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1、基于CNGI和WSN的矿山井下通讯定位与应急联动系统,中国科学技术大学信息学院2008.11,目 录,1、立项背景与意义2、项目主要内容3、技术创新点4、关键技术5、技术难点6、项目可行性分析7、现有的工作基础8、工作面通讯跟踪原型系统,1 立项背景与意义,本项目对井下的生产状况进行密集的实时的监控，最大限度的控制矿山灾害的发生，把井下监控行业标准提升到了一个新的级别在灾害发生后，通过应急联动平台和井下通讯定位平台来支持抢险救灾工作，填补了矿山应急行业的一项空白项目完成后将为解决我国煤矿行业的防灾、应急两大难题，全面提高煤矿抗御灾害、应急救灾的科技水平和综合能力提供有效手段，经济效益和社会效益
2、无法估量 。系统投资较小、有推广价值和示范作用。可推广到其他地区和类型的矿山，进一步可推广到森林火灾监测、公共安全，甚至包括国防军事等多方面,2.1 项目主要内容系统目标,矿山井下定位平台 利用WSN技术实现对矿井深处的险源和矿工实时监控和定位当灾难即将来临时，通过WSN及时通知附近的矿工采取相应的措施，以降低人员的伤亡；当事故发生后可以通过矿工随身携带的无线传感器节点（安装在矿灯上）对被困矿工进行定位和无线通信联络，提高抢险救灾的能力。 矿山灾害应急联动平台 以CNGI示范网络作为承载，实现对煤炭安全生产的实时远程监控，以及实现矿山灾害的各应急联动单位、部门间异构系统的应用集成与流程整合,2
3、.2 项目主要内容系统结构,通过在井下的WSN节点采集井下的实时信息，并通过多种的手段上传到应急指挥中心，对突发事件响应的决策过程提供可靠的依据对突发事件做出迅速的响应，并事件进行分析，可迅速初步确定应急预案，实现多个公共部门的应急系统的联动和信息共享,2.3 项目主要内容井下定位平台,按功能划分为5个子系统整合现行已有的安全监测 系统，实现井下可靠的无 线网络覆盖和实时定位硬件部分针对矿山行业生 产的特点，设计和开发三 种基于WSN的新设备软件部分采用由用户层服务器层 无线传感器网络层（多跳路由）无线传感器移动节点层四层管理结构，分为三大模块,2.3 项目主要内容井下定位平台,硬件支撑部分在
4、承担的CNGI 2005成果的基础上进一步优化无线传感器节点，及其网络结构、通信方式、安全机制、管理维护等技术设计开发三种新设备：移动定位节点能周期性地发送移动节点编码信息数据路由器能接受并及时上传移动定位节点的编码和信号强弱等信息光纤界面网关安装在远离工作面的交通巷道中的，接受数据路由器的上传信息，并及时通过光纤通道上传到地面数据处理中心通过升级芯片来提高系统的性能，扩大地址范围；设计开发更加有效的MAC协议和路由协议来提高系统效率和降低系统功耗,2.3 项目主要内容井下定位平台,软件部分用户端：提供GIS图形操作功能；能动态实时地查看井下的生产状况和工人数量位置等，能发布生产调度及预警信息
5、服务器端：数据管理；监控WSN的数据流和运行情况，实现WSN的网络管理功能；实时存储、查询并管理井下矿工随身携带的节点的工作状态和空间位置记录无线传感器网络端：提供实时可靠的节点数据采集功能、快速定位和路由功能；支持节点的随机接入和撤消；提供完善的WSN节点反向控制功能,2.4 项目主要内容应急联动平台,一方面作为矿山突发事件信息的“汇集点”，在突发事件中快速有效地整合、分析、提取危险源和事件现场的信息；另一方面作为应对突发事件的“智能库”，提供不同条件下突发事件的科学动态预测与危险性分析，判断预警级别并快速发布预警；进而作为整个应急指挥决策的“控制台”，逐步落实应急预案，调整决策和救援措施等
6、，实现科学决策和高效处置。五级联动业务机构：一级决策指挥中心是上级主管部门二级应急事件联动中心设在矿业集团三级为各联动单位的调度中心四级为联动单位的分支机构五级为处置力量现场分组,2.4 项目主要内容应急联动平台,硬件支撑部分网络系统：基于CNGI建立，支持IPv6并兼容IPv4的接入，实现异构系统间的资源管理，资源状态的订阅与触发，以及业务流程的状态驱动；并利用IPv6自身高安全性来实现系统的安全与保密。有/无线通讯网络：系统全部信息的输出/输入载体 ，包括程控用户交换机、应急系统控制台及数字录音系统、WSN网络、原有无线集群通信网和有线通信网络。监视系统：将采集的各种音频、文本、图形信息显
7、示在大屏幕、大尺寸视频监视器和首长多媒体终端等显示设备上，内容可通过CNGI远程显示。GPS系统：用于及时、准确地掌握地面救援设备、物资和控制目标等的实时情况和准确位置。,2.4 项目主要内容应急联动平台,软件部分应急指挥调度系统：事故处理过程中，完成事故发生单位、各级指挥中心、移动指挥中心及现场的业务工作，是一个覆盖指挥业务全过程的系统。领导辅助决策系统：包括统计分析模块、事故分析模块和现场图形模块等。完成数据汇总统计，并快速地估算事件、灾情、爆炸等事件影响，并利用多样化手段直观地反映各种情况，方便调度指挥。应急信息发布系统：提供统一访问界面，可对内对外服务。以功能划分模块，整个系统是由功能
