陳習(xí)鋒，丁舉鵬，張心云，鄭 炅，易芝玲

(1. 新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 信號(hào)檢測(cè)與處理新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；2. 中國移動(dòng)通信研究院 綠色通信研究中心，北京 100053)

0 引 言

據(jù)2018年世界能源年度報(bào)告，中國是世界上礦井煤炭最大的生產(chǎn)地和消耗地[1]。2017年，煤炭礦井資源生產(chǎn)了3.53億噸，占世界煤炭生產(chǎn)的46%。然而根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2020年上半年以來，中國僅煤礦事故就發(fā)生了48起，死亡人數(shù)高達(dá)74人[2]。因此，搭建一個(gè)智慧礦井平臺(tái)非常重要，其能夠有效保證礦工和礦物的生產(chǎn)安全。智慧礦井平臺(tái)能夠提供礦井通信，對(duì)礦工和采礦機(jī)器實(shí)時(shí)定位，并且環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)能保證礦井作業(yè)安全。傳統(tǒng)射頻信號(hào)、第五代移動(dòng)通信(5th Generation Mobile Networks, 5G)和無線光信號(hào)可用于礦井，協(xié)助實(shí)現(xiàn)智慧礦井平臺(tái)的各類功能。

目前，礦井射頻通信有透地通信、超帶寬通信、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)、無線保真(Wireless Fidelity, WiFi)、藍(lán)牙和紫峰(ZigBee)等[3-4]。傳統(tǒng)射頻信號(hào)帶寬受限，而5G信號(hào)雖然為高帶寬但礦井下電磁干擾嚴(yán)重。相比于射頻信號(hào)，無線光可以免疫電磁干擾且高帶寬，不需要頻譜許可證。礦井下，通信場(chǎng)景可大致分為礦井巷道和礦井工作面兩種[5]。無線光在室內(nèi)小區(qū)分布和光束指向等的研究日益增多，而礦井下同樣可利用現(xiàn)有室內(nèi)無線光技術(shù)研究加以利用[6-8]。

本文首先綜述了無線光技術(shù)在礦井的應(yīng)用，然后分別從通信、定位和傳感3個(gè)方面介紹了無線光在礦井中的應(yīng)用，最后對(duì)無線光技術(shù)在礦井的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 礦井空間無線光通信傳播特性

礦井通信可分為礦井上和礦井下通信，礦井上通信為露天礦井覆蓋通信，礦井下通信為地下礦井覆蓋通信。露天礦井通信可利用5G信號(hào)覆蓋，5G信號(hào)頻譜效率高且傳輸距離遠(yuǎn)。700 MHz和2.6 GHz帶寬的小型通信小區(qū)就可覆蓋露天鐵礦，可對(duì)通信質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量[9]。文獻(xiàn)[9]的露天礦井通信測(cè)量研究分別對(duì)路徑損耗系數(shù)、陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差和自相關(guān)距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，為以后實(shí)驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持。礦井下環(huán)境不同于普通室內(nèi)環(huán)境，礦壁面粗糙，電磁干擾和多徑效應(yīng)嚴(yán)重，5G信號(hào)通信會(huì)受到影響。巷道里礦工間可建立無線光視距(Line-of-Sight，LOS)通信，而礦井工作面中無線光通信時(shí)，礦燈和礦工還存在非視距(Non-line-of-sight，NLOS)通信，如圖1所示[10-12]。正常礦井作業(yè)下，采礦和運(yùn)輸?shù)V物會(huì)帶來附加因素如粉塵、水蒸氣和易爆炸氣體等，礦井無線光通信時(shí)會(huì)受這些因素干擾，同時(shí)采礦機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)和礦工的移動(dòng)也會(huì)對(duì)通信造成影響。由于無線光的LOS傳播特性，無線光通信下采礦機(jī)器和礦工的遮擋形成了陰影效應(yīng)。而無線光通信信道中的各類物質(zhì)會(huì)對(duì)無線光信號(hào)產(chǎn)生衰減。礦井下照明設(shè)施通常為發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)，且為防爆燈，這樣避免了礦井下發(fā)生安全事故損害設(shè)備照明，同時(shí)還為無線光通信提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 礦井下無線光通信

