煤矿无线多媒体传感器网络能量均衡路由方法.pdf

第 4 3卷 第 5期 2 0 1 7 年 5月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ．5 Ma y 2 O 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 5 0 0 3 1 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 ． 0 5 ． 0 0 8 王慧 ， 杨维 ， 刘俊波． 煤矿无线多媒体传感器网络能量均衡路 由方法E J 3 ． 工矿 自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 5 3 1 3 6 ． 煤矿无线多媒体传感器网络能量均衡路由方法 王 慧 ， 杨 维 ， 刘俊 波。 1 ． 北京交通大学 电子信息工程学院， 北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 ． 中煤科工集 团常州研究院有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对煤 矿 井下 多媒体 信 息采 集 需求及巷 道 带状 空 间与传 感 器 网络 中节点 能量 受 限的特 点 ， 构 建 了 煤矿 无 线 多媒 体传 感 器 网络 WMS N 系统模 型 ， 提 出 了一 种 由基 于位 置 与剩 余 能量 的 虚拟 网格 中层 次 分簇 P RE HC V G算 法及基 于能 量 与距 离的蚁 群 路 由 E D AC R 算 法 构 成 的煤 矿 W MS N 能量 均衡 路 由方 法 。 该方法中， P RE HC V G算法根据 网络中节点 的通信 半径对节， 占 、 进行虚拟 网格 划分来 实现 分簇 管理 ， 并结合 节点的剩余能量及所处位置信息选取簇头节点； E D AC R算法根据节点的剩余能量及 节点间距 离信 息， 从簇 头 节点及备 选 簇 头节 点 中选 出路 由节点 。仿真 结果 表 明 ， 与经典 L E ACH 算 法 相 比 ， 煤 矿 WMS N 能 量均 衡 路 由方法能够有效均衡 wMS N 中节点的能量消耗 ， 减少 wMs N 中能量耗尽 的节点数 ， 延长 wMs N 生命 周期 。 关键词 煤矿井下；无线多媒体传感器网络；分簇算法；路由算法；能量均衡 中图分 类号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 4 2 5 1 7 5 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 4 2 5 ． 1 7 5 2 ． 0 0 8 ． h t ml En e r gy b a l a nc i ng r o u t i n g me t ho d f o r c o a l mi n e wi r e l e s s mul t i me d i a s e ns o r ne t wo r k W ANG Hu i ， YANG W e i ， LI U J u n b o 1 ． S c h o o l o f El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，Be i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， Ch i n a ；2 ． CCTEG Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t A c c or d i ng t o m u l t i me d i a i n f o r m a t i o n c ol l e c t i o n r e qu i r e me nt s a n d c ha r a c t e r i s t i c s of c o nf i ne d ba nd s pa c e i n c o a l m i n e t u nn e l a nd l i m i t e d e ne r gy o f s e ns or n od e s ，a wi r e l e s s m u l t i