8、模块有机结合而成的，而登录用户按所属部门、职位享有相应的功能模块操作权限。,3 技术创新点,三大技术融合，实现真正意义的联动：将WSN技术、下一代互联网技术和应急联动平台体系融为一体、实现井下险源和矿工定位平台和井上监控平台，以及不同部门之间的互联互通、资源共享和协同工作基于WSN的语音通讯：利用wsn网络协议支持的250kb/s的带宽，解决语音压缩、可靠传输、语音调度、语音解压一系列问题大规模网络的组网技术：解决大规模网络节点所带来的时延大、信号冲突和相互干扰等问题，实现超大规模无线传感网络的组网技术，实现WSN上的对网络状态的自动监测和管理低功耗设计：提出具有自有知识产权的MAC协议，通过
9、直接控制射频通信模块来增加射频模块休眠时间和冲突避免，通过在网络层或者数据链路层增加数据融合能力来减少数据流量，开发自适应数据流能力和节点同步机制，来降低节点功耗。,4 关键技术,异构网络平台的无缝连接机制基于CNGI的应急联动平台的安全机制基于CNGI的应急联动平台的移动应急机制传感网络的移动节点定位技术大规模移动网络管理机制无线传感器网络实时路由机制能量有效的数据收集协议无线传感网络自组织机制无线传感网络的低功耗Mac协议机制无线传感网络安全机制无线传感网络有效的节能机制传感网络混合消息调度能量有效的可靠信息传输机制无线传感网络能量有效的容错机制,5 技术难点,异构网络平台之间的协议融合机
10、制：能否在WSN、CNGI和应急平台三者之间实现无缝连接，是系统能否成功开发的关键。应急联动平台的移动应急机制：如何保证移动接入和计算的稳定性、安全性以及移动设备的权限管理等等，都是很难解决的问题。能量有效的传感网络定位技术：如何根据实际的需求，设计既能满足能量要求，又能满足精度要求的定位算法将是拟解决的难点。大规模WSN网络的实用性问题：解决大规模WSN中的多信道分配、信号之间的相互干扰与冲突、丢包，以及时延等都是难度较大的问题。基于ZigBee的无线传感网络MAC协议：如何通过对ZigBee协议族的优化，尤其是对Mac层协议的优化来进行数据融合，来减少多节点协作所产生的延迟与能量消耗。,5
11、 技术难点,基于ZigBee的无线传感网络自组织技术：如何实现系统的节点自诊断功能、网络自诊断功能和系统对环境变化的简单自适应功能均是拟解决的技术难点。基于ZigBee的无线传感网络可靠性管理：拟通过多路径传输来实现保证数据传输的可靠性的这一难题，同时,利用拓扑管理实现整个系统的连通性与可靠性。正确的移动节点统计技术：实际应用通常需要统计一个固定区域内的矿工数，由于节点位置的不确定性，将导致统计难以正确。因此我们拟设计概率的节点统计技术来计算区域内的矿工数。 精确的移动节点位置预测机制：根据建立不同的预测模型和不同的智能搜索机制（如神经网络，遗传算法等）来预测每个移动节点下一时刻的节点位置信息
12、，从而提高移动节点定位的效率，降低系统功耗。,6 项目可行性分析,煤矿生产中还没有实际意义的井下定位监控平台和应急联动平台，开发新型的、有效的井下定位监控平台和应急联动平台对我国矿山生产行业来说，是迫在眉睫 无线传感器网络以其成本低、自组织、功耗小、可快速部署、可扩展性强，在恶劣和特殊的环境下具有通信能力等优点，完全能够适应井下各种复杂的环境情况下的定位和通讯需求WSN、下一代互联网以及应急联动技术三者结合，完成能够实现井下实时通讯、实时定位和应急联动中国科大已有成熟的无线传感网节点及其网络应用的技术作为基本的技术保障，研究团队正在进行“基于IPv6无线传感器网络环境监测系统”（国家发改委CN
13、GI2005专项）和“多网融合”（华为项目）的研究与开发，为本项目的研究创造了良好的研究基础 目前，国家对安全设施投入非常重视，这为开展该项研究提供了有利的大环境,7 现有的工作基础,网络和WSN方面安徽省防灾减灾智能信息与决策支持系统，863重点项目，获2001年国家科技进步二等奖；淮河流域防洪防污智能调度系统，863重点项目，2001.1通过省部级鉴定；IPv6示范网络系统，国家863项目，2000年12月通过了国家863项目组的验收；移动IPv6的关键技术，国家863项目，在研；曙光3000客户端集成环境的研究与开发，863重点项目，2001.1通过省部级鉴定；合肥格点远程用户计算环境和
14、工具，863重点项目，2002年通过863专家组验收；网格节点-合肥网格节点的建设及若干典型网格应用（2002A104560），863重大专项，2005年底通过863专家组验收；中国语义网格的研究-网络智能搜索技术（包括无线网络），（2003CB317000），在研的国家973子项目；基于IPv6无线传感网络的环境监测系统，CNGI-04-10-2A，在研的国家发改委下一代互联网示范工程2005专项。,8工作面通讯跟踪原型系统,测试区域平面图,8.1 关键技术,定位算法技术点过滤、面过滤区域判别技术基于邻近Beacon的区域判别技术多种改进的定位算法多移动节点信息处理技术移动节点建簇技术移动节点冗余信息的横向、纵向过滤技术界面显示技术区域关联表的建立,8.2工作面通讯跟踪原型系统,已实现的技术指标准确的区域定位 区域的定位正确率接近100区域内部的精确定位 区域内的平均误差控制在区域直径的16之内区域内部的稳定定位 在未发生聚集时的稳定性达到94以上移动节点可靠路由与通讯目前可以支持50个锚节点和40个移动节点的网络演示视频单人跟踪多人跟踪,8.3 CNGI项目重点展示函,谢谢各位领导！,
