飞云 ， 吴 贞焕 ， 等． 基 于小波 包和解 调分 析 的多类故障综合诊 断方法研 究[ J ] ． 东南大 学学报 自 然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 4 1 4 2 4 5 ． YANG Gu o a n，XU Fe i yu n，W U Zhe n hua n，e t a 1 ． Re s e a r c h on t he mu l t i f a ul t c ompr e he n s i ve di a g nos i s me t ho d b a s e d on wa v el e t pa c k e t a n d de modu l a t i on [ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e Edi t i o n， 2 004， 34 1 42 45 ． 周云龙 ， 刘 永奇 ， 薛广 鑫 ， 等． 基 于 E MD和 边 际谱频 带能量的离心 泵汽 蚀故 障诊断 E J ] ． 化 工学 报 ， 2 0 1 2 ， 6 3 2 5 45 55 0． [ 2 9 ] [ 3 o ] ZH0U Yu nl on g， LI U Yon gq i ， XUE Gua ng xi n， e t a 1 ． Fa ul t d i a g nos i s o f c a vi a t i on f or c e nt r i f u ga l pu m p b a s e d o n EM D a n d HHT ma r gi na l s pe c t r u m e ne r gy [ J ] ． C I E S C J o u r n a l ， 2 0 1 2 ， 6 3 2 5 4 5 5 5 0 ． GA J L， W EN C I ， LI U M Q．Lo w s p e e d s ma l l t a r g e t d e t e c t i o n b a s e d o n S VD a n d s u p e r p o s i t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y， 2 0 1 5 ， 4 9 6 87 6 8 83 ． W ANG M H ， TSAI H H．Fue l c e l l f a ul t f or e c a s t i ng s y s t e m u s i n g g r e y a n d e x t e n s i o n t h e o r i e s [ J ] ．I E T Re n e wa bl e Po we r Ge ne r at i o n， 2 0l 3， 6 6 373 38 O ． ∞ 化 m 动舢 自 d 矿 工 ．至 Ⅲ 2 0 1 7年 第 l 1期 杨 长俊等 煤矿 3 - 作 面无线 信号耦 合规 律 分析 4 9 c o m m u ni c a t i on s p a c e of c oa l f a c e wa s di v i d e d i n t o t wo s p a c e s a c c or d i n g t o i t s wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on c ha r a c t e r i s t i c s ．I nf l ue nc e o f hy dr a u l i c s u pp or t s on W SN no de c omm u ni c a t i o n o f c o a l f a c e wa s a na l y z e d by u s e of r a y t r a c i n g me t l 1 o d．