me d i a s e ns or ne t wor k W M S Ns y s t e m mo d e l o f c o a l mi n e wa s b u i l t ，a n d a n e n e r g y b a l a n c i n g r o u t i n g me t h o d f o r c o a l mi n e W M SN wa s p r op os e d，whi c h i n c l ud e d a p o s i t i on a n d r e s i d ua l e ne r g y b a s e d h i e r a r c h y c l us t e r i n g i n v i r t u al g r i d s P REHC VGa l g o r i t h m a n d a n e n e r g y a n d d i s t a n c e b a s e d a n t c o l o n y r o u t i n g EDACRa l g o r i t h m． I n t he m e t ho d，PREHCVG a l g or i t h m d i v i d e s no de s i n t o di f f e r e nt v i r t ua l gr i d f o r c l u s t e r m a n a g e me nt ba s e d o n c o mm u ni c a t i o n r a d i us o f t he n od e s i n t he n e t wo r k，a nd s e l e c t s c l us t e r he a d no d e s a c c or di ng t o r e s i du a l e ne r g y a nd l oc a t i o n i nf or ma t i o n o f t h e no d e s．EDACR a l go r i t hm s e l e c t s r ou t i n g no d e s f r o m c l us t e r he a d n od e s a nd a l t e r na t i v e c l u s t e r he a d n od e s a c c o r d i ng t o r e s i du a l e n e r gy a nd d i s t a nc e i nf or ma t i o n o f t he n od e s ．The s i m u l a t i on r e s ul t s s h ow t h a t t he e n e r gy ba l a n c i n g r ou t i n g m e t h od f o r c oa l mi ne W M SN c a n e f f e c t i ve l y ba l a nc e e n e r g y c on s u m p t i o n o f W M SN no de s，r e d uc e t h e nu m be r o f e n e r gy e xh a us t e d no de s a nd p r o l o n g l i f e c y c l e o f W M S N c o mp a r e d t o t r a d i t i o n a l LEACH a l g o r i t h m． Ke y wo r ds c o a l mi ne u nd e r gr o un d；wi r e l e s s m u l t i m e di a s e ns o r ne t wo r k；c l us t e r i n g a l g o r i t hm ；r o ut i ng a l go r i t hm ；e n e r gy ba l a n c i n g 收稿 日期 2 0 1 7 0 1 2 1 ； 修 回 日期 2 0 1 7 0 3 2 0； 责任编辑 李 明。 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 O 1 6 YF C O 8 O 1 8 O 0 ； 国家 自然科学基 金资助项 目 5 1 4 7 4 0 1 5 ， 5 1 2 7 4 O 1 8 。 