面向事故救援的煤矿物联网灾后重构机制与态势感知方法

Due to the disconnection of emergency communication networks and the shortage of onsite information, the post-disaster rescue of coal mine often falls into awkward situations of pointless and counter productiveness. To solve this problem, a novel concept called reconstruction and perception of internet of things of coal mine is proposed in this project, which contains four contents. (1) Construct basic post-disaster reconstruction schemas of internet of things of coal mine based on surviving nodes, which can be triggered very quickly to help ground personnel get preliminary understandings of onsite situation after a disastrous event occurs, then propose enhanced post-disaster reconstruction schemas of internet of things of coal mine to improve the coverage and connectivity of the reconstructed network. (2) Construct algorithms of relative localization, re-localization beacon selection and drifting nodes re-localization in the post-disaster area. These algorithms can regain the current coordinates of drifting nodes and further determine the places of trapped miners and other objects. (3) Propose onsite perception methods based on surviving nodes to provide situation information about the post-disaster area and construct dynamic migration schemas of perception tasks to serve the dynamic needs of post-disaster rescue. (4) Propose specific transmission methods suitable for basic and enhanced reconstruction networks to ensure the fluent transmissions of such information as normal communication data and perception results. The research results of this project will provide novel networking technologies and situation perception methods for disaster rescue in coal mines and will make great importance to improve the emergency disposal speed and rescue effects.

受制于应急通信网络不畅、事故现场信息缺失等原因，煤矿事故救援常陷入无的放矢、事倍功半的困境。为此，项目提出煤矿物联网灾后重构感知思想，内容包括：（1）构建基本型煤矿物联网灾后重构策略，以残存节点为基础快速启动重构过程，帮助地面初步了解事故现场态势；构建增强型煤矿物联网灾后重构策略，提高灾后重构网络的覆盖率和连通度。（2）基于灾后重构网络，建立事故区域相对定位方法、重定位信标选择策略、漂移节点重定位算法，重新获得事故中漂移节点的当前坐标，以确定受困人员或其它目标位置。（3）建立基于残存感知节点的现场态势感知方法，为地面提供事故区域态势信息；构建感知任务动态迁移策略，服务于救援需求的动态变化。（4）构建适合于基本型重构网络和增强型重构网络的数据传输方法，保障沟通联络和感知结果等信息的通畅传输。研究成果将为煤矿事故救援提供新的应急组网技术和态势感知方法，对提高应急处置速度和救援效果具有重要意义。

煤矿事故通常会造成部分井下人员因巷道堵塞或受伤严重等原因而无法主动撤离，不得不在井下等待救援。为救援工作大规模部署有线或无线设施不太现实，亟需研究新颖的煤矿物联网灾后重构机制与态势感知方法，利用残存资源和少量新添设备，满足事故救援所需的沟通联络等需求。.项目构建了事故区域煤矿物联网灾后重构策略。提出灾后残存节点自主发现机制，用于发现灾后可用节点；提出利用残存节点构建基于多维度指标的虚拟骨干网，用于基本型灾后重构，实现灾后快速响应；提出灾后自适应重构的加权分簇组网算法，提高重构网络的稳定性；提出稳定匹配的网络空洞覆盖重构算法，以增强网络的覆盖能力和抗毁能力。.项目建立了矿井事故漂移节点重定位方法。提出灾后区域基于信号强度图的多节点相对定位方法，以加快定位速度；提出基于DS证据理论的重定位信标确定方法，用以确定定位信标；研发了全源矿井定位框架，用以确定重定位节点的绝对坐标，并分析了天线位置和极化方式对重定位性能的影响。.项目突破了矿井事故区域态势感知难题。提出基于卷积神经网络的受困人员动作识别方法，用以确定受困人员当前健康态势；提出基于UAV的事故巷道数据采集策略，用以感知事故区域的温湿度、瓦斯浓度、氧气浓度等态势；提出事件感知、数据传输和能量补充联合优化算法，实现受困区域的连续聚焦感知。.项目实现了灾后重构网络数据的稳定传输。提出链路感知的分簇数据传输方法，提高传输稳定性；提出非均匀分簇的多跳路由算法，降低带状巷道的数据传输能耗；提出机会数据传输与被困人员撤离方法，实现区域性或间歇性连通网络的数据传输。.项目明确了灾后残存节点发现与网络重构机制，建立了灾后漂移节点重定位方法，提出了事故现场态势感知和信息传输方法，具有重要的科学意义。项目成果能够帮助救援指挥中心掌握事故演化态势，帮助被困人员与救援人员协同救援，增强救援针对性和救援效果，在煤矿、金属矿、隧道等领域具有广泛的应用前景。