1.1 礦井空間無線光通信信道

礦井下，無線光通信可對(duì)礦工實(shí)現(xiàn)必要對(duì)話通信和實(shí)時(shí)定位信息傳遞。礦井無線光通信可借助于礦工安全帽的照明燈，完成礦工與礦井通信網(wǎng)絡(luò)的信息交互。圖1所示為礦井下無線光LOS和NLOS通信。LOS通信存在于礦工間和礦燈與礦工間通信，而NLOS通信存在于礦燈發(fā)射的無線光束被礦壁面和采礦機(jī)器衍射后，被礦工安全帽中無線光通信裝置接收的通信鏈路[11-12]。無論礦井巷道還是工作面上，無線光通信信號(hào)不斷受到礦井空間物質(zhì)衰減影響。因此，在礦井無線光通信中提前評(píng)估信道模型可保證無線光通信質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，一個(gè)礦井無線光路損通信模型被提出，該模型不僅考慮了LOS和NLOS通信，而且考慮了不同無線光收發(fā)器數(shù)量下的通信[13]。仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明，NLOS通信的路損指數(shù)都大于LOS通信。

1.2 礦井空間無線光通信陰影效應(yīng)

礦井下空間昏暗，光源通常安裝在礦井天花板或礦壁上。同時(shí)為保證一定照明，光源安裝高度通常高于人的高度。礦井光源被認(rèn)為是一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，礦工或采礦機(jī)器可看作一個(gè)圓柱體。礦井無線光通信時(shí)，由于光束LOS傳播特性，光源發(fā)出兩束光束線相切于圓柱體邊線，會(huì)在圓柱體后方形成一個(gè)陰影區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，無線光無法覆蓋礦井通信，后方礦工或采礦機(jī)器無法接收到無線光信號(hào)。室內(nèi)場(chǎng)景下，同一光源下不同位置的人在光源覆蓋下會(huì)形成不同大小的陰影區(qū)域，如圖2(a)所示[14]。礦井下作業(yè)在狹窄區(qū)域，無線光通信時(shí)陰影效應(yīng)更加明顯。陰影區(qū)域下的礦工無法進(jìn)行通信，也無法實(shí)時(shí)傳遞位置信息。為計(jì)算無線光陰影效應(yīng)形成的陰影區(qū)域，一個(gè)陰影計(jì)算方案被提出[14]。該方案將光束與圓柱體兩條切線連接形成的區(qū)域通過光源與圓柱中心連線劃分為兩部分區(qū)域。不同區(qū)域下無線光功率衰減不同，礦井下無線光通信可通過此方法實(shí)現(xiàn)合理劃分光源分布，最大化減少陰影效應(yīng)，從而在礦井無線光通信時(shí)降低陰影效應(yīng)影響。相似地，多個(gè)光源下會(huì)形成多個(gè)陰影區(qū)域，如圖2(b)[15]所示。

圖2 無線光陰影效應(yīng)

礦井下，照明光源排列緊密以確保礦燈下的陰影區(qū)域重疊。因此優(yōu)化無線光通信陰影效應(yīng)非常必要，礦井通信質(zhì)量也能得到保證。礦井下無線光通信考慮陰影效應(yīng)，同樣可簡(jiǎn)化通信模型將人作為一個(gè)圓柱體。圓柱體的兩側(cè)邊緣使得無線光光束衍射，該衍射效應(yīng)為雙峰高斯效應(yīng)[11]。

2 礦井空間無線光通信方案

5G技術(shù)快速發(fā)展，智慧礦井應(yīng)用隨之發(fā)展迅速。中國移動(dòng)山西公司、陽泉煤業(yè)集團(tuán)和華為公司共同建設(shè)了井下5G基站，實(shí)現(xiàn)了礦井主巷道和運(yùn)輸巷道5G信號(hào)覆蓋[16]。礦井下全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)信號(hào)無法覆蓋，并且存在電磁和多徑干擾，山西移動(dòng)5G聯(lián)創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室自主創(chuàng)新研發(fā)了礦井專用天線，5G基站可覆蓋礦井下400 m以上范圍，且上行和下行速率分別可達(dá)800和70 Mbit/s。上述5G智能通信系統(tǒng)可滿足礦工通信。智慧礦井平臺(tái)還包括智能遠(yuǎn)程遙控和智能開采等技術(shù)。山東黃金礦業(yè)(萊西)公司、中國移動(dòng)公司和華為公司共同建設(shè)了5G無人化智慧礦井，實(shí)現(xiàn)了礦井下5G+無人駕駛[17]；萊西公司實(shí)現(xiàn)了5G基站網(wǎng)絡(luò)與無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，5G基站可覆蓋500 m礦井范圍，下行和上行速率分別可達(dá)800和100 Mbit/s。