作者简介 王慧 1 9 9 2 一 ， 女 ， 山东高密人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为煤矿通信 ， E ma i l 1 4 1 2 0 1 2 7 b j t u ． e d u ． c n 。 3 2 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 0 引言 传统 的 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 在井下环境监控和人员定位等方 面得到了广泛研究与应用[ 1 _ 3 j 。相 比于传统 WS N， 无 线 多 媒 体 传 感 器 网 络 Wi r e l e s s Mu l t i me d i a S e n s o r Ne t wo r k ，WMS N 能 感 知 信 息量 更 丰 富 的 视频 、 音频 、 图像等 多媒 体信 息l 4 ] ， 从而 实现 更 加细 粒度 且精 准 的环境 信 息 监 控 ， 是 实 现 煤 矿 环境 多媒 体信息监测、 保 障煤矿生产安全的有效方式_ 7 _ 8 ] 。 煤 矿 WMS N 传 感 器 节 点 由 自带 电 池 供 电 ， 能 量 十 分 有 限 ， 并 且 WMS N 通 信 方 式 以数 据 为 中 心 ] ， 在 感 知 数 据 的 同时 还要 为邻 居 节 点 承担 路 由 功 能 ， 这将 消耗 大量 能量 。 因此 ， 如 何设 计有 效 的路 由方法 ， 节 约各 节点有 限的 电池能 量 ， 并 且尽 可 能地 延 长 整 个 网络 的 生命 周 期 ， 成 为 煤 矿 WMS N 发 展 待 解决 的关 键 问题 。煤矿 井 下巷道 狭 长 的受 限空 间 特性 使 WMS N 节 点 呈 带 状 分 布 ， 且 巷 道 壁 对 电磁 波 的散 射 、 衍射 等 导致 的多 径 效 应 造 成频 率选 择 性 衰落 ， 使得 单跳 链路 传输 无法 适应 这样 复杂 的环境 。 分簇 多跳 网络 比平 面 网络结 构更 适应 井下 网络 传输 需求 。 在 分簇 多 跳 网 络 中 ， 若 簇 头 节 点存 在 位 于 边缘 区域 、 分 布不 均匀 或距 离簇 内节 点较 远等 问题 ， 将无 法完 全覆 盖 煤 矿 井 下 长 直 巷 道 区 域 ， 不 利 于 通 信 。 另外 ， 簇 头节 点在 整个 传输 过程 中消 耗大 量能 量 ， 若 选取 不合 理 ， 部分 节点 将 出现过 早“ 死亡 ” 的现 象 ， 导 致在多跳传输过程中出现网络拓扑断裂 ， 即“ 能量空 洞” 问题 。文 献 [ 1 1 ] 提 出了基 于 L E AC H 的改 进 WS N 路 由协议 ， 利 用 粒 子 群 算 法 良好 的 收敛 性 和 全局 优 化能 力 ， 将 整 个 网络 区 域合 理 分 割 成 多 个 子 区域 ， 并 改进 了簇 头选 取 方 法 ， 降低 了 网络 能 耗 ， 但 该 路 由协议 不适 用 于节点 呈带 状分 布 的煤矿 井下 狭 长 巷道 内 ， 并 且 没 有 考 虑 节 点 间有 效 的 通 信 距 离 。 文献[ 1 2 ] 对煤矿井下传感器节点的有效传输距离加 以考虑 ， 提 出 了基 于 虚拟 网格 的多跳 路 由协议 ， 适 用 于煤矿 井下 狭长 的 矩 形 巷道 空 间 ， 并 且 避 免 了每 一 轮簇重组过程中节点的能量 消耗 ， 但在数据传输过 程 中没 有对 节点 的 “ 能量 空洞 ” 问题 进行 有效 改进 。 针 对煤 矿 WMS N 的 复 杂 性 、 多 点 性 及 煤 矿 井 下狭长结构造成 的多跳传输过程中节点能耗不均衡 问题 ， 提 出 了一 种煤 矿 wMS N 能 量 均衡 路 由方 法 。 该 方法 由基于 位置 与剩余 能 量 的虚拟 网格 中层 次分 簇 P o s i t i o n a n d Re s i d u a l E n e r g y b a s e d Hi e r a r c h y C l u s t e r i n g i n Vi r t u a l Gr i d s ， P R EHC VG算 法 及基 于 能 量 与 距 离 的 蚁 群 路 由 E n e r g y a n d D i s t a n c e b a s e d An t C o l o n y R o u t i n g ， E D AC R 算 法 2个部 分 组成 。