a n d t hr e e s i gna l t r a n s mi s s i o n a r e a s o n c o a l f a c e we r e d e f i ne d f o r wi r e l e s s s i gn a l s ou r c e． whi c h we r e n e a r a r e a， t r a ns i t i o na l a r e a a n d f a r a r e a． Nume r i c a l c a l c u l a t i on of e a c h s i g na l t r an s mi s s i o n a r e a wa s l a ke n o ut ，a n d a l a w wa s g ot t e n t ha t s i gn a l c o up l i ng O f t wo c o m mun i c a l i o n s pa c e s wa s on l y i n t he ne a r a r e a o f wi r e l e s s s i gn a l s ou r c e ．A s t r a t e gy o f W SN n o de d i s t r i b ut i on o n c o a l f a c e wa s p r op o s e d ac c or d i ng t o t he l a w ，whi c h wa s s i m ul a t e d i n NS2 s of t ． The s i m u l a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t h e s t r a t e gy h a s l on g ne t wor k l i f e t i me a nd g o od e f f e c t o f da t e r e c e i vi ng a n d s e nd i ng． Ke y wo r ds c oa l mi ni n g；c o a l f a c e；hy dr a ul i c s u pp or t；wi r e l e s s t r a n s m i s s i on；wi r e l e s s s e ns or n e t wor k； wi r e l e s s s i g na l c o upl i ng；ne t wor k n od e di s t r i bu t i o n；r a y t r a c i ng me t h od 0 引言 无 线 传 感 器 网 络 Wi r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k ， WS N 具有 白组 织 、 无线 通 信 、 分 布 式 自治 、 维 护 简 便 等 特点 。 煤 矿 T 作 面 ， WS N 无 线 自组 网 的 特 点小 仪 满足 T作 面复 杂 环 境 要 求 ， 还 可 使监 测 网 络 有效 跟 随 工 作 面 推 进 而 移 动 ， 具 有 较 好 的 应 』 E } j 意 义 。 曰前 对于 WS N 的研 究 主要 集 巾在 各 层 网 络协 议 及具 体算 法 ， 涉及 仆下 信道来 整 体构 建 WS N 的文献 较 少 。仪有 的煤 矿 WS N 研 究 主要 是 针 对普 通 隧道 情 况提 f } j 的 ， 并没 有 专 门针 对 工作 面这 种 具 体应，} _} j 环境进行 WS N没计及部署 。煤矿工作面是 一 个十 分 复杂 的隧 道 环 境 T 作 面 是 有 限 的 长条 形 隧道 空 问 ． 四面 分 刖为煤 壁 和金属 壁 ， 无线传 播 特性 容 易受 作 面尺 寸 、 没备分 布 、 电磁 波频 率 等因 素影 响 。 【 夫 1 此 ， 只有红 研 究 1 作 面 电 磁波 传 输 特 性 和 建 节 点 传 播 模 型 的 荩 础 I2 ， 才 能 建 立 适 合 工 作 面 的 WSN。 