1、基于CNGI和WSN的礦山井下通訊定位與應急聯動系統 中國科學技術大學信息學院2008.11目 錄1、立項背景與意義2、項目主要內容3、技術創新點4、關鍵技術5、技術難點6、項目可行性分析7、現有的工作基礎8、工作面通訊跟蹤原型系統1 立項背景與意義v 本項目對井下的生產狀況進行密集的實時的監控，最大限度的控制礦山災害的發生，把井下監控行業標準提升到了一個新的級別v 在災害發生后，通過應急聯動平臺和井下通訊定位平臺來支持搶險救災工作，填補了礦山應急行業的一項空白v 項目完成后將為解決我國煤礦行業的防災、應急兩大難題，全面提高煤礦抗御災害、應急救災的科技水平和綜合能力提供有效手段，經濟效益和社會

2、效益無法估量 。v 系統投資較小、有推廣價值和示范作用?？赏茝V到其他地區和類型的礦山，進一步可推廣到森林火災監測、公共安全，甚至包括國防軍事等多方面 2.1 項目主要內容系統目標n 礦山井下定位平臺礦山井下定位平臺 v 利用利用WSNWSN技術實現對礦井深處的險源和礦工實時監控和定位技術實現對礦井深處的險源和礦工實時監控和定位當災難即將來臨時，通過WSNWSN及時通知附近的礦工采取相應的措施，以降低人員的傷亡；v 當事故發生后可以通過礦工隨身攜帶的無線傳感器節點（安裝在當事故發生后可以通過礦工隨身攜帶的無線傳感器節點（安裝在礦燈上）對被困礦工進行定位和無線通信聯絡，提高搶險救災的礦燈上）對被困

3、礦工進行定位和無線通信聯絡，提高搶險救災的能力。能力。 n 礦山災害應急聯動平臺礦山災害應急聯動平臺 以以CNGICNGI示范網絡作為承載，實現對煤炭安全生產的實示范網絡作為承載，實現對煤炭安全生產的實時遠程監控，以及實現礦山災害的各應急聯動單位、部門時遠程監控，以及實現礦山災害的各應急聯動單位、部門間異構系統的應用集成與流程整合間異構系統的應用集成與流程整合 2.2 項目主要內容系統結構v 通過在井下的WSN節點采集井下的實時信息，并通過多種的手段上傳到應急指揮中心，對突發事件響應的決策過程提供可靠的依據v 對突發事件做出迅速的響應，并事件進行分析，可迅速初步確定應急預案，實現多個公共部門的

4、應急系統的聯動和信息共享 2.3 項目主要內容井下定位平臺n 按功能劃分為5個子系統n 整合現行已有的安全監測 系統，實現井下可靠的無 線網絡覆蓋和實時定位n 硬件部分針對礦山行業生 產的特點，設計和開發三 種基于WSN的新設備n 軟件部分采用由用戶層服務器層 無線傳感器網絡層（多跳路由）無線傳感器移動節點層四層管理結構，分為三大模塊 通訊定位平臺井下礦工定位和救助子系統井下語音通訊子系統井下生產調度子系統與外部的接口子系統井下險源定位子系統2.3 項目主要內容井下定位平臺n 硬件支撐部分v在承擔的CNGI 2005成果的基礎上進一步優化無線傳感器節點，及其網絡結構、通信方式、安全機制、管理維

5、護等技術v設計開發三種新設備：移動定位節點能周期性地發送移動節點編碼信息數據路由器能接受并及時上傳移動定位節點的編碼和信號強弱等信息光纖界面網關安裝在遠離工作面的交通巷道中的，接受數據路由器的上傳信息，并及時通過光纖通道上傳到地面數據處理中心v通過升級芯片來提高系統的性能，擴大地址范圍；v設計開發更加有效的MAC協議和路由協議來提高系統效率和降低系統功耗 2.3 項目主要內容井下定位平臺n 軟件部分v 用戶端：提供GIS圖形操作功能；能動態實時地查看井下的生產狀況和工人數量位置等，能發布生產調度及預警信息v 服務器端：數據管理；監控WSN的數據流和運行情況，實現WSN的網絡管理功能；實時存儲、

6、查詢并管理井下礦工隨身攜帶的節點的工作狀態和空間位置記錄v 無線傳感器網絡端：提供實時可靠的節點數據采集功能、快速定位和路由功能；支持節點的隨機接入和撤消；提供完善的WSN節點反向控制功能2.4 項目主要內容應急聯動平臺n 一方面作為礦山突發事件信息的“匯集點”，在突發事件中快速有效地整合、分析、提取危險源和事件現場的信息；n 另一方面作為應對突發事件的“智能庫”，提供不同條件下突發事件的科學動態預測與危險性分析，判斷預警級別并快速發布預警；n 進而作為整個應急指揮決策的“控制臺”，逐步落實應急預案，調整決策和救援措施等，實現科學決策和高效處置。n 五級聯動業務機構：v 一級決策指揮中心是上級

