煤礦井下泛在感知網絡無線傳輸影響因素研究*

劉新蕾，沈 斌,3，秦憲禮，程可橋

0 引 言

大量礦難事故的原因調查分析顯示，井下的生產安全監管系統監測的局限性和響應的延遲性，是造成事故發生和擴大的一個重要原因。感知礦山物聯網利用先進的監測監控設備，實現感知煤礦各種災害的預兆，并且在感知到災害的基礎上做到事故的預報警，最終實現主動預防礦山災害，是礦山安全生產監測監控系統的發展趨勢[1-3]。礦山物聯網系統建設的關鍵之一是井下泛在無線傳感網絡的建設[4-5]。目前，我國煤礦安全監控系統尚缺少感知網絡，煤礦井下無線覆蓋的感知層網絡基本沒有，而我國煤礦現在正在使用的一些傳感器和監測系統大多基于有線網絡，能夠監測固定的設備和周圍環境的狀態，但不適用于環境不確定的流動場合，如煤礦中危險源的位置、分布、流動規律以及煤礦流動作業等，存在很大的感知盲區。井下泛在無線傳感網絡建設的關鍵技術問題，是煤礦地下電磁波傳輸理論及其相關技術。為了促進煤礦井下電磁波無線傳輸技術的發展，國家安全生產監督總局特意把煤礦井下電磁波傳輸技術的理論研究定為礦山救援“十三五”計劃的重點項目。可見，建立一個能夠實現煤礦井下全覆蓋的無線傳感網絡，成為礦山物聯網應用亟需解決的課題之一。而礦井巷道中無線電磁波的傳輸損耗等問題，又是影響無線傳感網絡的關鍵問題。

本文通過軟件仿真和現場試驗開展了煤礦井下受限空間中無線傳輸主要影響因素的研究，以期指導煤礦井下泛在無線傳感網絡和礦山物聯網系統的建設。

1 井下無線傳輸的環境特點及無線傳輸分析方法

1.1 井下無線傳輸的環境特點

礦井巷道的環境特別復雜，巷道四壁表面粗糙，地面坎坷不平，巷道較長，有的巷道長達幾十千米，且巷道中還安放著通風設備、安全支護設備以及其他的大功率機電設備等。礦井無線通信系統因其所處環境的特殊性而不同于常見的陸地無線通信系統[6]。

（1）礦井巷道中含有一氧化碳、瓦斯、二氧化硫、粉塵等易燃易爆成分，因此對井下無線通信設備安全性能的要求，相比地面的無線通信設備的安全性能要高、要嚴格。井下無線通信設備必須是安全性能非常好的本安型防爆設備。

（2）由于礦井巷道的空間受限、巷道壁的表面凹凸不平、巷道存在不同程度的傾斜且有拐彎和分叉，巷道中存在一些常用的機電設備等障礙物，導致電磁波的傳輸損耗大。

（3）“本安型防爆設備”這一條件，決定了井下無線傳輸網絡設備的發射功率較小，一般小于等于5 W。

（4）井下巷道的空間狹小，一些機電設備相對較為集中，且這些設備功率較大，易對電磁波的傳輸造成嚴重干擾，所以井下通信設備應具有很強的抗干擾、抗噪聲能力。

（5）礦井的工作環境并非固定不變，而是一個隨時都在發生著變化的動態環境。這對通信質量、可靠性等方面提出了較高要求。此外，無線通信系統除傳送語音信息外，還需要傳送視頻、監測數據等信息，要求系統要有較大的信道容量。