本 文根据 煤 矿 1 作面 液压 支架 结构 和 区域特 性 定 义 _ r丁作 面的 2个通 信空 问 ； 针 对 丁作 面 液 压 支 架对 节点 通 信的 影 响 ． 采 膈射 线 跟 踪 法 分 析 了 丁作 面环境 下 电磁 波 传播 特性 ， 描 述 了工 作 面 空 间 信 号 传输模 式 ． 划 分 r 点 通 信 的 近 区 、 过 渡 区 和 远 ， 并进 行 了分 的 数 值 计 算 ； 根 据 工 作 面 WS N 分 区 理 论 ， 制 定 l r适 H 】 f一 1 作 面环 境 的 WS N 节 点部 署 策 略 。 N S 2仿 真 结 果 验 证 了该 部 署 策 略 可 达 剑较 好 的数 据 采 集 效 果 ， 对 合 理 部 署 煤 矿 T 作 面 WS N 节 点具 有 良好 的指 导 意 义。 1 煤 矿 工作 面通 信 空间特 征和模 型 煤 矿工 作面 是有 限空 问 ， 其 巾有 采煤 机 、 刮板输 送 机 、 液 压 支架等 大 型 金 属 设 备 ， 人 员 ， 以及 煤 岩 等 介质 ． 对 无线 传输 有较 大影 响 ① 大 型金 属 液压 支架会对 电磁波产 生 多 次反 射 或 散 射 ． 造 成 多 径 衰 落 效应 ； ② 工作 面 四壁相 对 于空 气 来 说属 于光 密媒 质 ， 会造 成 电磁 波 反 射 及 较 大 的 吸 收 衰 减 ； ③ 工 作 而巾的障 碍物 、 洞 孔等 因素会 干扰 电磁波 J J 常传 播 ； ④ 井下 无线 空 问 的介 质 成 分 和 密度 具 有 不 均 匀 性 和 时变性 ， 如 温度 、 湿度 、 有 害气 体浓 度等 不断 变化 ， 使 电磁波 的传播 过 程复 杂化 。 1 作 面宽 和高 一般 为 2 ～5 m， 长约 1 0 0 I I 1 。通 常情 况 ， 人员 和设备 在液 压 支架掩 护 f 1 jJ 内活 动 ， 液 压 支架一 般有 2排 金 属 支 柱 ， 即 支架 前 柱排 和 支架 后柱排 。支架柱 排 将 工 作 面 分 成 2个 平 仃 的 、 通 信 特性 差 异 明 显 的 隧 道 空 问 ， 称 为 通 信 空 问 l ， 2 ， 如 图 1所示 。通 信空 问 1即 采煤 机 行 进 I 域 ， 上 下 壁 为支架 顶梁 和支 架底 座 、 刮板 输送 机 等 没备 ， 一侧 面 为金属 支柱 支 架 前柱 排 ， 另一 侧 面 为煤 壁 。在 通 信 空 问 1内有采 煤机 沿液 压 支架排 列 方 移 动 。通 信空问 2即人员行走作业 的 域 ，卜 下壁 为顶梁和 底座 ， 两侧 为 2 排 支 柱 支架 前后梓 排 。 、 _ 竞 檗 履 柱 ＼ 、 、 通信 空问 ～ 麓 圃 删 I ； ≈ { 信空 间l 、 、 ‘ ≮ l 煤 矿 j 二 作 向的 2个j i 11 信 空 删 Fig．1 TWO c ommu ni c a t i on sp a c e s on C Oa l f a c e 在 众多影 响 T作 面无 线 通 信 特 性 的 【 人 1 素 中 ， 液 压 支架 的影 响最 大 ， 这也 是 丁作 面 别 于 其他 隧 道环 境 的根 本因 素 。 此 本 文只考虑 金属 支柱对 无 线通信的影响， 将图 1简化为如 『皋 ]2所永的丁作面 通信空间 俯视 ． 2 个通信空M被金属支柱隔开 。 5 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 图 2 简化 的煤矿工作 面通 信空间 Fi g． 2 Si mpl i f i e d c o mm u ni c a t i on s pa c e s on c oa l f a c e 2 工作 面 液压支 架对 WS N无 线传输 的 影响 要 构 建工作 面 WS N， 需 要 进一 步 了解 WS N 节 点在 2个通信空间的传播模型。明确位置的节点布 置能 够减 少节 点数 ， 避 免 节 点 分 布 不 均匀 和重 复 覆 盖 ， 因此工 作 面更 适 合 采 用节 点 确 定 部 署 策 略 。