可見光通信在中國煤礦安全生產行業應用設想

◎ 國家863計劃首個可見光通信項目首席專家、教授 于宏毅

可見光通信在中國煤礦安全生產行業應用設想

◎ 國家863計劃首個可見光通信項目首席專家、教授 于宏毅

能源是社會經濟發展不可缺少的重要部分。我國經濟發展的階段性、區域經濟的不平衡性和資源稟賦的特殊性，決定了煤炭是我國的主要能源。安全是煤炭生產的頭等大事，對煤炭生產起著保證、支撐和推動作用。近年，盡管我國煤炭生產百萬噸死亡率縱向比呈下降趨勢，但橫向比較仍然遠高于世界平均水平。以2007年為例，當年度我國煤炭產量約占全球的37%，事故死亡人數則占全球的近70%，煤礦百萬噸死亡率約為美國的70多倍、印度的7倍左右。

近年來，信息技術被迅速應用到煤礦安全生產行業領域，已取得一定的經濟和社會效益。20世紀80年代初期，我國從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一批安全監控系統并在煤礦行業中大量使用。隨著國內信息領域的快速發展，國內各主要科研單位和生產廠家相繼推出各類煤礦井下信息系統。多年應用情況表明，上述安全監控系統在煤礦安全生產和管理方法發揮了重要作用。

可見光通信解決煤礦井下信息系統難題

從目前煤礦井下信息系統技術發展趨勢分析，主要體現在以下方面：網絡架構由有線架構向有線/無線架構演進；傳輸速率由窄帶低速率向寬帶高速率遞增；目標定位由局部粗放定位向精確定位導航遞進；各類信息系統由相對獨立向深度融合發展。依據這一技術總體發展趨勢，目前煤礦井下信息系統尚存在以下兩個突出問題亟待解決。

一個問題是，末端無線通信方式成為制約系統功能與性能的瓶頸。無線通信是解決礦下信息系統深度泛在覆蓋的有效方式，但目前存在無線方式與有線方式不匹配的突出問題，無線通信速率已成為制約煤礦井下信息系統功能與性能的瓶頸。

隨著礦下業務類型的多樣化，無線方式支持的業務不僅局限在對傳輸速率要求較低的定位、語音等方面，還需要增加對視頻等高速業務的支持。例如，利用無線方式回傳視頻業務，布設靈活快捷，特別是在搶險救災時可發揮重要作用。目前，有線網絡傳輸速率已達到百兆至千兆量級，而由于受現有無線通信技術制約，同時需要綜合考慮產品成本控制、小型化/低功耗設計等要求，無線通信速率相對較低。例如，采用RFID技術可實現10K量級的傳輸速率，采用傳統窄帶調制方式可實現100K量級傳輸速率，采用寬帶擴頻調制方式可實現Mbps量級的傳輸速率，采用WiFi技術則受限于信道沖突避讓機制，導致用戶容量增加時傳輸速率大幅下降。

另一個問題是，目標定位精度難以達到系統對目標監測的現實需求。移動目標定位與跟蹤是礦下信息系統的重要功能，目前各類定位跟蹤系統主要采用基于RFID的技術解決方案。由于RFID有效識別范圍受限，布設需要依托有線網絡，因此難以實現全區域布設與覆蓋，從而出現定位盲區。

從RFID的工作機理來看，其定位采用發現即定位方式，從物理分布及工作機制上難以應用多點交叉定位方法，從而導致定位精度較大。為提高定位精度，部分人員定位跟蹤系統采用無線多點定位方式。但受礦下復雜地形及電磁環境影響，導致無線信號出現嚴重的反射、繞射、遮蔽、干擾等現象，進而影響無線信號測距的精度，并由于需要抑制嚴重的NLOS問題，使得測距定位算法復雜度大幅提高且穩健性降低。此外，這種多點定位方式需要布設較多的無線定位節點，因此成本控制、節點供電、空間部署等方面存在較大困難。

可見光通信是一種利用LED的快速響應特性實現高速數據傳輸的新型綠色信息技術。在不影響正常照明前提下，該項技術可使照明設備具備“無線路由器”、“通信基站”、“網絡接入點”甚至“GPS衛星”的功能。

可見光通信的核心價值在于：泛在覆蓋，借助全球400億盞室內燈和140億室外燈組成的照明網絡，有效解決通信“末端接入”和“深度覆蓋”難題；寬帶高速，可見光譜帶寬約300THz，是目前在用無線頻譜的1萬倍，具備極大的高速通信潛力；高精定位，借助泛在的照明網絡以及可見光定向輻射特點，可實現低成本的米量級定位精度，采用測量攝影學原理可進一步將定位精度提高至毫米量級；節能經濟，借助高效節能的LED燈具實現“照中通”，幾乎零耗電；可靠兼容，開辟嶄新頻譜資源，兼容現有電子設備；空間復用，利用可見光定向輻射、快速衰減特性，具有極高的空間復用率。基于可見光通信的上述技術特點，通過在現有煤礦井下綜合信息系統中引入這一新型綠色信息技術，可為上述兩個突出問題提供一種嶄新的技術解決方案。