实验验证 了该方 法 能够 有效 均衡 煤 矿 巷道 带 状 区域 中的节点能量 消耗 。 1 煤 矿 WMS N 系统模 型 煤矿 W MS N 系 统 模 型 主要 由地 面监 控 中心 、 监控总线及井下 WMS N 3层体系结构组成 ， 如 图 1 所示 。多媒体传感器节点将各种监测信息传送至簇 头节点 ， 簇头节点将数据按照多跳方式传输 至 S i n k 节 点 ， S i n k节 点将 监 控 信 息传 送 至 地 面 监 控 中心 ， 从 而实 现对 煤矿 井下 环境 的全 面监 测 。 、 ]I 簸 控 中 心 n k 节 点 一 族 尢 线 传 ／ ／ i s i c ，．毋 参 一 一 I ， 。 I f I 1 所 考 虑 虚 拟 刚格 图 1 煤矿 WMS N系统模型 假 设 图 1中井 下 巷 道 宽 为 a ， 高 为 b ， 长 为 L。 煤矿 WMS N 区域 由 1个 S i n k节 点 、 多 个 簇 头 节 点 和多个普通多媒体传感器节点构成 ， S i n k节点位于 WMS N区域中靠近地面监控 中心的位置， 多媒体传 感 器节 点和簇 头 节 点 随机 散 布 在 整 个 矿 井 巷道 内 。 以 S i n k节 点 为原 点 建 立 坐 标 系口 ， 巷 道 宽 度 方 向 为 z轴 ， 巷 道高 度方 向为 轴 ， 巷 道长 度方 向为 2轴 。 2煤矿 WMS N P R E H C V G算 法 为 了解 决 煤矿 WMS N 中节 点 通信 时数 据 丢 失 或通信路由受限等问题 ， 为节点选取有效 的通信半 径 。 以G AF 分 簇 算 法[ 1 4 1 5 为 基 础 ，提 出 P R EHC VG算 法 。 2 ． 1 煤矿 W MS N 虚拟 网格 划 分 假设 煤矿 WMS N 中节点 的有 效通信 半径 为 R， 根据节点通信半径和位置信息 ， 整个传感器 网络 被划分 为 多个 长度 为 S 的虚拟 网格 。为确 保 相邻 虚 拟 网格 中的所 有节 点 之 间 能 够 相互 访 问 ， 需 满 足 关 系式 a 。 2 s 。 b ≤ R 1 s ≤ x ／ R 2 -- a 2 -- 一 b 2 2 矩形巷道可以划分为E L s ] 口表示向上取整 ， 2 0 1 7年第 5期 王慧等 煤矿无线多媒体传感器网络能量均衡路 由方法 ．3 3． 如[ 3 ． 5 ] 一4 个虚拟网格。 2 ． 2簇 头 选 取 过 程 以虚拟网格为单位选取簇头节点 。L E AC H 算 法选取簇头的随机性导致簇头存在位于边缘区域或 过于密集等问题。P R E HC VG算法 中簇头节点 的 选取过程要评估虚拟网格内每个节点的能量情况及 本节点与其余节点间距离信息。假设图 1中所考虑 虚 拟 网格 内所 有节 点为 S ， S ， ⋯ ， S 为 节 点数 ， 这些节点均可感知其余节点的能量、 位置信息 ， 并能 够计算 自身与其余节点间的距离。引人权值参数 f 口 I ／ - - a b 。 ， 一 式中 为节点剩余能量 因子 ； E 为节点 S 当前剩 余能量 ， i 1 ， 2 ， ⋯， ； E为 同一虚拟网格 内节点的 平均剩余能量 ； 为节点距离因子 ， 一般情况下 一1 ； 为节点 S 与同一虚拟网格 内其余节点间的 平均 距离 。 从式 3 可 看 出 ， 权 值 ． 由 2个 部 分组 成 第 1 部分 考虑 了平 均 能量 因素 ， 使 能 量 消 耗 低 的 节 点成 为簇 头节 点 的概率 增 大 ； 第 2部 分 表 示 网络 的均 衡 度 ， 使与所有其余节点 间距离小 的节点成为簇头节 点的概率增大 。因此 ， 传统 L E AC H 算法中的阈值 公 式 _ 1 可修 改为 T ， 一 1 p g m o d 1 ／ p ∈ G 4 T 一 一 4 l 0 其他 式 中 P为簇 头节 点 占所有 节 点 的 比例 ； g为 已经 完 成的选取簇头节点的轮数 ； G为多轮选取簇头节点 后 仍未 被选 为簇 头节 点 的节点 集合 。 