可 将节点悬挂于液压 支架上 ， 使 WS N 与工作 面推移 保持一致 ， 保证工作面一直在监控范 围内。以下将 在 已知节 点 与 液 压 支 架 金 属 支 柱 相 对 位 置 的 前 提 下， 讨论液压支架对节点无线传输的影响。 2 ． 1 液 压 支架对 单 个节 点传 输 特性 的影 响 由于电磁波在工作面传播时存在反射 、 散射等 现象 ， 所 以其 能量不 能按 照 自由空问理 论计 算 ， 通常 采用经验公式 、 实际测量l 6 。 等方法进行分析 ， 难 以 得 出工作 面 电磁波 传 输 函数 与 节 点 、 支 柱相 关 的确 切公 式 。本文 采用 射线 跟踪 法l 8 分 析 工作 面的 电磁 波分 布情 况 。射 线 跟 踪 法 是 估 算 电磁 场 的 近 似 方 法 ] ， 其基 本思 想 将 发射 点 向各个 方 向发 出的 射线 作为其发射的电磁波 ， 电磁波在遇到障碍物时发生 反射、 透射或散射 ， 在 接收点将到达的射线叠加 ， 从 而实现电磁 波传播预测__ 】 。工作面传输损耗 和吸 收 衰减较 大 ， 电磁 波 直射和一 次 反射 能量 较强 ， 而 多 次反射和散射的能量低 于干扰 阈值 ， 因此本文只讨 论 节点在 支 柱 间的直 射 和一 次 反 射 射 线 ， 不考 虑其 他射 线 。 首先分析单个节点的电磁波在支柱问的传输情 况 。如图 2 所示 ， 信号源 s发 出的射线传输到支柱 柱 面上 的能量 大 部 分 发 生 反 射 ， 形 成 反 射 区域 。 以 S与支柱 圆心 的连 接线 为界 ， 将 反 射 区 分 为前 向 反 射 区和后 向反 射 区 。 图 2中 ， S与 各 支柱 圆 心 连 线 左侧 的反 射 区 为前 向反 射 区 ， 右 侧 为后 向 反 射 区 。 支柱 按照 离 S由近到 远 的顺序 依 次 编号 为 1 ， 2 ， ⋯ ， ； 支 柱半 径 为 r ； 相 邻 支 柱 间 距 为 d； S到支 柱 圆 心 连线 的距离 为 D； 1 号 支柱 的 圆 心与 S连 线 的垂 直夹角为 a --0 ／ ； 1 一 号支柱前向反射 区边界线的 垂 直 夹 角 为 |8 一 ， 各 支 柱 前 向 反 射 区 的 角 度 为 0 0 ； S到 1号 支柱 圆心在 支柱 圆心 连 线上 的投 影 距 离 为 b 。 根据 图 2可分 析归 纳 出 以下 结论 1 信号源 s与距离近的某个支柱能同时形成 前 向反射 区 和后 向反 射 区 ， 而 且 存 在 柱 排 间 的 直 射 区域 。例 如 S的信 号 可通 过 1号支 柱和 2号 支柱 之 间 的空 隙直射 到柱 排 对 面 的 区域 ， 也 可 通 过 一 次 后 向反 射传 输 到柱排 对 面的 区域 。 2 稍远 支 柱 的后 向反射 区逐 渐 被 较 近支 柱 的 前向反射区遮盖 ， 前向反射在该柱 面的反射区 内占 主体 ， 而后 向反射减弱。如 3号支柱的后向反 射区 被 2 号支柱的前 向反射区遮盖一部分 。发生遮盖后 S与柱排对面区域不存在直射射线 ， 所以 S信 号只 有部 分射 线通 过一 次后 向反 射穿 过 2号支 柱 和 3号 支柱 问 的空 隙 。 3 随着支柱距信号 源 S越来 越远 ， S与 支柱 只形 成前 向反 射 区 ， 而 没 有后 向反 射 区 。如 4号 支 柱的后向反射 区全部被 3号支柱 的前 向反射 区遮 盖 ， 4号支 柱没 有后 向反射 区 ， 所 以 S发射 的信 号 不 能穿 过 3号支 柱 和 4号 支柱 间 的空 隙 。 4 当支柱距信号源 s更远 时， 前 向反射 区逐 渐被距 s较近支柱的前向反射 区遮掩。如 5号支柱 的前 向反射区缩小 。距 s更远支柱的前 向反射区将 减少为近似的点 ， 此时排列的支柱类似于一面金属 墙 ， s信号的反射类似金属波导壁上 的反射 。 2 ． 2分 区 定 义 根据上述分析 ， 对于信号源 s ， 可将工作 面空 间 分 为近 区 、 过渡 区和 远 区。 