1.2 馬卡梯里（Marcatili）近似分析法

在實際的礦井巷道中，電磁波會因為礦井巷道中存在的各種障礙物的影響而發生一定的折射，從而引起巷道內電磁波能量的衰減。對于入射角較小的入射波，在大量電磁波模式入射到巷道壁上時，會造成較大的折射損耗，其中一些模在經歷了若干次（次數比較少）反射后，其電磁能幾乎降為零，稱這類模式為高次模；而對于入射角較大的入射波，可以將其電磁波的場矢量近似認為與軸向平行，此時可視反射系數R≈-1，在滿足導行條件時，電磁波衰減很小，能夠進行遠距離傳播，稱這類模式為傳輸模[7]。波導的模式理論式可以用來對巷道中各傳輸模進行分析，同時有必要說明的是，因巷道壁側面的不連續性即波導（巷道）介質的不連續性，會引起TMmn波與TEmn波之間的耦合。因此，在波導邊界介質不連續的條件下，在二維限制場的TMmn波與TEmn波無法被單獨分開，只能看作是混合的EH波和HE波。但是，電磁場的主要能量集中在巷道橫截面內，可以用TEM模近似此時的傳輸波模[8]。分析TEM模時，只需求解兩類場型即可，即傳輸模的橫向電磁主分量是水平的，電磁場的主要分量是Ex、Hy，稱為水平極化模；傳輸模的橫向電磁主分量為垂直的，電磁場的主要分量是Ey、Hx，稱為垂直極化模。關于此類場的求解，可采用馬卡梯里近似分析法[10]，如圖1所示。

圖1 矩形波導截面的馬卡梯里近似分析法

把波導截面劃分成9個區域，對應的折射率常數分別為n1～n9。圖1中，a、b分表代表波導的寬和高。對于空心介質波導，如果要對其場的分布進行求解，理論上應先分別求出波導界面被劃分的各個區域的場函數，再結合各區域上與之相對應的邊界條件，求解其對應的傳播常數和場函數。但是，這樣精確的求解過程很困難，需要將問題簡化，并利用近似方法求解。根據馬卡梯里近似理論[11]，波導的芯區是電磁場能量的主要分布所在，而射入到其他幾個區域的能量很少，甚至可以忽略不計。馬卡梯里認為，在光能量集中在芯區的情況下，可以用三層平板波導的結果求解傳輸模的場函數和傳播常數。

根據上述理論，由麥克斯韋方程組、波動方程及巷道壁的切向電場和切向磁場邊界條件，可以求解電磁場的各個分量，可得的各個場分量表達式：

式中kx、ky、kz分別表示 x、y、z軸方向上的傳播常數，且滿足色散條件：

2 巷道中電磁波衰減影響因素研究

2.1 頻率對巷道電磁波衰減的影響

高次模的能量在近場區域經過若干次折射、反射后損耗非常大，幾乎全部損耗完，因此在遠場區域傳輸的電磁波主要以基模傳輸為主。取m=n=1，對水平極化波和垂直極化波的基模進行仿真。假定空直巷道的截面尺寸為寬4 m、高3 m，頂底板與兩側壁的介電常數ε1、ε2相同。對電磁波的衰減常數隨頻率的變化進行仿真模擬，得到電磁波的衰減常數隨頻率的變化曲線，如圖2所示。

圖2 頻率對無線電波衰減率的影響

由圖2可知，隨著電磁波頻率的增大，電磁波傳輸模衰減系數逐漸減小，即隨著頻率的增大，電磁波在傳輸過程中的衰減損耗逐漸減小，且在相同傳輸頻率下，垂直極化波的衰減系數要大于水平極化波的衰減系數。

2.2 巷道橫截面對電磁波衰減的影響

由損耗介質圍成的實際巷道中，在巷道中傳播的波模既非單純的TEmn波模也非單純的TMmn波，而是二者的線性組合。因此，巷道中某點所有模式的電場相疊加，即為該點的電場分布。由于巷道中電磁波的模式數量非常大，對所有的電磁波模式進行計算是不可能完成的也是完全沒必要的。電磁波高次模在傳輸過程中的衰減很大，遠小于低次模對電場分布的作用。因此，在對電磁波的場強進行仿真模擬研究時，只選取了（1，1）～（15，15）范圍的模式，選取信源頻率為1 000 MHz條件下，不同巷道截面尺寸對電磁波衰減的影響進行仿真，結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同巷道截面對電磁波衰減率影響（巷道寬3 m，高2 m）