礦井環(huán)境特殊，巷道復(fù)雜多變，尤其當(dāng)?shù)V井事故發(fā)生后，礦井結(jié)構(gòu)并不能保持原狀。這時(shí)，原有通信鏈路會(huì)遭到破壞，不僅事故區(qū)域通信會(huì)中斷，下方區(qū)域同樣可能無法建立連接，更無法監(jiān)測(cè)礦井下具體情況，地面救援部隊(duì)無法展開有效救援。礦井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)射頻通信信號(hào)因持續(xù)衰減而無法到達(dá)接收端，而無線光通信同樣會(huì)面臨衰減問題，因此中繼方案可應(yīng)用到礦井無線光通信中。該方案可實(shí)現(xiàn)礦井下長距離通信，將礦井下信息傳遞到地面。

無線光中繼技術(shù)能夠優(yōu)化因通信場(chǎng)景復(fù)雜而導(dǎo)致信號(hào)衰減的問題，無線光信號(hào)更是適用于礦井危險(xiǎn)場(chǎng)景下通信。如圖3所示，一個(gè)礦井多波長無線光中繼通信方案被提出，其可實(shí)現(xiàn)礦井下緊急通信[18]。如圖所示，礦井下分布有紅外光、紫外光和中繼通信設(shè)備，礦井地面上有指揮調(diào)度設(shè)備，它們之間采用無線光進(jìn)行通信。該方案中采用兩種無線光：紅外光和紫外光。在礦井巷道干路，紅外光實(shí)現(xiàn)信息短距離傳輸；紫外光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。礦井中繼端接收紅外光信號(hào)并發(fā)射紫外光信號(hào)實(shí)現(xiàn)中繼。中繼端通過無線光中繼轉(zhuǎn)發(fā)，將礦井巷道和工作面相關(guān)信息回傳到地面設(shè)備。為避免更高的通信成本，可將射頻信號(hào)和無線光以混合方式形成混合通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井下通信。

圖3 礦井多波長無線光中繼通信方案

圖4所示為一種礦井無線光混合中繼通信方案，礦井隧道同樣可以采用該通信方案實(shí)現(xiàn)地面-礦井通信[19]。無線光信號(hào)用于傳遞礦井電力網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)信息，射頻信號(hào)用于將監(jiān)測(cè)信息傳遞到地表甚至衛(wèi)星。相位測(cè)量單元(Phase Measuring Unit，PMU)用于測(cè)量電力網(wǎng)絡(luò)振蕩引起的電相位變化，以提升電能系統(tǒng)(Electric Power System，EPS)的可觀測(cè)性。同時(shí)，還為PMU提供協(xié)調(diào)世界時(shí)(Coordinated Universal Time, UTC)，利用礦燈位置信息提供定位信息。而超小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)用來防止地震等摧毀通信設(shè)備而無法傳輸信號(hào)。這一通信方案中，無線光下行信號(hào)將位置和UTC信息傳遞給PMU裝置，射頻上行信號(hào)將監(jiān)測(cè)和位置信息傳遞給VSAT裝置。由于無線光耗能低、帶寬高且具有指向性，所以無線光通信技術(shù)可應(yīng)用于礦井無人機(jī)通信[20]。

圖4 礦井無線光混合中繼通信方案

發(fā)生災(zāi)難時(shí)，通常是機(jī)器人取代人員進(jìn)行救援。當(dāng)?shù)V井發(fā)生塌方凹陷機(jī)器人無法通過區(qū)域時(shí)，無法獲得礦井下信息。而且長距離通信，控制信號(hào)無法準(zhǔn)確到達(dá)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。礦井無人機(jī)無線光通信可較好地處理上述問題，現(xiàn)有難點(diǎn)為需考慮續(xù)航、定位精準(zhǔn)度和高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}[21]。

3 礦井空間無線光定位

GPS信號(hào)無法穿透礦井地下區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定位，基于RFID和ZigBee等射頻信號(hào)的定位技術(shù)易受到電磁干擾而無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，而且這些射頻通信設(shè)備易遭受礦井環(huán)境腐蝕如高溫和水蒸氣等。礦井下現(xiàn)存的燈具，包括礦壁燈和礦工安全帽燈等，可為無線光通信提供基礎(chǔ)設(shè)備。這些設(shè)備耐腐蝕和低耗，且礦燈位置通常固定，因此可通過礦燈已知位置計(jì)算出礦工位置。同樣地，礦井無線光定位設(shè)備也需要合理安放在礦井彎曲復(fù)雜環(huán)境中。