1 近区 从 s到与某支柱的后 向反射 区被临 界覆 盖 之间 的 区域 ， 该 区域 内支 柱 与 S能 同时 形 成 前 向反 射 区 和 后 向 反 射 区 ， 波 的 反 射 情 况 与 室 内 相 似 。 2 过 渡 区 S与 某 支 柱仅 形 成 明显 的前 向反 射区 ， 该 区域内不存在因支柱引起的后向反射波 。 3 远 区 又称 金属 反射 墙 区 ， 为 距 离 S较远 的 区域 ， 该 区域 内支柱对 S信号 的作用 近似为 平面 反 射 。 2 ． 3分 区划分 的数 值计 算 根 据 图 2得 出如 下公 式 b Dt a n a 1 1 ． b “一 1 d 一arcsm ≈ 2 0 1 7年 第 l 1 期 杨 长俊 等 煤 矿 工作 面无 线信 号耦合 规律 分析 5 1 一一垒 二 r { r 6 ， z 一1 d] 。 D 。 一 ． r 一盯cSm ≈ ．．．．．．．． ． ．．． ．． ．．． ．． ．． ．． ．． ．。 ．． ．． ．． 一 r 、 { r 6 ～1 d ] 。 D 。 } ／ ～ 一a 4 d ≈ { [ 6 7 2 1 ] 。 D。 s i n 1 一 ≈ [ 6 一1 ] D “ 一 5 式 中 d 为 号支柱未被 一1 号支柱遮挡部分的横 向长 度 。 可见 随着 增 加 ， d 不 断 减 小 ， 即距 离 S越 远 ， 柱排越来越近似于光滑金属壁。根据上述分析 ， 可 简化 3个 区域划分 假设 d ≤A ／ I O时 ， 柱排对于 S 近似为平滑金属壁 ， 其中 为电磁波波长 。 1 近区 从 s到满足 一 ≤ 的区域 ， 同 时存在前向反射区和后 向反射区。 2 过渡区 从 一 ≈ 到 d A ／ 1 0的区 域 ， 只有前 向反射区。 3 远区 d ≤A ／ 1 0的区域， 近似 为平 滑金属 壁 ， 可采用波导理论分析。 根据矿井实际数据设置参数 D5 0 0 mm， d 一 1 2 0 0 mm， r 1 5 0 mm， b 一6 0 0 mm， 口 J 一7 ／ 4 。以井 下无线 通信 系 统 常用 的 9 0 0 MHz信 号[ 1 为 例 ， A ／ 1 0 3 3 ． 3 3 mm。分区计算结果见表 1 。 从 表 1可看 出， 1号支柱与 4号支柱之间为近 区， 5号支柱与 1 2号支柱之 间为过渡区 ， 1 2号支柱 以外为远区。距 S O ～4 m为近区 ， 4 ～1 4 m为过渡 区， 1 4 m外为远 区。过渡区的范围不仅与工作面尺 寸 、 S位 置、 支架 等 有关 ， 还 与信 号频 率 相关 。当 WS N 节 点 工 作 频 率 为 2 ．4 GHz时， A ／ I O一 1 2 ． 5 mm。近 区 范 围 不 变 ， 过 渡 区 延 长 至 距 S 2 3 m， 2 3 m外为远区。3 个 区域对 S信号传输的特 性不同 在近区， 支柱对 S的作用类似于室内漫反射； 在过渡区只有前向反射 ， 但反射角不 固定， 特性介于 近区和远区之间； 在远 区， 支柱对 s来说近似于波导 壁， 适合用隧道无线传输的帐篷定律_ 】 来描述。 2 ． 4 工作 面 2个通 信 空 间之 间的信 号耦 合规律 根据工作 面分 区理论可知 ， 近 区存在 2个通信 空间之间的射线直射或一次反射效应 ， 即 2个空 间 存在信号耦合 ； 在过渡区， 2个通信空间基本不存在 信号的直射或一次反射效应， 所以基本不存在 2个 区间的耦合通信； 在远区， 金属壁效应使 2个通信空 间相互隔离 。由此得 出工作面 2个通信空间的无线 信 号 耦 合 规 律 T C S C T wo C o mmu n i c a t i o n 表 1 分 区计 算结果 Ta b l e 1 Ea c h a r e a c a l c u l a t i o n r e s u l t ／ r a d 一岛 1 ／ r a d d r ． ／ mr ． 区域 1 0 ． 2 1 2 1 0 ． 9 9 7 5 7 0 5 ． 