Беспроводные сенсорные сети в угольных шахтах

С.С. Кубрин

БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Рассмотрена организация беспроводных сетей передачи данных автоматизированных систем управления.

Ключевые слова: автоматизированные системы, беспроводные сети, сенсорные сети.

Одним из направлений повышения эффективности и безопасности добычи полезного ископаемого подземным способом является организация в очистных забоях автоматизированных систем управления комплексом оборудования лавы (угольный комбайн, крепь, лавный конвейер, перегружатель и прочее вспомогательное оборудование). При современных высоких темпах выемки горной массы трудно представить автоматизированную систему управления механизмами лавы без организации беспроводной связи многочисленных датчиков и приводов, установленных на подвижных объектах, с центральной компьютерной станцией оператора. Организация надежной телефонной связи с персоналом очистного забоя также немыслима по проводному каналу.

Рассмотрим некоторые вопросы организации беспроводного канала передачи сигналов в горных выработках. Основные закономерности свободного распространения радиоволн в шахтах изучены экспериментально и теоретически. Эти работы были широко развернуты начиная с 1964 г. Успеху способствовал выбор сантиметрового диапазона радиоволн с использованием направленных передающих и приемных антенн и чувствительной измерительной аппаратуры. Была впервые обоснована возможность дальнего распространения радиоволн сверх высоких частот (СВЧ) в подземных выработках, что открыло перспективы для использования беспроводного канала для целей телеуправления, телеконтроля, телевидения и связи в шахтах. Многочисленные эксперименты подтвердили, что на частотах в диапазоне 2 - 3 ГГц можно организовать радиоканал без применения активной ретрансляции протяженностью 2 км и более. Исследования по механизму свободного распростра-

нения радиоволн в подземных выработках выявили также и некоторые недостатки радиоканала на СВЧ: значительное затухание радиоволн на поворотах, уклонах, вентиляционных сооружениях. Всё это указывает на то, что решение проблем передачи информации в шахтах следует искать в комплексном применении проводных и беспроводных (в различных диапазонах радиоволн) каналов связи.

Теоретическим исследованиям распространения радиоволн СВЧ в подземных горных выработках и тоннелях посвящено весьма ограниченное количество работ, и разработанная теория еще не может ответить на все вопросы, поставленные практикой. Однако, несмотря на это, полученные результаты могут оказаться полезными при проектировании беспроводных радиолиний, телевидения и связи в шахтах, рудниках или тоннелях.

Активными конкурентами проводных средств передачи информации выступают беспроводные, передающие информацию по радиоканалам, что существенно упрощает структуру сети и доступ к ней в произвольной точке. В последнее время большое развитие получили самооргонизующие сети, получившие название сенсорных сетей (рис. 1). Такие сенсорные само настраивающие сети (сети по технологии mesh) позволяют быстро и гибко создавать и модернизировать каналы связи в горных выработках. При этом возникает возможность автоматизировать обслуживание самого канала связи. Следить за его состоянием, определять места разрыва, разрушения и активно реагировать на произошедшие изменения, к примеру, восстановить канал связи через обходные магистрали.

Само понятие mesh означает сетка, сетевая конструкция. Размеры проектов и разработанных информационных сетей, организованных по топологии Mesh, выросли до тысяч точек доступа и десятков тысяч пользователей. Информационные технологии mesh-сетей на сегодняшний день представляют наиболее интересные решения, позволяющие интегрировать проводные, сетевые и радиотехнические возможности и поэтому дают возможность удовлетворять в полной мере все более растущим требованиям клиентов, организациям и производствам. Возможность организации с помощью Mesh-топологии локальных сетей, предприятий и учреждений, легко

* П 1^ "4 • "1# п9 * Г)21

uotjwgotig лигами . от тъ от it л и га»и ]*ОТ 3W5OTU ЛвЭгв»Н

1ЮЛМ5ОТ1Т лигами

!*OT1WGOT1T "паз ¡4« и ИПИМ5ОТ1Т 'лига«« . j] id« от it 'л и га« и iioijQOTOTi? г* и гам и за от ют ИР л и га»и

2АОТ2КФОТ5Г ЛИНИИ ijraacOTiT л и га« и

л <.- ?г.-..и= гг лига»«

^ис. 1. Топология сенсорных сетей

интегрируемых в глобальную сеть интернет, позволяет расширить возможности организации и управления предприятием, что является привлекательным для руководящего звена и инженерных специалистов. Большинство существующих Mesh-сетей основаны на использовании беспроводного стандарта передачи информации WiFi. В основе Wi-Fi (Wireless Fidelity) лежит протокол международной некоммерческой ассоциации - Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) 802.11. Первоначально целью создания устройств WiFi была попытка заменить традиционные кабельные соединения с сетью рабочих места сотрудников организаций и предприятий на радио соединени в пределах комнаты или небольшого офиса. Стандарт окончательно сформировался в 1999 году в виде протокола IEEE 802.11b. Позже он был расширен и сформировалась целая серия протоколов Wi-Fi (802.11а, g и n). На основе стандартов 802.11b,g, n использующих частоту 2,4 ГГц, как наилучшую частоту распространения радиосигналов в шахте следует строить сенсорные (mesh) сети для подземных горных выработок.