礦井地下結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，且隨著礦物不斷開采，礦井結(jié)構(gòu)也相繼發(fā)生變化。尤其在發(fā)生礦井事故時(shí)，礦井結(jié)構(gòu)發(fā)生變化更是無法對(duì)礦工實(shí)現(xiàn)定位救援。因此，礦井隧道建模非常有必要。三維激光掃描系統(tǒng)可用于進(jìn)行軌道隧道結(jié)構(gòu)建模，其同樣適用于礦井隧道建模[22]。這一掃描系統(tǒng)主要由圓形激光器和攝像機(jī)組成，其通過對(duì)隧道表面進(jìn)行掃描來獲取數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。通過獲取的數(shù)學(xué)模型可檢測(cè)出隧道變形區(qū)域，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了礦井隧道安全檢測(cè)。而根據(jù)該模型可詳細(xì)繪制出整個(gè)礦井隧道結(jié)構(gòu)圖，為礦工和采礦機(jī)器提供定位依據(jù)。但因礦井環(huán)境特殊，需考慮激光掃描安全問題，防止礦井安全事故發(fā)生。

礦燈通常為LED照明設(shè)備，具有壽命高、能效高和電壓低等特點(diǎn)，因此非常適合作為礦井無線光通信設(shè)備。礦燈位置固定，因此位置信息可提供給礦工或礦車，作為計(jì)算自身位置的參考信息。礦井下精準(zhǔn)定位為研究難點(diǎn)，基于礦燈的三邊測(cè)量無線光定位方案被提出[23]。如圖5(a)所示，根據(jù)三邊測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)礦工和礦車的定位。該方案根據(jù)3個(gè)礦燈的位置信息計(jì)算出礦工和礦車位置。礦燈位置信息通過無線光發(fā)送到礦工和礦車接收裝置，并且將自身位置反饋給礦燈上的接收裝置，實(shí)現(xiàn)礦井下的定位功能。 但礦井下，礦燈排列需要滿足照明需求，不可全部按照三角排列方式安放礦燈，因此該方案適用范圍較小。小區(qū)識(shí)別號(hào)(Identity Document，ID)技術(shù)常用于定位系統(tǒng)，但通信小區(qū)的大小和密度會(huì)影響定位精準(zhǔn)度。礦井定位小區(qū)ID方法同樣可用于無線光中，同樣需要考慮精準(zhǔn)度問題。一個(gè)基于小區(qū)ID自適應(yīng)無線光定位方法被應(yīng)用于礦井，通過控制LED發(fā)送自身位置實(shí)現(xiàn)定位，如圖5(b)所示[24]。該定位方法同時(shí)考慮了通信小區(qū)有和無重疊覆蓋兩種情況，并可計(jì)算兩種情況的最大計(jì)算誤差。礦井礦燈光束覆蓋為無重疊覆蓋情況下，礦車等定位可采用低精度定位方式，通信小區(qū)定位信息覆蓋可按間隔方式發(fā)送，其他LED僅為照明功能。礦工等定位為高精度定位，全部LED發(fā)送定位信息且控制通信小區(qū)重疊區(qū)域，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)定位?；诘V井無線光三邊測(cè)量定位方法，一種無線光三維三邊測(cè)量礦井定位系統(tǒng)被提出[25]。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由3層組成：接入層、分布層和核心網(wǎng)絡(luò)層，定位監(jiān)控中心位于核心網(wǎng)絡(luò)層。此礦井無線光定位系統(tǒng)可計(jì)算出礦井光源和接收端距離，實(shí)現(xiàn)礦井下無線光三維定位。礦工實(shí)時(shí)定位能保證礦工安全，礦井無線光定位還需要考慮其他光源干擾和精確度等問題。因?yàn)閷?shí)際礦井環(huán)境更加復(fù)雜，華策光通信公司進(jìn)行了工業(yè)井下巷道無線光人員定位系統(tǒng)測(cè)試[26]。該無線光定位系統(tǒng)將無線光通信裝置與礦燈結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了礦井人員的定位。將礦井下的巷道燈位置信息作為定位坐標(biāo)，礦工佩戴的無線光礦燈為接收和反饋?zhàn)鴺?biāo)消息裝置。該無線光定位系統(tǒng)下，定位精度可達(dá)10 m，且可通過礦井下光纖網(wǎng)絡(luò)將定位信息傳遞至地面礦井信息管理分析系統(tǒng)。