圖4 不同巷道截面對電磁波衰減率影響（巷道寬2 m，高3 m）

圖3 和圖4分別是巷道截面寬3 m、高2 m和巷道截面寬2 m、高3 m條件下的仿真結果。由圖3可知，在寬3 m、高2 m即寬大于高的巷道中，垂直極化波的場強明顯小于水平極化波的場強，而在寬2 m、高3 m的巷道中，情況剛好相反。圖4中的水平極化曲線剛好是圖3中的垂直極化曲線。這是因為巷道的高度和寬度對調，相應于水平極化和垂直極化的對調[12]。說明在寬小于高的巷道中，使用垂直極化天線能夠獲得比較理想的通信效果。同時，說明隨著巷道截面尺寸的變化，電磁波場強的分布也會隨之變化。圖3和圖4均表明，在距激勵源較近的區域，強度的變化比較迅速；在遠場區的變化則相對緩慢。這是因為在近場區高次模的衰減比較嚴重，而在遠場區則以低次模傳輸為主。

圖5 電場強度隨巷道面積變化情況（巷道寬4 m，高3 m）

圖5 是在發射頻率1 000 MHz，巷道寬4 m、高3 m的條件下仿真的結果。對比圖3、圖4可知，在同等條件下，隨著巷道面積的增加，電磁波的場強會增大，即電磁波的衰減會減小。

2.3 礦車對電磁波傳輸的影響

礦車是井下不可缺少的交通運輸工具。實際生產中，經常會見到一列或兩列礦車存在于巷道中。在矩形巷道中，將巷道和礦車都視為長直的良導體。巷道中含有列車時，根據所處環境的不同，可以使用以下兩種不同的模型對其進行研究。一種是干燥的環境，如鐵路隧道等巷道底面是用木質的枕木鋪設而成的。這種環境下可以將列車的底面與巷道底面看作相絕緣，作用原理類似于同軸電纜。另一種是比較潮濕的環境，如煤礦巷道中鐵軌經常浸泡在潮濕的環境中。這種環境下可以把列車的底面看作與巷道底面相通，將巷道和礦車視為一個整體異型波導[13]。圖6是矩形巷道中僅有一輛列車時的截面示意圖，采用二維平面直角坐標系，坐標原點選在巷道底面的正中間，要研究的問題為x-y平面的二維問題。

圖6 含一輛礦車時矩形巷道

圖7 是巷道中存在一輛礦車時，距激勵源50 m處電磁波的場強分布模擬曲線圖。

圖7 巷道含一輛礦車時電磁波場強隨頻率變化情況

巷道中礦車的存在相當于減小了巷道的實際面積，從而改變了電磁波場強的分布。由圖7可知，當電磁波的工作頻率低于300 MHz時，電磁波兩種波模的衰減都相當明顯，不利于電磁波的傳輸，遠距離通信無法達到好的通信效果；當其工作頻率達到400 MHz以上時，水平極化波和垂直極化波的衰減隨著頻率的增加都沒有太大變化，電磁波的場強逐漸趨于平穩。說明對于頻率低于300 MHz的電磁波，礦車的存在明顯加速了電磁波衰減，但對于頻率在450 MHz以上的電磁波，礦車的存在對電磁波衰減的影響將不再明顯。

3 現場試驗

3.1 井下無線傳輸測試系統及測試方案

井下無線傳輸測試系統前期研究的是基于礦燈的無線瓦斯收發系統[14]。該系統主要由無線瓦斯報警礦燈和無線接收分站組成，如圖8所示。系統工作在433/868/915 MHz 3個頻道。測試過程中，設備的無線發射系統功率始終為0.5 W，天線的增益為5 dB，接收的靈敏度為100 dB。實驗過程中，采用模擬瓦斯超限，超限信號的發射由程序控制，信號發射間隔設置為開啟后每3 s發射一次。此次現場測試以可靠傳輸距離來衡量傳輸效果。設定每次測試時間為90 s，發射30次信號，以能接收到信號不低于27次的距離作為判定依據，反之為不可靠。