Базовые станции (моты), использующиеся в Mesh-сетях выполняют две функции - предоставляют доступ к сети и выполняют маршрутизацию (ретрансляцию) информации через другие станции (моты) сети. Благодаря появлению новой дополнительной функции появляется возможность создания самоустанавливающейся и само-восстанавливающейся части и ли всей сети. Mesh-сети строятся как совокупность небольших подсетей - кластеров, число которых теоретически не ограничено. В одной подсети (кластере) могут размещаться от 8 до 16 станций доступа (рис. 2). Одна из станций является узловой (шлюзом) и подключается к некоторому магистральному информационному каналу (оптическому, электрическому или радио). Главная особенность архитектуры это использование децентрализованной схемы организации сети, которая предусматривает, что каждая станция создает сою таблицу станций и устройств сети, самостоятельно контролирует состояние информационного канала и соответственно обеспечивает динамически маршрутизацию потоков информации, выбирая для этого либо оптимальны, либо возможный маршрут в подсети. Поэтому при отказе какой-либо станции в сети происходит автоматическое перенаправление трафика по альтернативному маршруту. Главные отличительные особенности, которыми обладают сенсорные самоорганизующиеся сети это:

• сплошное информационное покрытие;

• модификация сети по размеру;

• модификация сети как по пропускной способности;

• отсутствие проводов;

• устойчивость сети к потере отдельных элементов.

Большое значение при проектировании и развертывании сети

имеет дальность связи между двумя станциями. Радиус действия сети Wi-Fi зависит от многих параметров, но размер его по шахтным меркам не велик. К основным условиям определяющих дальность работы относятся: тип используемого протокола 802.11, мощность передатчика, коэффициент усиления антенн и коэффициент затухания сигнала в антенных кабелях, препятствия и помехи на пути сигнала и т.д. Радиус действия станций стандарта 802.11n может доходить до 250 м на открытой местности, что позволяет строить кластеры (подсети) протяженностью до 4 км. Препятствия в виде кирпичных перегородок и металлических кон-

струкций уменьшают радиус действия Wi-Fi сети на 25% и более. При создании радиоканала вдоль горной выработки между двумя подсетями сетями надо учитывать, чтобы пространство вдоль линии распространения сигнала должно быть на 0.6 радиуса больше первой зоны Френеля

Уже многие компании предлагают оборудования для построения сенсорных сетей. К примеру, фирма Motorola предлагает технологию самоорганизующейся сетевой архитектуры. Она является самоорганизующейся, самовосстанавливающейся и самобалансирующейся системой маршрутизации. Позволяет беспроводным устройствам объединяться в сеть. Основные компоненты архитектуры являются беспроводной карты доступа WMC (Wireless Modem Card) клиентских устройств; маршрутизаторы беспроводной многоузловой сети MWR (MESH Wireless Router); интеллектуальные точки доступа IAP (Intelligent Access Point); контроллеры MiSC (Mobile Internet Switching Controller) и программное обеспечение MEA. Маршрутизатор беспроводной многоузловой сети MWR предназначен для обеспечения покрытия на территории, в комплексах здания и внутри помещений. Маршрутизаторы MWR применяются при развертывании новых сетей, позволяя организовывать связь между устройствами и интеллектуальными точками доступа (IAP) в режиме отсутствия прямой видимости. Интеллектуальная точка доступа IAP является связующим звеном между беспроводной сетью MEA и проводным Интернетом или телефонной сетью общего пользования (ТфОП). Система MiSC отвечает за функции маршрутизации, коммутации и управления сетью MEA. Она обеспечивает стык между интеллектуальными точками доступа IAP и проводными сетями.

Из отечественных разработчиков следует отметить ОАО «Концерн «Созвездие» г. Воронеж, разработавший комплект оборудования (рис. 3) для развертывания mesh сети с использование Wi-Fi. Сеть строится на частотах 2,55 ГГц с шириной спектра сигнала 20 МГц на базе протокола IEEE 802.11g. Излучаемая мощность в 100 мВт обеспечивает дальность связи между станциями до 1000 м. На сегодняшний день отсутствует весь спектр оборудования, требуемый для развертывания сенсорных сетей в условиях горного предприятия. Но основные уже промакетированы и опробованы. Разработка полного

Рис. 2. Технические средства сенсорных сетей

комплекта оборудования во взрывозащищенном исполнении позволит прийти современным информационным телекоммуникационным технологиям в шахты и рудники. Это позволит более полно использовать возможности промышленного телевидения, и применить под землей технологии «расширенной реальности» и в корне изменится подход к геологическому сопровождению очистных и проходческих работ. Появится возможность в масштабе реального времени производить геологические наблюдения и производить необходимую корректировку модели месторождения. Так же, при использовании лазерных визиров, дальномеров и нивелиров возникнет возможность управления работы проходческих механизмов с учетом представления полученной программы работы посред-

ством технологии «расширенная реальность», и ведения маркшейдерских съемок.

Применение видеоконтрольных панелей, контроллеров и регулируемых электроприводов позволит значительно увеличить объем информации, поступающий автоматически из забоя горному диспетчеру, что существенно сократит объем телефонных переговоров диспетчера как в штатных, так и в нештатных ситуациях, переведя его работу на новый уровень. Дальнейшее развитие этого направления в перспективе даст возможность создания удаленного рабочего места машиниста комбайна. Другими словами, здесь должен произойти прорыв. Появятся добычные и проходческие комплексы с удаленным управление, что значительно повысит безопасность ведения горных работ, пгсга

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------

Кубрин С. С. - доктор технических наук, УРАН ИНКОН РАН, e-mail: s_kubrin@mail.ru)

А