在 选取 簇 头 节 点 时 ， 节 点 S ， S ， ⋯ ， S 各 自产 生 1个 [ 0 ， 1 ] 间的 随机数 P ， P ， ⋯ ， P ， 并 根 据 式 4 计算阈值 T 。将 P 比各 自T 小的节点作为 该 虚拟 网格 内备 选簇 头节 点 ， 记 为 C ， C ， ⋯ ， C 为备选簇头节点数 。节点 c ， c ， ⋯， c 在该虚拟 网格内宣布 自己成为备选簇头节点 ， 之后 以广播的 方 式 向该 虚 拟 网格 内节 点 发送 自己 的能 量 信 息 、 I D 标志和位置信息 。各备选簇头节点将 自身的能量信 息与接收到的其他备选簇头节点的能量信息进行 比 较 ， 若 自身能量小于其他备选簇头节点的能量 ， 则 自 身依 然作 为备 选 簇 头 节 点 。经 过 一 轮 比较后 ， 最 终 确定剩余能量最多的一个备选簇头节点为该虚拟网 格内本轮 的簇 头节点 ， 记为 C 。C 将确定 的簇 头身份、 位置信息 、 能量信息广播至虚拟网格内其他 节点 。其余 P 比各 自丁 小的节点作为下一轮的备 选簇头节点 ， 记为 c ， C ， ⋯， C 一 ， 并按照剩余能量 大小编制备选 I D， 作为簇头节点能量消耗至 自身能 量 7 0 ％时的备用选项 。P 比各 自T 大的节点作为 该虚拟 网格 内普通 多 媒体 传 感器 节 点 ， 记 为 s ， S z ， ⋯， s ⋯ ， 与簇头节点进行数据传输 。 P RE HC VG算法簇头选取流程如图 2所示 。 图 2簇 头 选 取 流 程 各普通多媒体传感器节点 S ， S ， ⋯ ， S ⋯ 收到 簇头节点 c 广播后， 将 自身信息返 回至簇头节点。 待簇头节点收集所有传感器节点信息后 ， 建立簇 内 传 感 器 节 点 通 信 的 时 分 多 址 Ti me D i v i s i o n Mu l t i p l e Ac c e s s ， TD MA 列表 ， 并将该表信息广播 至普通多媒体传感器节点 S ， S 。 ， ⋯， S ⋯ 。TDMA 列表 建立 流程 如 图 3 所 示 。 2 ． 3簇 内数 据传 输 图 1中所考虑虚拟 网格 内的普通多媒体传感器 节点 S ， S ， ⋯ ， S ⋯ 以 TD MA 列 表 时隙 为标 准 ， 未 到本节点时隙时处于休眠状态 ， 到达本节点时隙就 将 自身收集 的数据传输至簇头节点 c 。簇头节点 收集信息后 ， 对其进行融合并发送至各备选簇 头节 点 C ， C ， ⋯， C 一 。各虚拟网格内的数据传输均按 照上述 方式 进 行 。 3煤 矿 WMS N E D A C R 算法 采 用 煤 矿 W MS N E D AC R 算 法 在各 簇 头 节 点 与备选 簇 头节 点 间选 出路 由节 点 ， 数 据 通 过路 由节 点 以 多跳 方 式 发 送 至 S i n k节 点 。E DAC R算 法 主 要 由以下 5个部 分组 成 。 1 搜索范围。WMS N 中节点众多 ， 为避免传 感 器节 点在 计算 、 路 由存储 等 过程 中消 耗大 量能 量 ， 以相邻虚拟网格 内簇头节点及 备选簇头节 点作为 E D AC R算 法 中当前 路 由节 点 的下 一 跳 路 由节 点 搜 索 范 围 。 如 图 1 所 示 ， 所 考 虑 虚 拟 网 格 内 节 点 C ， 3 4 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 簇头节点向虚拟网格内除 备选簇头节 点外 的所有 节点广播 A D V数据包 簇头节点等待虚拟网格 内 除备选簇头节点外的所有 节点返回数据包 建立 T D MA列表， 通 知 虚拟网格内除备选簇头 节点外的所有节点 等待、接收来自虚拟网格 内簇头节点的数据包 发送 RE Q数据包至 簇 头节点 等待、接收来自虚拟网格 内簇头节点的T D MA列表 结束 图 3 TDMA 列 表 建 立 流 程 C ， ⋯ ， C 一 及 C 为上 一个 虚拟 网格 内 已选路 由节 点 C 的搜 索 范 围。 2 判 定 能 量 表 。各 路 由节 点 开 始 选 择 路 径 前 ， 记录搜索范 围内所有节点的剩余能量 ， 建立各 自 的判 定能 量表 。该 表反 映 了路 由节点 对某 一路 径进 行选 择后 ， 对搜 索 范 围内其余 节 点路 径选 择 的影 响 ， 并对 判定 能量 表 中信 息进 行 实 时 更 新 。 