7、主管部門v 二級應急事件聯動中心設在礦業集團v 三級為各聯動單位的調度中心v 四級為聯動單位的分支機構v 五級為處置力量現場分組2.4 項目主要內容應急聯動平臺n 硬件支撐部分v 網絡系統：網絡系統：基于基于CNGI建立，支持建立，支持IPv6并兼容并兼容IPv4的接入，實現異的接入，實現異構系統間的資源管理，資源狀態的訂閱與觸發，以及業務流程的構系統間的資源管理，資源狀態的訂閱與觸發，以及業務流程的狀態驅動；并利用狀態驅動；并利用IPv6自身高安全性來實現系統的安全與保密。自身高安全性來實現系統的安全與保密。v 有有/無線通訊網絡：無線通訊網絡：系統全部信息的輸出系統全部信息的輸出/輸入載體

8、輸入載體 ，包括程控用，包括程控用戶交換機、應急系統控制臺及數字錄音系統、戶交換機、應急系統控制臺及數字錄音系統、WSN網絡、原有無網絡、原有無線集群通信網和有線通信網絡。線集群通信網和有線通信網絡。v 監視系統：監視系統：將采集的各種音頻、文本、圖形信息顯示在大屏幕、將采集的各種音頻、文本、圖形信息顯示在大屏幕、大尺寸視頻監視器和首長多媒體終端等顯示設備上，內容可通過大尺寸視頻監視器和首長多媒體終端等顯示設備上，內容可通過CNGI遠程顯示。遠程顯示。v GPS系統：系統：用于及時、準確地掌握地面救援設備、物資和控制目用于及時、準確地掌握地面救援設備、物資和控制目標等的實時情況和準確位置。標等

9、的實時情況和準確位置。2.4 項目主要內容應急聯動平臺n 軟件部分軟件部分v 應急指揮調度系統：應急指揮調度系統：事故處理過程中，事故處理過程中，完成事故發生單位、各級指揮中心、完成事故發生單位、各級指揮中心、移動指揮中心及現場的業務工作，是移動指揮中心及現場的業務工作，是一個覆蓋指揮業務全過程的系統。一個覆蓋指揮業務全過程的系統。v 領導輔助決策系統：領導輔助決策系統：包括統計分析模包括統計分析模塊、事故分析模塊和現場圖形模塊等。塊、事故分析模塊和現場圖形模塊等。完成數據匯總統計，并快速地估算事完成數據匯總統計，并快速地估算事件、災情、爆炸等事件影響，并利用件、災情、爆炸等事件影響，并利用多

10、樣化手段直觀地反映各種情況，方多樣化手段直觀地反映各種情況，方便調度指揮。便調度指揮。v 應急信息發布系統：應急信息發布系統：提供統一訪問界提供統一訪問界面，可對內對外服務。以功能劃分模面，可對內對外服務。以功能劃分模塊，整個系統是由功能模塊有機結合塊，整個系統是由功能模塊有機結合而成的，而登錄用戶按所屬部門、職而成的，而登錄用戶按所屬部門、職位享有相應的功能模塊操作權限。位享有相應的功能模塊操作權限。 3 技術創新點n三大技術融合，實現真正意義的聯動：將WSN技術、下一代互聯網技術和應急聯動平臺體系融為一體、實現井下險源和礦工定位平臺和井上監控平臺，以及不同部門之間的互聯互通、資源共享和協同

11、工作n基于WSN的語音通訊：利用wsn網絡協議支持的250kb/s的帶寬，解決語音壓縮、可靠傳輸、語音調度、語音解壓一系列問題n大規模網絡的組網技術：解決大規模網絡節點所帶來的時延大、信號沖突和相互干擾等問題，實現超大規模無線傳感網絡的組網技術，實現WSN上的對網絡狀態的自動監測和管理n低功耗設計：提出具有自有知識產權的MAC協議，通過直接控制射頻通信模塊來增加射頻模塊休眠時間和沖突避免，通過在網絡層或者數據鏈路層增加數據融合能力來減少數據流量，開發自適應數據流能力和節點同步機制，來降低節點功耗。4 關鍵技術v 異構網絡平臺的無縫連接機制v 基于CNGI的應急聯動平臺的安全機制v 基于CNGI

