三维露天矿山场景中异构分簇组网协议研究

三维露天矿山场景中异构分簇组网协议研究

黄佑平

京山大生建材有限公司 431800

摘要：智慧矿山已经成为矿山发展的方向。煤矿作为高危行业，劳动作业环境相对恶劣，安全事故始终影响和制约着煤矿的生产建设，同时相对滞后的网络基础设施建设也制约着矿山领域的新技术运用，掣肘智能化改造效益的发挥。随着第五代移动通信技术以及大数据、云计算、人工智能的发展，采用最新的、更具可持续发展能力的5G技术，将给矿山基础设施建设带来更具前瞻性的发展，助推提升矿山的综合机械化、信息化和智能化程度。基于此，本篇文章对三维露天矿山场景中异构分簇组网协议进行研究，以供参考。

关键词：三维场景；露天矿山；异构分簇组网协议

引言

矿山企业的建设和发展模式是与时俱进的，数字化的转型符合当前的时代要求，尤其是在目前的计算机信息技术为手段的数字化发展是矿山生产方式和管理方式转变的必经之路。本文结合三维露天矿山场景，分析矿山异构分簇组网协议，并对未来的智能化矿山进行展望。

1智慧矿山

智慧矿山是基于数字矿山基础上发展而来的。数字矿山是以现实矿山系统为原型，以控制科学、信息科学等为理论基础,以计算机技术、信息化技术、虚拟化技术、矿山科学技术等多种高精尖技术为支撑,建立的一个虚拟的与现实同步的,又能够实现预测未来的数字化模型。该数字化模型是由多个子系统组成。而每个子系统的核心部分是物理模型、数学模型、信息模型和计算机模型等多种模型耦合而成的一个完整的数字化系统。智慧矿山继承了数字矿山的部分特征,例如自动化、信息化、数字化等。但智慧矿山是一个全新的系统，与数字矿山不同的是智慧矿山由单系统智能化转向多系统智能化,多系统智能化是在智能岩层.各子系统系统的关键环节设计定制化的神经网络模型,该技术可以使智慧矿山具备更完善的决策调度系统和预测系统。多种神经网络模型定向应用在不同的子系统中,使得子系统能够快速决策、计算、问题处理等。同时智慧矿山也存在一个主脑，主脑是一个独立的大型人工智能模型,主脑作用是结合各子系统神经网络计算、筛选出的结果数据进行综合判断，并对智慧矿山未来的情况进行预测。所以智慧矿山已突破传统意义上的数字化,智慧矿山最重要的是‘智慧’。智慧是生命所具有的基于生理和心理器官的一种高级创造思维能力,包含对自然与人文的感知、记忆、理解、分析、判断、升华等所有能力。智慧与智力不同,智慧表达智力器官的综合终极功能,是生命的一部分技能，这也是智慧矿山的精髓和灵魂所在。

2数字化矿山建设过程中存在的问题分析

１）数字化建设场景选择的通信方式影响到通信成本，应综合考虑成本、稳定性、带宽冗余等因素，选择适用的通信网络方式。露天矿作业面的移动基站和固定基站选择，如建固定基站应充分考虑露天爆破的警戒范围，避免爆破损坏基站设备。２）数字化建设过程中需要安装大量的传感设备、电子仪器仪表等硬件设备，而矿山企业大多为多发雷区，为避免相关硬件因雷击损坏，应做好稳定可靠的防雷避雷设施。３）数字化转型后企业各类生产报表、技术档案、流程控制、财务报表等重要环节资料都暴露在网上“透明化”，这就要求在转型规划时把网络信息安全防护一起设计，避免后期遭受病毒、木马、黑客攻击等造成损失。４）数字化转型伴随着企业管理模式的改变、工艺流程的改变、生产与改造的时间冲突、大量人力物力的投入等。企业业务必当成“一把手工程”来抓，坚定数字化转型信念，避免基本方向出现偏差。５）数字化转型需要彻底打通企业从需求到设计、到制造、再到物流的全产业链，打破原来职能管理的组织边界，强化跨组织、跨部门、跨业务、跨层级的各级协作模式。

方案思路

（1）先进性：采用先进、成熟的、地面运营商广泛使用的5G移动通信技术，满足煤矿智能化矿井建设的需要，确保系统的先进性及生命力。（2）合规性：方案选用的产品已经通过了煤安、防爆认证，符合《煤矿安全规程》的规定。（3）兼容性：矿用5G专网通信系统采用开放的接口，为井下控制类信号、视频采集类信号、无线传感器等提供接口。方案对井上、井下进行5G覆盖，建设一套高安全、高可靠、高带宽的矿用5G网络，所有的应用都承建在5G网络上，井下通过NE单板、井上通过联通边缘计算（Multi-AccessEdgeComputing，MEC）实现本地数据处理和转发，传送到煤矿的内网信息平台上。

3三维露天矿山场景中异构分簇组网协议研究

3.1HCNP框架

考虑节点优先级的HCNP框架如图1所示。

图1考虑节点优先级的HCNP框架

（1）通过广播构建静止骨干网。HCNP支持静止太阳能LoRa中继设备的随时接入，因此需要静止节点定期广播以更新静止骨干网结构。（2）每轮分簇包括簇头选择和数据转发2个阶段：在簇头选择阶段，根据节点类型、节点能量和节点到基站的距离进行优先级排序，完成簇头选择。在数据转发阶段，簇头已完成簇内节点的数据收集，此时，如果簇头为静止节点，则直接通过静止骨干网发送数据到基站；反之，如果簇头为移动节点，簇头会按照最小跳数、最短距离的优先级将数据转发给静止骨干网，降低丢包率，优化端到端时延。

3.2簇头选择

HCNP根据节点类型、节点能量和节点到基站的距离的优先级顺序进行簇头选择，见表1。簇头选择及成簇过程如伪码1和图2所示。

图2簇头选择和成簇过程

（1）在节点类型上，优先选择静止节点，而不是移动节点作为簇头，这能够提高数据包可达率。（2）在节点能量上，优先选择能量不受限的，然后选择剩余能量高的节点，有利于提高能量受限的移动节点寿命。（3）在位置和跳数上，优先选择到基站跳数少、距离更近的节点作为簇头。簇头选择方式决定了成员节点可以与簇头直接进行通信。在此基础上优先选择到基站跳数少、距离更近的节点作为簇头，可以降低数据包传输到基站过程中的能量消耗。

结束语

综上所述，（1）结合三维露天矿山阶梯状矿坑的实际需求，考虑露天矿山设备的多样性、异构性特点，提出了一种HCNP。HCNP可支持静止太阳能LoRa中继设备的随时接入，有效地支持了不断变化的露天矿山采矿需求，比如开采位置及方向调整导致的设备及人员变动。HCNP应用最短路径树构建了静止骨干网，考虑异构节点移动性、能量、到基站跳等因素，基于节点优先级选择簇头。这使得HCNP可以在通信方面长期有效地支持露天矿大型设备、矿车、人员的闭环管理，推动智慧矿山发展。（2）针对三维露天矿山的高速率自组网应用场景，基站按需下发传输指令，让节点受控地分批或分时传输视频监测数据，这可以有效降低三维露天矿坑中的多径干扰，保证信道稳定性，这种受控模式下的视频传输方案是可行的。在今后的研究中，将研究基于自组网的受控模式下的视频监测传输协议。

参考文献

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作者简介：黄佑平，1968年9月，男，汉族，湖北京山人，1987年毕业于京山市第二高级中学，高中学历。现在京山大生建材有限公司工作，从事安全生产办公室工作。

工作单位：京山大生建材有限公司

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