图 l中 ， 所 考虑 虚拟 网格 的上 一个 虚 拟 网格 内所 选取 的路 由节 点 C 确 定 下 一 目的 地 前 ， 记 录 所 考 虑 虚 拟 网格 内 m 个 簇 头 节 点 与 备 选 簇 头 节 点 的 剩 余 能 量 ， 记 为 E ， E ， ⋯ ， E 。节 点 C 每转 移 1次 ， 判 定 能 量 表 中 E ， ， ⋯ ， E 的值 都 会 更 新 1次 。判 定 能量 表 中 节点 发送 、 接 收及 融 合 数 据 的 能量 采 用 第 一 顺 序无 线 电能量 模 型进 行计算 。 3 转 移概 率公 式 。在转 移 过程 中考 虑下 一 跳 节点剩余能量 因素 ， 避免总体能量较高时某些节点 过快“ 死亡” ， 即尽量降低低能量节点与远距离节点 通信及 融合数据 的概率 ， 使低 能量节 点趋 向于选 择节 约 自身能耗 的路径 ， 高 能量 节点 消 耗 较高 能 量 ， 从 而 实现 网络整体最 优 。煤矿 WMS N节 点转移概 率为 cj t ， c j t Ec j 砖 ￡ ■一 5 诈 - 一 ． f ℃ f Ec， l 1 。 式 中 r C C ￡ 为 t 时 刻 上一 虚拟 网格 内路 由节 点 C 与所考虑虚拟网格内备选簇头节点 c ， 一1 ， 2 ， ⋯ ， m 之间路径上的剩余信息素； a为剩余信息素系数 ； r ／ c ,c t 为 t 时刻节 点 C 与 节 点 C ， 的启 发 因子 ； ．8 为 启发因子系数 ； E 为节点 c ， 当前剩余能量。 一 6 式 中 ， 为距 离 因子 ； d ℃ ， d c k 分 别 为 节 点 C 与节点 c ， 、 节点 C 与 S i n k节点间的通信距离 。 E DAC R算法与传统 的蚁群算 法相 比， 不仅 考 虑 了下一 跳节 点 的剩 余 能 量 ， 还 考 虑 了 当前 节 点 到 下一 跳节 点 、 下一 跳 节 点 到 S i n k节 点 的距 离 ， 并 且 用距 离 因子 ， 。 来约束 节 点 C 与节 点 C ， 、 节 点 C 与 S i n k节 点 间的通 信距 离 。适 当设 置 ， 能 够进 一 步对全 局路 径进 行优 化 。 4 信 息素 更新 。为避免 剩余 信 息 素 的累 积造 成 路径 选择错 误 ， 每 完 成 一 次 或全 部 下 一 跳 路 由节 点 的选 取后 ， 要 更新 每条 路 径 上 的剩余 信 息素 。 1 时刻 C ， C ， 路径上 的剩余 信息素 t 1 可 按 式 7 一 式 9 处 理 。 r c ， c t 1一 1一 p r ， c f Ar c ，c f 7 叫 Arc - ，， ， 一 ／X r ￡ 8 基 于 P R EHC VG 算 法 和 E D AC R算 法 的 煤 矿 WMS N数据传输流程如图 4所示 。 5仿 真 实验 为验 证 P R EHC VG 算 法 及 E D AC R 算 法 在 煤 矿井下 巷 道狭 长空 间 的有 效 性 ， 采 用 Ma t l a b对 其进 行仿真。图 1中， 设 L一1 5 0 m， a 一3 m， b 一3 m， 巷 道 内随机 布置 1 0 0个传感 器 节点 ， 以 S i n k节 点 为原 点建 立坐 标 系 。具 体仿 真参 数见 表 1 。 煤 矿 wMS N 采 用 P RE HC VG算 法 与 经 典 叁 2 0 1 7年第 5 期 王慧等 煤矿无线多媒体传感器网络能量均衡路 由方法 ．3 5． 划分虚拟网格 选取簇头／ 备选簇头节点 建立簇 内 T D MA列表 簇内数据传输 E D A C R算法选取 路 由节点及多跳路径 簇间数据传输 结束 图 4 煤 矿 WMS N数据传输 流程 表 1 煤矿 WMS N仿真参数 L E AC H 算法 进行 节 点分 簇 时， 网络 生命 周 期 如 图 5所示 。可看出随着轮数增加， 网络中存 活的节 点逐渐减少。采用 L E AC H 算法时 ， 当轮数达到约 7 7 0时 ， 煤矿 WMS N存活 的节点数开始减少 ； 而采 用 P R E HC VG 算 法 时 ， 存 活 节 点 在 轮 数 达 到 约 1 7 8 0时才开始减少 ， 可见 P RE HC V G算法 降低 了 网络 中存 活节 点减 少 的轮数 。 