3 6 0 4 近 区 2 0 ． 0 8 4 6 0 ． 3 7 1 9 6 5 8 ． 9 4 5 7 近 区 3 0 ． 0 5 1 0 0 ． 0 8 1 6 2 4 0 ． 2 4 4 5 近 区 4 0 ． 0 3 6 3 0 ． 0 3 4 7 1 4 3 ． 4 3 7 4 近 区 5 0 ． 0 2 8 2 0 ． 0 1 9 2 1 0 1 ． 9 5 2 2 过渡区 6 0 ． 0 2 3 0 0 ． O 1 2 1 7 9 ． 0 2 2 6 过 渡区 7 0 ． 0 1 9 4 0 ． 0 0 8 4 6 4 ． 4 9 5 9 过渡区 8 0 ． 0 1 6 8 0 ． 0 0 6 1 5 4 ． 4 7 4 2 过渡 区 9 0 ． 0 1 4 8 0 ． 0 0 4 7 4 7 ． 1 4 5 2 过渡区 1 0 0 ． 0 1 3 3 0 ． 0 0 3 7 4 1 ． 5 5 3 0 过渡区 l 1 0 ． 0 1 2 0 0 ． 0 0 3 0 3 7 ． 1 4 6 0 过渡区 1 2 0 ． 0 1 0 9 0 ． 0 0 2 4 3 3 ． 5 8 3 7 过渡区 1 3 0 ． 0 1 0 1 0 ． 0 0 2 1 3 0 ． 6 4 4 6 远 区 1 4 0 ． 0 0 9 3 0 ． 0 0 1 7 2 8 ． 1 7 8 4 远 区 1 5 0 ． 0 0 8 7 0 ． 0 0 1 5 2 6 ． 0 7 9 4 远 区 1 6 0 ． 0 0 8 1 0 ． 0 0 1 3 2 4 ． 2 7 1 4 远 区 1 7 0 ． 0 0 7 6 0 ． 0 0 1 2 2 2 ． 6 9 7 8 远 区 1 8 0 ． 0 07 2 0 ． 0 0 1 0 2 1 ． 3 1 5 7 远 区 1 9 0 ． 0 0 6 8 9 ． 0 8 9 2 1 O _。。 2 0 ． 0 9 2 3 远 区 2 0 0 ． 0 0 6 4 8 ． 1 5 3 3 1 0 l 9 ． 0 0 1 6 远 区 S p a c e s o f C o a l f a c e 耦合规律。 T C S C耦合规律 煤矿工作面液压支架 2排支 柱将工作面空间分为 2个通信空间， 对于在任一通 信空间的无线信号源 S ， 只有在 S的近 区存在 2个 通信空间的信号耦合。近区大小仅与支架参数及信 号源 S的位置有关 ， 与信号频率无关 。 T C S C耦合规律可用 于指导工作面 WS N节点 布置 ① 仅在工作 面的 1个通信空 间布置 WS N节 点 ， 不易实现整个工作面可靠 的无线全覆盖。② 在 2个通信空间分别布置 WS N节点 ， 当 2 个通信空间 中相邻节点相距 2 个近区距离 以上时 ， 2 个 wS N是 相互独立的， 如单个节点的近区范围为 4 m， 当 2个 通信空间中节点相距 8 m以上时， 2个空间的 wS N 是相互 独立 的。此 时路 由简 单 ， 数据 吞吐量 大。 ③ 若 2个不 同通信空间的 2个相邻节点在近 区范 围内， 则这 2 个 WS N组成相互耦合的网络， 此时相 互之间有冗余通道 ， 但路 由相对复杂。 3基于 T C S C耦 合规 律 的工作 面 WS N 节点 部署 策 略及 仿真 分析 以 2 个通信空间相互独立的 WS N节点部署策 5 2 工矿 自动化 2 0 1 7 年 第 4 3卷 略为例来说 明 TC S C耦合 规律 的应用 。NS 2仿真 模 型 为 n o d e m ， z， f ，、 l 0 ． 5 RR 0 ≤ml O l z m 一 I f R 一 1 0 1 O ≤m≤ 1 9 6 1 ， l L b ／ 4 o ≤ m l O 1．y ‘ 一 j Lb 3 ／ 4 1 0 ≤ ≤ 1 9 式 中 m 为节 点 数 ； z， 为 节 点 位 置 ； R 为 节 点 最 大通信半径； L 为 WS N宽度 。 采用 NS 2仿真工作面 2 0 0 m2 m 长 宽 区 域内 WS N运行情况。