圖8 井下無線傳輸測試系統

3.2 頻率對傳輸的影響

設定3套無線傳輸裝置的通信頻率為433 MHz、868 MHz、915 MHz，每個頻率在同一巷道中選取五個不同的測試點，分別測出每個測試點的最大可靠傳輸距離，并求其平均值作為最終參考。測試地點在龍煤集團雙鴨山分公司東榮二礦的運輸大巷，巷道寬4.2 m、高3.5 m。該組實驗分為井上和井下兩組，測試結果如表1、表2所示。

表1 不同頻率下井上空曠地測試結果

表2 巷道中不同頻率對傳輸距離的影響

對比表1和表2可知，當發射頻率為433 MHz時，井下的傳輸距離急劇減小，大約只有井上距離的1/4，而頻率為868 MHz和915 MHz時，其井下的傳輸距離也有較大縮減，只有井上距離的一半多，說明井下的傳輸環境要比井上的傳輸環境復雜，電磁波的傳輸會受到多種因素的干擾。由表2可知，當頻率為868 MHz和915 MHz時，傳輸距離要遠大于頻率為433 MHz時的傳輸距離，而915 MHz時的傳輸距離最大，說明頻率越高，電磁波傳輸過程中的衰減越小，與模擬所得結果相一致。

3.3 巷道截面對傳輸的影響

測試方法與測試頻率對傳輸的影響相同，測試地點分別在運輸大巷（寬4.2 m，高3.5 m）、回風巷（寬3 m，高2.7 m）和掘進巷道（寬4 m，高3 m）。不同頻率下的測試結果分別如表3、表4和表5所示。

由表3到表5可知，隨著巷道截面的減小，三種頻率下的可靠傳輸距離都有所減小，說明巷道截面尺寸會對電磁波的傳輸造成影響。截面尺寸越小，越不利于電磁波的傳輸。三種頻率下，以433 MHz隨巷道尺寸減小而減小的最為明顯，也說明在井下巷道中宜選擇高頻電磁波。

3.4 礦車對傳輸的影響

測試方法與測試頻率對傳輸的影響相同，測試地點分別在運輸大巷（寬4.2 m，高3.5 m），不同頻率下的測試結果分別如表6、表7和表8所示。

表3 433 MHz下的可靠傳輸距離

表4 868 MHz下的可靠傳輸距離

表5 915 MHz下的可靠傳輸距離

表6 433 MHz條件下的可靠傳輸距離

表7 868 MHz條件下的可靠傳輸距離

表8 915 MHz條件下的可靠傳輸距離

由表6、表7和表8可知，礦車的存在使得3種頻率下的可靠傳輸距離都有所減小，433 MHz減小的較明顯，其他兩種頻率下減小的均不明顯。

4 結 語

基于馬卡梯里（Marcatili)）近似分析法，采用MATLAB仿真和現場測試，研究了井下受限空間中頻率、巷道斷面和礦車3個因素對無線傳輸能量損耗的影響規律，得到如下結論：

（1）電磁波的衰減損耗大小與頻率成反比。隨著頻率的增大，電磁波在傳輸過程中的衰減損耗逐漸減小，且在相同傳輸頻率下，垂直極化波的衰減系數要大于水平極化波的衰減系數。

（2）巷道斷面大小和電磁波的衰減量成反比。在同等條件下，隨著巷道面積的增加，電磁波的場強會增大，電磁波的衰減會減小。在寬大于高的巷道中，垂直極化波的場強明顯小于水平極化波的場強。

（3）礦車對電磁波的衰減作用和工作頻率相關。當頻率低于300 MHz的電磁波時，礦車的存在明顯加速了電磁波的衰減；當頻率大于450 MHz時，礦車的存在對電磁波衰減的影響不明顯。

（4）現場試驗結果與模擬所得結果基本一致，說明該模擬方法和結果可以指導煤礦井下泛無線傳輸網絡的現場設計與應用。

[1] 吳立新,汪云甲,丁恩杰等.三論數字礦山——借力物聯網保障礦山安全與智能采礦[J].煤炭學報,2012,37(03):357-365.WU Li-xin,WANG Yun-jia,DING En-jie,et al.Third Discussion on Digital Mine-Leveraging IoT to Ensure Mine Safety and Intelligent Mining[J].Chinese Journal of Coal Research,2012,37(03):357-365.