圖5 礦井無線光定位

4 礦井空間無線光傳感

地下礦井巷道總長可達(dá)幾千米，為了方便煤礦的開采和運(yùn)輸，礦井巷道呈樹狀交叉分散在地下。然而礦井環(huán)境為高危場(chǎng)所，礦物開采會(huì)帶來一系列不可估量的危險(xiǎn)。礦物挖掘常伴隨氣體和粉塵等物質(zhì)產(chǎn)生。礦井開采氣體泄露，包括無毒易爆氣體、劇毒氣體和水蒸氣等其他雜質(zhì)，礦物粉塵更是會(huì)遍布礦井。并且礦井為封閉空間，高壓高溫環(huán)境更是對(duì)礦工和采礦機(jī)器的安全損害嚴(yán)重。因此，監(jiān)控礦井環(huán)境信息非常重要，同時(shí)還要將這些信息傳遞到地面監(jiān)控中心。但這些礦井監(jiān)控信息的傳感，需要面對(duì)礦井復(fù)雜環(huán)境下傳感和通信這兩個(gè)共同難點(diǎn)。

4.1 礦井空間射頻傳感

傳統(tǒng)礦井傳感技術(shù)可利用RFID、藍(lán)牙和ZigBee通信傳遞傳感節(jié)點(diǎn)信息。射頻傳感技術(shù)具有快速安裝、自組織和動(dòng)態(tài)協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，并且無線傳感節(jié)點(diǎn)很小，容易安裝在礦井中[27-28]。礦井無線傳感技術(shù)使得礦工安全和采礦產(chǎn)量進(jìn)一步得到保證，其雖可應(yīng)用于礦井，但也存在許多缺陷。首先要考慮傳感節(jié)點(diǎn)的安全問題，高溫高壓和水蒸氣容易對(duì)節(jié)點(diǎn)傳感器造成腐蝕。同時(shí)需要考慮供能問題，以實(shí)現(xiàn)礦井安全的長時(shí)間監(jiān)控。而且射頻信號(hào)衰減嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)長距離信息傳遞，礦井傳感信息無法傳遞到地面。雖然無線傳感的組網(wǎng)方式可實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，但組網(wǎng)方式存在系統(tǒng)延遲嚴(yán)重和動(dòng)態(tài)協(xié)議選擇等問題，并且在礦難事故發(fā)生后，傳感節(jié)點(diǎn)被破壞，監(jiān)控信息無法傳遞到地面監(jiān)控中心。礦井巷道不規(guī)則，傳感節(jié)點(diǎn)分布同樣需要進(jìn)行設(shè)計(jì)才能合理監(jiān)控。

面對(duì)傳統(tǒng)射頻傳感技術(shù)存在的延遲高和通信速率低等問題，一種礦井5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被提出[29]。該礦井5G網(wǎng)絡(luò)基于非獨(dú)立組網(wǎng)方式構(gòu)成，可結(jié)合礦井4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音、調(diào)度、巡檢機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和無人車輛駕駛等智能應(yīng)用。并探討了礦井5G網(wǎng)絡(luò)下的3種組網(wǎng)方式，包括光纖直連、無源波分復(fù)用和有源光傳送網(wǎng)方案?；?G環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控。

4.2 礦井空間無線光傳感

無線傳感節(jié)點(diǎn)通常需要固定，易受礦井環(huán)境結(jié)構(gòu)變化影響。而射頻信號(hào)在礦井下存在帶寬不足和衰減嚴(yán)重等問題，可與無線光技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感信息監(jiān)控。一個(gè)基于光決策機(jī)制的人類安全管理算法被提出，可利用傳感器傳感信息監(jiān)控和預(yù)測(cè)礦井下安全[4]。采礦作業(yè)時(shí)，無線光信號(hào)傳遞多個(gè)傳感器監(jiān)控信息至遠(yuǎn)程控制中心。該算法在采礦過程中根據(jù)傳感器回傳信息通過云計(jì)算評(píng)估礦井安全情況。但這類無線光傳感方法只可測(cè)量某固定區(qū)域狀態(tài)，當(dāng)這一傳感節(jié)點(diǎn)損耗就無法繼續(xù)監(jiān)控傳感。因此，可將機(jī)器人與無線光傳感技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)巡檢監(jiān)測(cè)傳感礦井安全信息。