该 区域为带状 ， 长度与宽度 比值较大 ， 需采用多跳路 由。结合最小传输能量 的 多跳 路 由算法 ] ， 比较基 于 TC S C耦 合规 律 的工 作 面 固定部署 、 工 作 面随机 部署 、 普 通巷道 固定部署 和 普通巷道随机部署 4种 网络的运行结果 ， 其 中普通 巷道是指巷道区域 内不存在液 压支架 ， 工作面是指 巷道 内有 液 压 支 架 。结 合 工 作 面 尺 寸 和 特 性 配 置 NS 2场景参数 ， 见表 2 。其余参数同文献[ 1 4 - 1 5 ] 。 表 2 N S 2场景参数 Ta bl e 2 NS2 s c e ne p a r a me t e r s 参 数 值 网络范 围 长 宽 ／ mm 节 点数 节点最大通 信半径／ m 液压 支架排距／ m 接 收信号阈值 探测载波阈值 S i n k节点位置／ m， m 发射功率／ w 模 型 仿 真 中对液 压支 架对 工作 面无 线通 信 的影响 进 行了简化， 即通过设置接收和感知阈值 ， 使位于 2个 通信空间中近区以外的节点不能直接通信。网络死 亡节点数随时间的变化如 图 3所示 ， 可看 出不同仿 真场景的死亡节点数有较 明显 的差别 ， 其 中普通巷 道 固定 部署 网络 的 生存 期 明显 优 于 其 他 部署 方 式 ， 这 是 因为在 一般 环 境场 景 中 ， 节点 路 由不 受 液 压 支 架 的 限 制 ， 从 而 能 选 择 能 耗 更 小 的 路 径 。基 于 T C S C耦合规律的工作面同定部署略好 于工作面随 机部 署 和普 通巷 道 随机部 署 ， 说 明在工作 面 环境 下 ， 基 于 TC S C 耦 合 规 律 的 固 定 部 署 策 略 对 于 延 长 W S N工 作 时 间有一 定效 果 。 25 2 藿 1 5 她 Ⅲ 5 U 400 8 00 l 20 0 I 6U U 2 O O0 时 间／ s 图 3网络死亡节 点数 F i g ． 3 Nu mb e r o f d e a d n e t wo r k n o d e s 所 有 节点 发送 共 2 0 0 0个 数 据包 且被 基 站 成 功接收的数据量如图 4所示 ， 可看 出 4组仿真有 效 发送 的数 据 量 随 时 间 而 增 加 。其 中基 于 TC S C 耦 合 规 律 的工作 面 固定部 署 网络 的有效 发送 数 据总 量 远大于其他部署方式 ， 这是 因为 2个通信空间的节 点分 别 处 于 彼 此 近 区 之外 ， 2个 通 信 空 间 的节 点 相 互独立 ， 只有 同一个空间的节点能相互通信 ， 减少 了 2个通信空间节点 间的干扰和丢包， 使数据传输更 有效 。分 2 个通信空间部署节点还 具有 以下优点 2 个通信空间特性不 同， 根据不同特征布置节点 ， 使 网络覆盖和连通性更好； 即使某个通信空间的节点因 能量耗尽或其他原因无法继续工作 ， 另一个通信空间 的节点仍能正常工作， 使网络具有较强的鲁棒性 。 2 00 0 墨 o o o 赧 0 40 0 8 00 J 2 00 1 60 0 时间／ s 图 4 网络有效 发送 数据量 F i g ． 4 Nu mb e r o f e f f e c t i v e n e t wo r k s e n d i n g d a t a 仿 真结 果表 明 ， 在 其他 条件 相 同 的情 况 下 ， 基于 TC S C耦合规律的固定部署网络仿真结果优于随机 部 署 网络 ， 网络 有效 数 据 发 送 量 比随 机部 署 网络 平 均 增加 了 5 0 ， 且 提 高 了 网 络 的 稳 定 性 。同 时 ， 固 定部署网络的覆盖率基本为 1 0 0 。工作面场景和 普通巷道场景的对 比结 果表 明， 单纯从通信协议 的 角度设计网络的适用范围有限， 因此在实际应用 中 需要结合具体的环境和通信特征来组网。 4 结 语 讨 论 了 WS N 在 煤 矿 工 作 面具 有 的 特 殊 性 ， 将 工作面划分成 2个通信空间 。采用射线跟踪法分析 O l g