面向煤矿瓦斯巡检的无线传感网络优化与动态调度研究
邓健1
李利峰1
尚少勇1
王永刚1
郝明1
净远1
刘杰1
苏雄1
康晓彤1
王东亮1
邵严2
谭力珲2
谭雨果2
徐浩为2
1.国能榆林能源有限责任公司,陕西 榆林 7190002.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039
摘要：针对煤矿井下"长走廊、强动态"场景中瓦斯巡检无线传感网络(Wireless Sensor Net-work,WSN)拓扑频繁变化、能耗与时延难以兼顾、异常告警须确定性转发等问题,构建了适配多业务负载的能量感知多目标动态调度方法.建立了以无线电收发机能耗为代价基座的网络模型,显式地计入了自由空间与多径两段路径损耗、信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)门限、媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)层载波侦听/二进制指数退避引入的侦听能耗与排队时延,并区分了周期上报、事件触发与异常复核 3 类业务约束.在此基础上,提出了一种差分演化(Differential Evolution,DE)与改进粒子群优化(Improved Particle Swarm Optimization,IPSO)的"粗-细"2 级协同优化框架:外层以差分演化在离散维(时隙、信道、簇间并发组合)上进行全局搜索,内层以线性递减惯性权重与收缩因子的改进粒子群优化在连续维(发射功率、占空比、聚合长度)上细粒度收敛.同时,引入了以平均剩余能量与告警队列长度为输入的模糊权重自适应机制,使"节能-可靠-时延"权衡随网络状态在线切换.在 100 m×600 m的矿井条带区域,节点数为 200,基站部署在端部的仿真环境中及 80 m长走廊物理平台上,对所提出的DE-IPSO协同调度(Differential Evolution-Improved Particle Swarm Optimization Cooperative Dynamic Scheduling,DEIPSO-DS)与量子行为粒子群模糊逻辑基线(Quantum-behaved Particle Swarm Optimization with Fuzzy Logic,QPSOFL)及无线传感网络自适应差分演化基线(Wireless Sensor Network Adaptive Differential Evolution,WSNADE)进行对比,评价指标包含首节点、半节点、终节点死亡轮次(FND、HND、LND)、网络每轮平均能耗、残余能量方差、数据包投递率(Packet Delivery Ratio,PDR)、平均端到端时延.在异常占比约 5%的场景,DEIPSO-DS的FND为 1 763 轮、LND为 2 458 轮,较QPSOFL、WSNADE分别提升了15.82%、49.64%;每轮平均能耗为 0.118 J,较两基线降低了 13.84%、27.27%;残余能量方差为0.041 J2,PDR达 85.73%;平均时延 168.4 ms,较两基线缩短了 17.15%、30.36%.在约 10%与约15%的异常负载下,FND相对提升维持在 17.37%、16.61%(较QPSOFL)及 41.17%、43.15%(较WSNADE),能耗降低了约 15%、27%,PDR提升了约 12%、30%,时延缩短了约 16%、28%.80 m物理平台复现实测与仿真趋势一致,实测能耗较仿真高约 5%～9%、PDR低约 2%～3%、时延增加约 7～11 ms.基于能耗精细建模与DE-IPSO两级协同的动态调度框架可在掘进推进引起的拓扑迁移与异常负载波动下实现对"节点-信道-时隙-功率"的在线重配置,实现网络寿命、可靠性、时延的联合改进,并在不同异常密度下保持稳定增益;后续可在多汇聚协同、在线参数自适应与更细粒度MAC/物理层联合优化方向开展工程化扩展.
关键词：无线传感网络煤矿瓦斯巡检动态调度多目标优化能量感知
分类号：TD676(矿山电工)
资助基金：国家能源投资集团有限责任公司科技创新资助项目(GJNY-23-140)
论文发表日期：2025-12-20
在线出版日期：2025-12-29（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：8( 33-40 )
英文信息