[2] 張申,劉鵬,張彭.感知礦山物聯網云計算應用探索[J].煤炭科學技術,2012,40(09):72-75.ZHANG Shen,LIU Peng,ZHANG Peng.Applied Discovery on Cloud Computation of Sensory Mine Internet of Things[J].Coal Science and Technology,2012,40(09):72-75.

[3] 王建強.物聯網在感知礦山建設中的應用研究[J].中國安全生產科學技術,2012,8(05):178-183.WANG Jian-qiang.Application of IOT in Construction of Sensory Mine[J].Journal of Safety Science and Technology,2012,8(05):178-183.

[4] 張申,張滔.論礦山物聯網的結構性平臺與服務性平臺[J].工礦自動化,2013,39(01):34-38.ZHANG Shen,ZHANG Tao.Theory of Mine Structural Platform and Service Platform of the Internet of Things[J].Industrial Automation,2013,39(01):34-38.

[5] 孫彥景,錢建生,李世銀等.煤礦物聯網絡系統理論與關鍵技術[J].煤炭科學技術,2011,39(02):69-79.SUN Yan-jing,QIAN Jian-sheng,LI Shi-yin.The Theory and Key Technology of the Coal-content Network System[J].Coal Science and Technology,2011,39(02):69-79.

[6] 姚善化.煤礦井下移動通信系統簡介[J].現代通信,2003(02):7-8.YAO Shan-hua.Introduction to Coal Mine Mobile Communication System[J].Modern Communication,2003(02):7-8.

[7] 房濤.煤礦井下有限空間無線電波傳播特性研究[D].西安:西安科技大學,2010.FANG Tao.Study on the Characteristics of Radio Wave Propagation of Limited Space in Coal Mine[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2010.

[8] 楊鍇.礦井通信中巷道電波傳播特性研究[D].南京:南京郵電大學,2013.YANG Kai.Study on Propagation Characteristics of Roadway in Coal Mine Communication[D].Nanjing:Nanjing University of Posts and Telecommunications,2013.

[9] 姚善化.復雜礦井巷道中電磁波傳播特性及相關技術研究[D].合肥:安徽大學,2010.YAO Shan-hua.The Characteristics of Electromagnetic Wave Propagation and Related Technology in Complex Mine Roadways[D].Hefei:Anhui University,2010.

[10] A.W.斯奈德,J.D洛夫著,周幼威等.光波導理論[M].北京:清華大學出版社,1991.Snyder A W,Lov J D,ZHOU You-wei,et al.Lightguide Theory[M].Beijing:Tsinghua University Press,1991.

[11] 孫繼平.列車對半圓拱形隧道中電磁波截止頻率的影響[J].電波科學學報,2002,17(05):514-516.SUN Ji-ping.The Effect of the Train on the Cutoff Frequency of the Semicircle Arch Tunnel[J].Journal of Radio Science,2002,17(05):514-516.

[12] 沈斌,秦憲禮.基于紅外吸收原理的無線瓦斯巡檢儀[J].黑龍江科技大學學報,2011,21(02):108-111.SHEN Bin,QIN Xian-li.A Wireless Gas Detector Based on Infrared Absorption Principle[J].Journal of Heilongjiang University of Science and Technology,2011,21(02):108-111.

[13] 秦憲禮,劉新蕾,沈斌.基子nRF905的瓦斯超限數據無線傳輸系統研究[J].礦山機械,2009,37(398):40-43.QIN Xian-li,LIU Xin-lei,SHEN Bin.The Gas Overlimit Data Wireless Transmission System Study of the nRF905[J].Mining Machinery,2009,37(398):40-43.