為實(shí)現(xiàn)礦井下傳感信息的移動(dòng)監(jiān)測(cè)，一種與RFID和無線光測(cè)距技術(shù)結(jié)合的礦井機(jī)器人被應(yīng)用于礦井下[30]，該機(jī)器人搭載個(gè)人電腦(Person Computer, PC)終端記錄傳感測(cè)距數(shù)據(jù)。如圖6(a)所示，RFID實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)識(shí)別，無線光測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。機(jī)器人還可搭載其他傳感器，實(shí)現(xiàn)多傳感信息監(jiān)控，如溫度、壓強(qiáng)和氣體等。礦井環(huán)境復(fù)雜多變，不僅會(huì)出現(xiàn)凹凸不平地面，而且涌水時(shí)會(huì)出現(xiàn)水坑，傳統(tǒng)機(jī)器人無法通過涉水區(qū)域。一種水陸兩用傳感機(jī)器人被應(yīng)用于礦井下實(shí)現(xiàn)傳感信息的監(jiān)控和之后的信息地面?zhèn)鬟f，如圖6(b)[31]所示。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)事故區(qū)域探測(cè)，避免救援人員受到傷害。

圖6 礦井傳感[30-31]

5 智慧礦井無線光技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

礦井礦物通常處于地底深處，為保證礦工正常工作環(huán)境，照明設(shè)施需排列緊密提供照明強(qiáng)度。但無線光提供覆蓋通信時(shí)必需考慮干擾問題。不同通信小區(qū)間的干擾導(dǎo)致通信質(zhì)量太差，無法保證基本通信。因此，可借鑒5G通信多天線設(shè)計(jì)，天線具有指向性。礦井照明燈具中LED子陣列光束具有指向性，使得通信小區(qū)呈現(xiàn)蜂窩式覆蓋。相鄰?fù)ㄐ判^(qū)為規(guī)律分布，指向光束僅覆蓋固定區(qū)域，而不像傳統(tǒng)朗伯光束向下覆蓋時(shí)存在邊緣弱和干擾等問題。

礦物開采和運(yùn)輸?shù)降孛鏁r(shí)，粉塵漂浮在空氣中，不僅危害了礦工和機(jī)器安全，而且無線光在提供通信時(shí)，粉塵容易附著在燈具表面。隨著時(shí)間加長，粉塵容易遮擋住光束發(fā)散，光束光功率大幅度衰減。可采用大功率LED應(yīng)對(duì)衰減問題，但此時(shí)需考慮供能和安全問題。因不同波長的光束衰減不同，可采用紅、綠和藍(lán)3色光進(jìn)行通信覆蓋。

礦井巷道歪曲復(fù)雜，而無線光存在LOS傳播特性。采用紫外光作為中繼方式時(shí)，首先由于多徑效應(yīng)信號(hào)衰減嚴(yán)重，再還需考慮燈光對(duì)人眼的傷害。為應(yīng)對(duì)巷道口信號(hào)中轉(zhuǎn)問題，可利用逆反射器技術(shù)對(duì)無線光信號(hào)進(jìn)行中繼傳輸。巷道深處安放逆反射器，交叉路口的中繼站將不含信息的無線光發(fā)射到逆反射器上。逆反射器裝置將需傳遞的信息如位置信息等加載到接收光束上，再通過逆反射器將光束反射回中繼站，實(shí)現(xiàn)礦井通信中繼。

礦車發(fā)生的安全事故也不少見，如何實(shí)現(xiàn)礦車實(shí)時(shí)定位和防碰撞極為重要。因礦燈的位置是固定在礦井壁上的，因此可通過礦井無線光技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位。礦車上可同時(shí)安裝無線光發(fā)射接收裝置接收礦燈發(fā)射無線光的位置信息，并通過接收功率計(jì)算出自身位置，然后將自身位置信息發(fā)送給安裝在礦壁上的接收裝置，向地面?zhèn)鬟f礦車位置信息。同樣地，前后礦車可通過安裝無線光通信裝置實(shí)現(xiàn)礦車間通信，根據(jù)位置信息判斷安全距離，實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。