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(diào)查分析顯示，井下的生產(chǎn)安全監(jiān)管系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的局限性和響應(yīng)的延遲性，是造成事故發(fā)生和擴(kuò)大的一個(gè)重要原因。感知礦山物聯(lián)網(wǎng)利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)感知煤礦各種災(zāi)害的預(yù)兆，并且在感知到災(zāi)害的基礎(chǔ)上做到事故的預(yù)報(bào)警，最終實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防礦山災(zāi)害，是礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵之一是井下泛在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[4-5]。目前，我國(guó)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)尚缺少感知網(wǎng)絡(luò)，煤礦井下無(wú)線覆蓋的感知層網(wǎng)絡(luò)基本沒有，而我國(guó)煤礦現(xiàn)在正在使用的一些傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多基于有線網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)測(cè)固定的設(shè)備和周圍環(huán)境的狀態(tài)，但不適用于環(huán)境不確定的流動(dòng)場(chǎng)合，如煤礦中危險(xiǎn)源的位置、分布、流動(dòng)規(guī)律以及煤礦流動(dòng)作業(yè)等，存在很大的感知盲區(qū)。井下泛在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題，是煤礦地下電磁波傳輸理論及其相關(guān)技術(shù)。為了促進(jìn)煤礦井下電磁波無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局特意把煤礦井下電磁波傳輸技術(shù)的理論研究定為礦山救援“十三五”計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目。可見，建立一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下全覆蓋的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，成為礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用亟需解決的課題之一。而礦井巷道中無(wú)線電磁波的傳輸損耗等問題，又是影響無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。

本文通過軟件仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開展了煤礦井下受限空間中無(wú)線傳輸主要影響因素的研究，以期指導(dǎo)煤礦井下泛在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)。

1 井下無(wú)線傳輸?shù)沫h(huán)境特點(diǎn)及無(wú)線傳輸分析方法

1.1 井下無(wú)線傳輸?shù)沫h(huán)境特點(diǎn)

礦井巷道的環(huán)境特別復(fù)雜，巷道四壁表面粗糙，地面坎坷不平，巷道較長(zhǎng)，有的巷道長(zhǎng)達(dá)幾十千米，且巷道中還安放著通風(fēng)設(shè)備、安全支護(hù)設(shè)備以及其他的大功率機(jī)電設(shè)備等。礦井無(wú)線通信系統(tǒng)因其所處環(huán)境的特殊性而不同于常見的陸地?zé)o線通信系統(tǒng)[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(duì)井下無(wú)線通信設(shè)備安全性能的要求，相比地面的無(wú)線通信設(shè)備的安全性能要高、要嚴(yán)格。井下無(wú)線通信設(shè)備必須是安全性能非常好的本安型防爆設(shè)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(jī)電設(shè)備等障礙物，導(dǎo)致電磁波的傳輸損耗大。

（3）“本安型防爆設(shè)備”這一條件，決定了井下無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)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(jī)電設(shè)備相對(duì)較為集中，且這些設(shè)備功率較大，易對(duì)電磁波的傳輸造成嚴(yán)重干擾，所以井下通信設(shè)備應(yīng)具有很強(qiáng)的抗干擾、抗噪聲能力。

（5）礦井的工作環(huán)境并非固定不變，而是一個(gè)隨時(shí)都在發(fā)生著變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境。這對(duì)通信質(zhì)量、可靠性等方面提出了較高要求。此外，無(wú)線通信系統(tǒng)除傳送語(yǔ)音信息外，還需要傳送視頻、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，要求系統(tǒng)要有較大的信道容量。

1.2 馬卡梯里（Marcatili）近似分析法

在實(shí)際的礦井巷道中，電磁波會(huì)因?yàn)榈V井巷道中存在的各種障礙物的影響而發(fā)生一定的折射，從而引起巷道內(nèi)電磁波能量的衰減。對(duì)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(shí)，會(huì)造成較大的折射損耗，其中一些模在經(jīng)歷了若干次（次數(shù)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(duì)于入射角較大的入射波，可以將其電磁波的場(chǎng)矢量近似認(rèn)為與軸向平行，此時(shí)可視反射系數(shù)R≈-1，在滿足導(dǎo)行條件時(shí)，電磁波衰減很小，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，稱這類模式為傳輸模[7]。波導(dǎo)的模式理論式可以用來(lái)對(duì)巷道中各傳輸模進(jìn)行分析，同時(shí)有必要說明的是，因巷道壁側(cè)面的不連續(xù)性即波導(dǎo)（巷道）介質(zhì)的不連續(xù)性，會(huì)引起TMmn波與TEmn波之間的耦合。因此，在波導(dǎo)邊界介質(zhì)不連續(xù)的條件下，在二維限制場(chǎng)的TMmn波與TEmn波無(wú)法被單獨(dú)分開，只能看作是混合的EH波和HE波。但是，電磁場(chǎng)的主要能量集中在巷道橫截面內(nèi)，可以用TEM模近似此時(shí)的傳輸波模[8]。分析TEM模時(shí)，只需求解兩類場(chǎng)型即可，即傳輸模的橫向電磁主分量是水平的，電磁場(chǎng)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(chǎng)的主要分量是Ey、Hx，稱為垂直極化模。關(guān)于此類場(chǎng)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(dǎo)截面的馬卡梯里近似分析法

