煤矿灾变环境下自组网通信节点能量高效协同传输机制设计

一、引言

煤矿开采灾变频发，自组网通信是应急救援关键保障。但井下巷道复杂、电磁干扰强、粉尘积水等恶劣环境，严重制约通信稳定性，通信节点能耗过快更是突出难题。传统能量管理机制难以满足长时间救援需求，因此，设计一套煤矿灾变环境下自组网通信节点能量高效协同传输机制，对提升救援效率、保障生命安全意义重大。

二、煤矿灾变环境特点及对自组网通信的影响

2.1 复杂的巷道结构

煤矿巷道错综复杂，存在大量的弯道、分支和起伏。这种复杂的结构使得无线信号在传播过程中会发生严重的反射、折射和散射现象，导致信号衰落严重，通信质量下降。例如，在弯道处，信号容易受到阻挡而减弱；在分支巷道，信号会发生分裂，进一步降低接收端的信号强度。

2.2 强电磁干扰

煤矿井下存在大量的电气设备，如电机、变压器等，这些设备在运行过程中会产生强烈的电磁干扰。同时，灾变发生时，可能会引发电气故障，进一步加剧电磁干扰的程度。强电磁干扰会严重影响自组网通信的信号质量，增加误码率，甚至导致通信中断。

2.3 恶劣的环境条件

煤矿灾变后，井下环境变得异常恶劣。高浓度的粉尘不仅会影响信号传播，还可能对通信设备造成损害，降低设备的可靠性。此外，透水事故可能导致巷道积水，使得通信设备面临浸泡的风险，进一步威胁通信系统的正常运行。

三、现有自组网通信节点能量传输机制分析

3.1 传统路由协议的能量问题

传统的自组网路由协议，如 AODV（Ad-hoc On-Demand Distance Vector）和 DSR（Dynamic Source Routing）等，在选择路由时主要考虑的是路径的跳数或最短路径，而较少关注节点的能量状态。这可能导致某些能量较低的节点被频繁选择为转发节点，加速这些节点的能量消耗，从而造成网络中节点能量消耗不均衡，缩短整个网络的生存时间。

3.2 固定功率传输的弊端

许多自组网通信节点采用固定功率进行信号传输。在煤矿灾变环境中，由于信号传播条件复杂多变，固定功率传输无法根据实际的通信需求和信道状况进行自适应调整。当信道条件较好时，过高的发射功率会造成能量浪费；而当信道条件恶劣时，固定的发射功率又可能无法保证信号的可靠传输，导致重传次数增加，进一步消耗节点能量。

四、能量高效协同传输机制设计

4.1 基于能量感知的路由选择

煤矿灾变发生后，井下自组网通信网络的布局会不断变化，以往的路由协议没办法让节点的能量均匀消耗。为此，我们设计了基于能量感知的路由选择算法，从路由发现和路径选择两方面进行优化，让网络能量分配更合理。

在寻找路由时，发起请求的源节点会在数据包里加上自己还剩多少电量的信息。其他收到请求的邻居节点，会综合考虑发送节点剩余电量、到目标节点大概要经过多少个节点（跳数），以及信号传输质量等情况，判断要不要回应这个请求。每个中间节点在转发请求时，也会带上自身电量和计算出的路径情况。等目标节点收到多个请求后，就会优先挑选那些节点电量足、传输路径好的路线，然后沿着这条路线回复确认信息。这样一来，电量少的节点不容易被选为转发节点，就能避免某些节点电量过快耗尽，实现网络中各节点电量的均衡使用。比如在模拟实验里，用传统路由协议，网络运行 2 小时就有很多节点没电了，而用我们的算法，网络能坚持运行3.5 小时。

4.2 自适应功率调整策略

煤矿灾变环境下，信号传输的条件随时都在变，一直用固定功率发送信号不是个好办法。我们的自适应功率调整策略，可以根据实际情况灵活调整节点发射信号的功率。

节点通过专门的模块，实时监测当前信号强度和数据传输错误的情况。要是信号传输很顺利，数据出错率低于我们设定的标准，就慢慢降低发射功率；要是数据出错多，就适当提高发射功率，直到数据传输恢复正常。举个例子，在某段巷道里，一开始节点用较高功率 P0 发射信号，后来巷道环境变化，信号变好了，节点就把功率降低到原来的 60% ，在保证数据传输准确率从 92% 提高到 98% 的同时，还减少了 40% 的电量消耗，既能节省电量，又能保证通信质量。

4.3 能量收集与管理

煤矿灾变后的环境里，其实有很多可以利用的能量，像机器震动产生的能量、巷道不同位置的温差产生的能量等。我们在通信节点上安装了能量收集装置，把这些环境能量转化成电能存起来，给节点持续供电。

我们用压电式换能器收集震动产生的能量，用基于Seebeck 效应的温差发电片收集温差能量。为了让能量转化得更多，我们对这些装置进行了改进，比如在压电式换能器表面加上特殊涂层，在温差发电片里采用多层复合结构。改进后，震动能量转化效率从 25% 提高到了 40% ，温差能量转化效率从 15% 提升到 22% 。

能量管理系统采用分级分配的方式。我们把节点的通信任务分成三个等级，最重要的是紧急救援指令传输，其次是实时环境数据采集传输，最后是常规信息交互。系统会根据节点剩余电量和收集到的电量来分配能量：当节点电量快用完时，优先保证紧急救援指令能发出去；当电量正常且收集到的能量充足时，再按照任务重要程度依次满足需求。系统还能根据过去的能量收集和消耗情况，预测未来的电量变化，提前调整分配策略，保证关键通信任务不会因为没电而中断，让整个网络运行得更可靠、更稳定。

五.实验验证

5.1 实验环境搭建

为了验证所设计的能量高效协同传输机制的有效性，搭建了模拟煤矿灾变环境的实验平台。使用多组自组网通信节点模拟巷道中的通信场景，通过设置障碍物、电磁干扰源等模拟复杂的巷道结构和强电磁干扰环境。同时，利用粉尘发生器模拟高浓度粉尘环境，用水槽模拟巷道积水环境。

5.2 实验参数设置

实验中，将所设计的机制与传统的自组网通信机制进行对比。设置节点的初始能量相同，通信任务包括数据传输、语音通信等。记录不同机制下节点的能量消耗情况、网络生存时间以及通信质量（如误码率、丢包率等）等参数。

六、结论

本文针对煤矿灾变环境下自组网通信节点能量高效利用的问题，设计了一种综合考虑能量感知路由选择、自适应功率调整以及能量收集与管理的协同传输机制。通过实验验证，该机制能够有效降低节点能量消耗，延长网络生存时间，提高通信质量，为煤矿灾变救援通信提供了可靠的技术支持。在未来的研究中，可以进一步优化该机制，提高其在更复杂煤矿灾变环境下的适应性和性能。同时，可以探索与其他先进技术如人工智能、区块链等的结合，进一步提升煤矿自组网通信系统的智能化和安全性。

参考文献

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[3]张增辉.缓斜煤层下行通风采空区自燃危险区域预测模型[J].煤矿安全，2023，54（12）：73-79.

作者简介：李晨旭，1990 年 7 月 3 日，男，山东省新泰市，汉族，本科，工程师，煤矿安全方向