煤炭科学技术

作者：赵清, 杨维, 张立亚, 胡青松,

关键词：无人机, 煤矿物联网, 应急通信, 数据采集, 路径规划,

煤矿物联网在煤矿生产监测控制和灾害预测预警中具有重要意义。然而，煤矿物联网在数据传输过程中很容易受到煤矿事故的影响，事故往往会导致部分物联网节点损毁，残存的物联网节点受限于较低的数量和能量约束，难以完成对事故巷道中大量监测数据的采集和传输任务。为了保证灾后煤矿物联网可靠、节能的数据通信，构建了一种无人机(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)辅助的分簇式煤矿物联网通信系统架构。在此架构基础上，提出了一种基于分簇和A*搜索的UAV辅助数据采集方法。首先，利用物联网节点的能耗和UAV的路径长度构造目标函数，通过分别绘制节点到簇中心的距离方差、UAV数据采集的路径长度和不同K值之间的关系图来确定最优分簇数K。然后，采用K均值算法将所有物联网节点划分为K个簇。接着，通过综合考虑物联网节点的数据采集能耗和UAV的数据采集能耗，将UAV的路径规划问题建立为一个最小化煤矿物联网数据采集系统整体能耗的优化问题，并提出了一种改进的A*搜索UAV数据采集路径规划算法。在该算法中，利用指针网络将UAV的起始点和所有分簇的信息输入到A*网络中，A*网络输出的一组簇头和簇头访问顺序即为UAV的飞行路径。仿真结果表明，与平面式UAV数据采集方法相比，所提方法显著降低了UAV的能耗；与两种分簇式UAV数据采集方法相比，所提方法有效降低了物联网节点的平均能耗和总能耗。因此，所提UAV辅助的数据采集方法改善了灾后煤矿物联网系统的能耗问题，延长了网络生存期，对于提高灾后煤矿物联网数据采集系统的可靠性起到了重要作用。

来源：2023年第8期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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