可見光通信保障煤礦井下安全生產

可見光通信是解決“無線不寬帶”的有效途徑。可見光譜帶寬約300THz，是目前在用無線頻譜的1萬倍，具備極大的高速通信潛力。目前，單一偽白色LED可見光通信系統已實現513Mbps的實時傳輸速率，離線處理速率更是達到Gbps以上。因此，可見光通信可為礦下信息系統提供一種高速無線通信方式，從而實現無線與有線網絡在速率上的匹配。在速率匹配的基礎上，可見光通信與傳統無線電通信相比，在煤礦礦下信息系統的應用中還具有以下突出優點。

一、從泛在覆蓋角度考量，可見光雖然具有定向輻射、快速衰減的特性，單光源在泛在覆蓋方面與傳統的無線電通信相比存在不足。但考慮到礦下對照明網絡的高度依賴性，將無線的可見光通信與有線的電力線通信緊密捆綁，使得可見光通信的泛在覆蓋問題迎刃而解。目前，電力線通信的峰值傳輸速率已到達500Mbps，即使在數公里量級上也可以達到10Mbps量級，可以基本與可見光通信速率相匹配。況且，無線電通信受礦下復雜地形環境影響，也難以做到全區域覆蓋。

二、從成本控制角度考量，無線電通信覆蓋需要布設大量的節點，而可見光通信借助LED燈具實現，不存在節點布設問題，因此成本可控。同時，可見光通信的覆蓋隨著照明電纜的延伸而自然拓展，不必依賴成本高昂的礦下以太網絡，可進一步降低系統布設成本。此外，由于可見光波長較短且前端處理器件成本低廉，因此有利于移動節點的小型化、低成本設計。

三、從電磁兼容角度考量，無線電通信除需要克服礦下諸多電子設備產生的電磁干擾外，還需要考慮對其它電子設備的電磁干擾問題。可見光通信利用可見光頻段進行無線通信，很好地解決了這一問題，因此與現有礦下電子設備共存性良好。

可見光定位是解決“定位不準確”的有效方法。可見光通信具有定向輻射、快速衰減的特性，加之LED照明光源的泛在性，可以大幅提高礦下復雜地形與電磁環境中移動目標的無線定位精度。特別是采用測量攝影學原理，可進一步將定位精度提高至毫米量級，從而為礦下危險地域監控提供一種高精度的監測方案。例如，在某些易出現塌方的巷道或采掘面，利用可見光的高精度定位能力，實時監控區域地形地貌的細微變化，可為安全生產提供精細化數據信息。傳統的無線電定位，無論是在定位精度、布設方式、成本控制等諸多方面均難以比擬。

目前，移動目標的定位主要存在基于測距的定位方法以及測距無關的定位方法兩大類，其中基于測距的定位方法其定位精度一般優于測距無關的定位方法。在基于測距的定位方法中，典型方法包括 RSSI、TOA、TDOA、AOA等。TOA、TDOA等通過測時來實現測距的定位方法具有實現復雜度高、NLOS抑制困難等問題， AOA等通過測角來實現測距的定位方法同樣存在實現復雜度高、對測角誤差敏感等問題，因此在礦下復雜地形與電磁環境中的應用受到限制。RSSI定位方法利用接收信號強度實現對距離的估計，具有對移動節點硬件要求低、無需復雜的處理算法、可有效降低節點功耗等特點，可作為礦下無線多點定位的有效方法。可見光通信采用強度調制、能量接收方式，與RSSI定位方法天然結合，因此相比于基于RSSI的無線電定位而言更具優勢。

引入可見光通信技術的煤礦井下綜合信息系統整體解決方案框架如圖1所示，這一新型煤礦井下綜合信息系統采用可見光通信作為無線通信方式，并與寬帶電力線通信、光纖通信等有線通信方式有機結合，采用互聯網乃至電信網的核心標準構建新型網絡架構，具備泛在覆蓋、寬帶高速、安全兼容、靈活拓展、節能經濟等突出優點，實現語音實時通信、人員定位導航、高清視頻監視、設備遠程控制、疏散警報等語音泛在播報、危機警報、傳感數據、人員位置等信息即時回傳等功能，為煤礦安全監控、人員精確管理、設備自動控制、突發事件處理提供一種新型高速有線/無線混合信息傳輸與控制網絡平臺。

圖1