把波導(dǎo)截面劃分成9個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)的折射率常數(shù)分別為n1～n9。圖1中，a、b分表代表波導(dǎo)的寬和高。對(duì)于空心介質(zhì)波導(dǎo)，如果要對(duì)其場(chǎng)的分布進(jìn)行求解，理論上應(yīng)先分別求出波導(dǎo)界面被劃分的各個(gè)區(qū)域的場(chǎng)函數(shù)，再結(jié)合各區(qū)域上與之相對(duì)應(yīng)的邊界條件，求解其對(duì)應(yīng)的傳播常數(shù)和場(chǎng)函數(shù)。但是，這樣精確的求解過程很困難，需要將問題簡(jiǎn)化，并利用近似方法求解。根據(jù)馬卡梯里近似理論[11]，波導(dǎo)的芯區(qū)是電磁場(chǎng)能量的主要分布所在，而射入到其他幾個(gè)區(qū)域的能量很少，甚至可以忽略不計(jì)。馬卡梯里認(rèn)為，在光能量集中在芯區(qū)的情況下，可以用三層平板波導(dǎo)的結(jié)果求解傳輸模的場(chǎng)函數(shù)和傳播常數(shù)。

根據(jù)上述理論，由麥克斯韋方程組、波動(dòng)方程及巷道壁的切向電場(chǎng)和切向磁場(chǎng)邊界條件，可以求解電磁場(chǎng)的各個(gè)分量，可得的各個(gè)場(chǎng)分量表達(dá)式：

式中kx、ky、kz分別表示 x、y、z軸方向上的傳播常數(shù)，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(duì)巷道電磁波衰減的影響

高次模的能量在近場(chǎng)區(qū)域經(jīng)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(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域傳輸?shù)碾姶挪ㄖ饕曰鬏敒橹?。取m=n=1，對(duì)水平極化波和垂直極化波的基模進(jìn)行仿真。假定空直巷道的截面尺寸為寬4 m、高3 m，頂?shù)装迮c兩側(cè)壁的介電常數(shù)ε1、ε2相同。對(duì)電磁波的衰減常數(shù)隨頻率的變化進(jìn)行仿真模擬，得到電磁波的衰減常數(shù)隨頻率的變化曲線，如圖2所示。

圖2 頻率對(duì)無(wú)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(shù)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(shù)要大于水平極化波的衰減系數(shù)。

2.2 巷道橫截面對(duì)電磁波衰減的影響

由損耗介質(zhì)圍成的實(shí)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(diǎn)所有模式的電場(chǎng)相疊加，即為該點(diǎn)的電場(chǎng)分布。由于巷道中電磁波的模式數(shù)量非常大，對(duì)所有的電磁波模式進(jìn)行計(jì)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(yuǎn)小于低次模對(duì)電場(chǎng)分布的作用。因此，在對(duì)電磁波的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行仿真模擬研究時(shí)，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(duì)電磁波衰減的影響進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同巷道截面對(duì)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(duì)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(jié)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(chǎng)強(qiáng)明顯小于水平極化波的場(chǎng)強(qiáng)，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?yàn)橄锏赖母叨群蛯挾葘?duì)調(diào)，相應(yīng)于水平極化和垂直極化的對(duì)調(diào)[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(shí)，說明隨著巷道截面尺寸的變化，電磁波場(chǎng)強(qiáng)的分布也會(huì)隨之變化。圖3和圖4均表明，在距激勵(lì)源較近的區(qū)域，強(qiáng)度的變化比較迅速；在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的變化則相對(duì)緩慢。這是因?yàn)樵诮鼒?chǎng)區(qū)高次模的衰減比較嚴(yán)重，而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)則以低次模傳輸為主。

圖5 電場(chǎng)強(qiáng)度隨巷道面積變化情況（巷道寬4 m，高3 m）

圖5 是在發(fā)射頻率1 000 MHz，巷道寬4 m、高3 m的條件下仿真的結(jié)果。對(duì)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(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大，即電磁波的衰減會(huì)減小。

2.3 礦車對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?/h3>

礦車是井下不可缺少的交通運(yùn)輸工具。實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)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(zhǎng)直的良導(dǎo)體。巷道中含有列車時(shí)，根據(jù)所處環(huán)境的不同，可以使用以下兩種不同的模型對(duì)其進(jìn)行研究。一種是干燥的環(huán)境，如鐵路隧道等巷道底面是用木質(zhì)的枕木鋪設(shè)而成的。這種環(huán)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(huán)境，如煤礦巷道中鐵軌經(jīng)常浸泡在潮濕的環(huán)境中。這種環(huán)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(gè)整體異型波導(dǎo)[13]。圖6是矩形巷道中僅有一輛列車時(shí)的截面示意圖，采用二維平面直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)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(shí)矩形巷道