辐 _ } g 壮 图 5 采用不 同分簇算法 时煤 矿 WMS N 生命 周期 煤 矿 WMS N 采 用 P RE HC V G 算 法 与 经 典 L E AC H 算 法进 行 节点 分簇 时 ， 全 网剩 余 能量 如 图 6所示。可 看 出采用 P R EHC VG算 法时 ， 煤 矿 WMS N全网剩余能量 曲线较采 用 L E AC H 算法 时 斜 率低 ， 即采用 P R E HC VG算 法 时全 网能量 消耗 更 加平 均 ， 算法 作用 时 间更持 久 。对 照 图 5可 知 ， 采 用 L E AC H 算 法 时 ， 在 约 1 2 0 0轮后 W MS N 全 网节 点 能量 耗尽 ， 而 采用 P R EHC VG算 法 时 在 1 8 7 0轮 左 右全 网节 点能 量耗 尽 。 图 6 采用不 同分簇算 法时煤矿 WMS N全网剩余能量 在煤矿 WMS N 中采用 P RE Hc VG算法能够 有 效均 衡 网络 中节 点 能量 ， 延 长 网络 生 命 周 期 。这 是 因为 P R EHC VG算法采用划分虚拟网格思想 ， 减 少 了簇 内普通传感器节点加入簇 时能量 的消耗 ， 且 在 选取 簇 头时考 虑 了节点 剩余 能量 与 节点 间距 离信 息 ， 使 能量 较大 的节 点成 为簇 头 的概率 增大 ， 优化 了 全 网能 量 消耗 。 设 置煤 矿 wMS N 中节 点 个 数 以 3 O为 步 长 增 至 3 0 0 ， 每 种 情 况 重 复 5 0次 实 验 。分 别 采 用 经 典 L E AC H算法 、 文献[ 1 2 ] 提出的矿井巷道层次性路 由协 议 MR P B VG 算 法及 本 文所 提 E D AC R 算 法对煤 矿 WMS N数据进行传输 ， 测试网络 中出现 节 点“ 死 亡” 的平 均 轮 数 ， 结 果 如 图 7所示 。可 看 出 在节 点 数相 同 的情 况 下 ， 采 用 E D AC R 算 法 时 煤 矿 WMS N 中节点 存 活 的轮 数 最 多 。从 图 7 c 可 以看 出 ， E D AC R算法 减少 了网络 中“ 死 亡” 节 点 数 目， 当 节 点个 数 为 2 4 0时 ，E D AC R 算 法 相 较 于 L E ACH 算法 延 长 网络生 命周 期约 9 0 0轮 ， 相较 于 MR P B VG 算法延长网络生命周期约 4 0 0轮。 煤 矿 WMS N 采 用 E D AC R 算 法 可 有 效 减 少 “ 死 亡 ” 节 点 数 ， 延 长 网 络 生 命 周 期 。这 是 因 为 E D AC R算法在选取下一跳路 由时， 添加 了对 下一 跳路 由节点 能量及 其 与 S i n k节 点 间距 离 的考 量 ， 同 时 引入备 选节 点 ， 均衡 了 网络 中能量 消耗 ， 避 免 了网 络拓 扑 断裂 ， 即“ 能量空 洞 ” 问题 的发 生 。 6 结语 煤矿 WMS N能量均衡路 由方法在普通节点成 3 6 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 节点个数 a 第一个节点“ 死亡” 节点个数 b 半数节点“ 死 亡” 节 点个 数 c 全部节点“ 死亡 ” 图 7 采用不 同路 由算 法时煤矿 wMs N 出现 节点“ 死亡 ” 的平均轮数 簇 管 理过程 中采用 P R E HC VG算 法 ， 在 簇 头节 点与 S i n k节 点通 信路 径选 取 过 程 中采 用 E DAC R算 法 ， 有 效 均衡 了 网络节 点 的能 量 ， 减 少 网 络 中 能量 耗 尽 的节点数 ， 延长 网络生命周期 ， 适用于煤矿狭长区域 内密集部署 的节点数据传输 。 参考文献 [1 ] [2 ] [ 3] [4 ] [5 ] [ 6] [ 7] [8] [9] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] 胡青松 ， 吴 立新 ， 张 申， 等． 煤 矿工 作 面定 位 WS N 的 部署与 能 耗 分 析 [ J ] 中国 矿 业 大 学 学 报 ， 2 0 1 4 , 4 3 [ 1 5 ] 2 3 51 - 35 5． 张然 ， 李 菲菲 ， 张 申， 等． 一 种矿 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