12、的應急聯動平臺的移動應急機制v 傳感網絡的移動節點定位技術v 大規模移動網絡管理機制v 無線傳感器網絡實時路由機制v 能量有效的數據收集協議v 無線傳感網絡自組織機制v 無線傳感網絡的低功耗Mac協議機制v 無線傳感網絡安全機制v 無線傳感網絡有效的節能機制v 傳感網絡混合消息調度v 能量有效的可靠信息傳輸機制v 無線傳感網絡能量有效的容錯機制5 技術難點n異構網絡平臺之間的協議融合機制：能否在WSN、CNGI和應急平臺三者之間實現無縫連接，是系統能否成功開發的關鍵。n應急聯動平臺的移動應急機制：如何保證移動接入和計算的穩定性、安全性以及移動設備的權限管理等等，都是很難解決的問題。n能量有效的

13、傳感網絡定位技術：如何根據實際的需求，設計既能滿足能量要求，又能滿足精度要求的定位算法將是擬解決的難點。n大規模WSN網絡的實用性問題：解決大規模WSN中的多信道分配、信號之間的相互干擾與沖突、丟包，以及時延等都是難度較大的問題。n基于ZigBee的無線傳感網絡MAC協議：如何通過對ZigBee協議族的優化，尤其是對Mac層協議的優化來進行數據融合，來減少多節點協作所產生的延遲與能量消耗。 5 技術難點n基于ZigBee的無線傳感網絡自組織技術：如何實現系統的節點自診斷功能、網絡自診斷功能和系統對環境變化的簡單自適應功能均是擬解決的技術難點。n基于ZigBee的無線傳感網絡可靠性管理：擬通過多

14、路徑傳輸來實現保證數據傳輸的可靠性的這一難題，同時,利用拓撲管理實現整個系統的連通性與可靠性。n正確的移動節點統計技術：實際應用通常需要統計一個固定區域內的礦工數，由于節點位置的不確定性，將導致統計難以正確。因此我們擬設計概率的節點統計技術來計算區域內的礦工數。 n精確的移動節點位置預測機制：根據建立不同的預測模型和不同的智能搜索機制（如神經網絡，遺傳算法等）來預測每個移動節點下一時刻的節點位置信息，從而提高移動節點定位的效率，降低系統功耗。 6 項目可行性分析n 煤礦生產中還沒有實際意義的井下定位監控平臺和應急聯動平臺，開發新型的、有效的井下定位監控平臺和應急聯動平臺對我國礦山生產行業來說，

15、是迫在眉睫 n 無線傳感器網絡以其成本低、自組織、功耗小、可快速部署、可擴展性強，在惡劣和特殊的環境下具有通信能力等優點，完全能夠適應井下各種復雜的環境情況下的定位和通訊需求n WSN、下一代互聯網以及應急聯動技術三者結合，完成能夠實現井下實時通訊、實時定位和應急聯動n 中國科大已有成熟的無線傳感網節點及其網絡應用的技術作為基本的技術保障，研究團隊正在進行“基于IPv6無線傳感器網絡環境監測系統”（國家發改委CNGI2005專項）和“多網融合”（華為項目）的研究與開發，為本項目的研究創造了良好的研究基礎 n 目前，國家對安全設施投入非常重視，這為開展該項研究提供了有利的大環境 7 現有的工作基

16、礎n 網絡和WSN方面v安徽省防災減災智能信息與決策支持系統，863重點項目，獲2001年國家科技進步二等獎；v淮河流域防洪防污智能調度系統，863重點項目，2001.1通過省部級鑒定；vIPv6示范網絡系統，國家863項目，2000年12月通過了國家863項目組的驗收；v移動IPv6的關鍵技術，國家863項目，在研；v曙光3000客戶端集成環境的研究與開發，863重點項目，2001.1通過省部級鑒定；v合肥格點遠程用戶計算環境和工具，863重點項目，2002年通過863專家組驗收；v網格節點-合肥網格節點的建設及若干典型網格應用（2002A104560），863重大專項，2005年底通過863專家組驗收；v中國語義網格的研究-網絡智能搜索技術（包括無線網絡），（2003CB317000），在研的國家973子項目；v基于IPv6無線傳感網絡的環境監測系統，CNGI-04-10-2A，在研的國家發改委下一代互聯網示范工程2005專項。 8工作面通訊跟蹤原型系統測試區域平面圖8.1 關鍵技術n 定位算法技術v 點過濾、面過濾區域判別技術v 基于鄰近Beacon的區域