圖7 是巷道中存在一輛礦車時(shí)，距激勵(lì)源50 m處電磁波的場(chǎng)強(qiáng)分布模擬曲線圖。

圖7 巷道含一輛礦車時(shí)電磁波場(chǎng)強(qiáng)隨頻率變化情況

巷道中礦車的存在相當(dāng)于減小了巷道的實(shí)際面積，從而改變了電磁波場(chǎng)強(qiáng)的分布。由圖7可知，當(dāng)電磁波的工作頻率低于300 MHz時(shí)，電磁波兩種波模的衰減都相當(dāng)明顯，不利于電磁波的傳輸，遠(yuǎn)距離通信無(wú)法達(dá)到好的通信效果；當(dāng)其工作頻率達(dá)到400 MHz以上時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)逐漸趨于平穩(wěn)。說明對(duì)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(duì)于頻率在450 MHz以上的電磁波，礦車的存在對(duì)電磁波衰減的影響將不再明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 井下無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方案

井下無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)前期研究的是基于礦燈的無(wú)線瓦斯收發(fā)系統(tǒng)[14]。該系統(tǒng)主要由無(wú)線瓦斯報(bào)警礦燈和無(wú)線接收分站組成，如圖8所示。系統(tǒng)工作在433/868/915 MHz 3個(gè)頻道。測(cè)試過程中，設(shè)備的無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)過程中，采用模擬瓦斯超限，超限信號(hào)的發(fā)射由程序控制，信號(hào)發(fā)射間隔設(shè)置為開啟后每3 s發(fā)射一次。此次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以可靠傳輸距離來(lái)衡量傳輸效果。設(shè)定每次測(cè)試時(shí)間為90 s，發(fā)射30次信號(hào)，以能接收到信號(hào)不低于27次的距離作為判定依據(jù)，反之為不可靠。

圖8 井下無(wú)線傳輸測(cè)試系統(tǒng)

3.2 頻率對(duì)傳輸?shù)挠绊?/h3>

設(shè)定3套無(wú)線傳輸裝置的通信頻率為433 MHz、868 MHz、915 MHz，每個(gè)頻率在同一巷道中選取五個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)，分別測(cè)出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的最大可靠傳輸距離，并求其平均值作為最終參考。測(cè)試地點(diǎn)在龍煤集團(tuán)雙鴨山分公司東榮二礦的運(yùn)輸大巷，巷道寬4.2 m、高3.5 m。該組實(shí)驗(yàn)分為井上和井下兩組，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 不同頻率下井上空曠地測(cè)試結(jié)果

表2 巷道中不同頻率對(duì)傳輸距離的影響

對(duì)比表1和表2可知，當(dāng)發(fā)射頻率為433 MHz時(shí)，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(shí)，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(huán)境要比井上的傳輸環(huán)境復(fù)雜，電磁波的傳輸會(huì)受到多種因素的干擾。由表2可知，當(dāng)頻率為868 MHz和915 MHz時(shí)，傳輸距離要遠(yuǎn)大于頻率為433 MHz時(shí)的傳輸距離，而915 MHz時(shí)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(jié)果相一致。

3.3 巷道截面對(duì)傳輸?shù)挠绊?/h3>

測(cè)試方法與測(cè)試頻率對(duì)傳輸?shù)挠绊懴嗤瑴y(cè)試地點(diǎn)分別在運(yùn)輸大巷（寬4.2 m，高3.5 m）、回風(fēng)巷（寬3 m，高2.7 m）和掘進(jìn)巷道（寬4 m，高3 m）。不同頻率下的測(cè)試結(jié)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(huì)對(duì)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(duì)傳輸?shù)挠绊?/h3>

測(cè)試方法與測(cè)試頻率對(duì)傳輸?shù)挠绊懴嗤?，測(cè)試地點(diǎn)分別在運(yùn)輸大巷（寬4.2 m，高3.5 m），不同頻率下的測(cè)試結(jié)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(jié) 語(yǔ)

基于馬卡梯里（Marcatili)）近似分析法，采用MATLAB仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了井下受限空間中頻率、巷道斷面和礦車3個(gè)因素對(duì)無(wú)線傳輸能量損耗的影響規(guī)律，得到如下結(jié)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(shù)要大于水平極化波的衰減系數(shù)。

（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(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大，電磁波的衰減會(huì)減小。在寬大于高的巷道中，垂直極化波的場(chǎng)強(qiáng)明顯小于水平極化波的場(chǎng)強(qiáng)。

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

（4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與模擬所得結(jié)果基本一致，說明該模擬方法和結(jié)果可以指導(dǎo)煤礦井下泛無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

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