可見光通信在中國煤礦安全生產(chǎn)行業(yè)應用設(shè)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(chǎn)行業(yè)應用設(shè)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(jīng)濟發(fā)展不可缺少的重要部分。我國經(jīng)濟發(fā)展的階段性、區(qū)域經(jīng)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(chǎn)的頭等大事，對煤炭生產(chǎn)起著保證、支撐和推動作用。近年，盡管我國煤炭生產(chǎn)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(chǎn)量約占全球的37%，事故死亡人數(shù)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(shù)被迅速應用到煤礦安全生產(chǎn)行業(yè)領(lǐng)域，已取得一定的經(jīng)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(jiān)控系統(tǒng)并在煤礦行業(yè)中大量使用。隨著國內(nèi)信息領(lǐng)域的快速發(fā)展，國內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家相繼推出各類煤礦井下信息系統(tǒng)。多年應用情況表明，上述安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)和管理方法發(fā)揮了重要作用。

可見光通信解決煤礦井下信息系統(tǒng)難題

從目前煤礦井下信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢分析，主要體現(xiàn)在以下方面：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由有線架構(gòu)向有線/無線架構(gòu)演進；傳輸速率由窄帶低速率向?qū)拵Ц咚俾蔬f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(tǒng)由相對獨立向深度融合發(fā)展。依據(jù)這一技術(shù)總體發(fā)展趨勢，目前煤礦井下信息系統(tǒng)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(tǒng)功能與性能的瓶頸。無線通信是解決礦下信息系統(tǒng)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(tǒng)功能與性能的瓶頸。

隨著礦下業(yè)務(wù)類型的多樣化，無線方式支持的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)的支持。例如，利用無線方式回傳視頻業(yè)務(wù)，布設(shè)靈活快捷，特別是在搶險救災時可發(fā)揮重要作用。目前，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率已達到百兆至千兆量級，而由于受現(xiàn)有無線通信技術(shù)制約，同時需要綜合考慮產(chǎn)品成本控制、小型化/低功耗設(shè)計等要求，無線通信速率相對較低。例如，采用RFID技術(shù)可實現(xiàn)10K量級的傳輸速率，采用傳統(tǒng)窄帶調(diào)制方式可實現(xiàn)100K量級傳輸速率，采用寬帶擴頻調(diào)制方式可實現(xiàn)Mbps量級的傳輸速率，采用WiFi技術(shù)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(tǒng)對目標監(jiān)測的現(xiàn)實需求。移動目標定位與跟蹤是礦下信息系統(tǒng)的重要功能，目前各類定位跟蹤系統(tǒng)主要采用基于RFID的技術(shù)解決方案。由于RFID有效識別范圍受限，布設(shè)需要依托有線網(wǎng)絡(luò)，因此難以實現(xiàn)全區(qū)域布設(shè)與覆蓋，從而出現(xiàn)定位盲區(qū)。

從RFID的工作機理來看，其定位采用發(fā)現(xiàn)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(tǒng)采用無線多點定位方式。但受礦下復雜地形及電磁環(huán)境影響，導致無線信號出現(xiàn)嚴重的反射、繞射、遮蔽、干擾等現(xiàn)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(wěn)健性降低。此外，這種多點定位方式需要布設(shè)較多的無線定位節(jié)點，因此成本控制、節(jié)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(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦途G色信息技術(shù)。在不影響正常照明前提下，該項技術(shù)可使照明設(shè)備具備“無線路由器”、“通信基站”、“網(wǎng)絡(luò)接入點”甚至“GPS衛(wèi)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(nèi)燈和140億室外燈組成的照明網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)以及可見光定向輻射特點，可實現(xiàn)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(jié)能經(jīng)濟，借助高效節(jié)能的LED燈具實現(xiàn)“照中通”，幾乎零耗電；可靠兼容，開辟嶄新頻譜資源，兼容現(xiàn)有電子設(shè)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(shù)特點，通過在現(xiàn)有煤礦井下綜合信息系統(tǒng)中引入這一新型綠色信息技術(shù)，可為上述兩個突出問題提供一種嶄新的技術(shù)解決方案。

可見光通信保障煤礦井下安全生產(chǎn)

可見光通信是解決“無線不寬帶”的有效途徑?？梢姽庾V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(tǒng)已實現(xiàn)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(tǒng)提供一種高速無線通信方式，從而實現(xiàn)無線與有線網(wǎng)絡(luò)在速率上的匹配。在速率匹配的基礎(chǔ)上，可見光通信與傳統(tǒng)無線電通信相比，在煤礦礦下信息系統(tǒng)的應用中還具有以下突出優(yōu)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(tǒng)的無線電通信相比存在不足。但考慮到礦下對照明網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(huán)境影響，也難以做到全區(qū)域覆蓋。

二、從成本控制角度考量，無線電通信覆蓋需要布設(shè)大量的節(jié)點，而可見光通信借助LED燈具實現(xiàn)，不存在節(jié)點布設(shè)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(wǎng)絡(luò)，可進一步降低系統(tǒng)布設(shè)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(jié)點的小型化、低成本設(shè)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(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾外，還需要考慮對其它電子設(shè)備的電磁干擾問題?？梢姽馔ㄐ爬每梢姽忸l段進行無線通信，很好地解決了這一問題，因此與現(xiàn)有礦下電子設(shè)備共存性良好。

可見光定位是解決“定位不準確”的有效方法?？梢姽馔ㄐ啪哂卸ㄏ蜉椛?、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(huán)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(jiān)控提供一種高精度的監(jiān)測方案。例如，在某些易出現(xiàn)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(jiān)控區(qū)域地形地貌的細微變化，可為安全生產(chǎn)提供精細化數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)的無線電定位，無論是在定位精度、布設(shè)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(guān)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(yōu)于測距無關(guān)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(xiàn)測距的定位方法具有實現(xiàn)復雜度高、NLOS抑制困難等問題， AOA等通過測角來實現(xiàn)測距的定位方法同樣存在實現(xiàn)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(huán)境中的應用受到限制。RSSI定位方法利用接收信號強度實現(xiàn)對距離的估計，具有對移動節(jié)點硬件要求低、無需復雜的處理算法、可有效降低節(jié)點功耗等特點，可作為礦下無線多點定位的有效方法?？梢姽馔ㄐ挪捎脧姸日{(diào)制、能量接收方式，與RSSI定位方法天然結(jié)合，因此相比于基于RSSI的無線電定位而言更具優(yōu)勢。

引入可見光通信技術(shù)的煤礦井下綜合信息系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)合，采用互聯(lián)網(wǎng)乃至電信網(wǎng)的核心標準構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備泛在覆蓋、寬帶高速、安全兼容、靈活拓展、節(jié)能經(jīng)濟等突出優(yōu)點，實現(xiàn)語音實時通信、人員定位導航、高清視頻監(jiān)視、設(shè)備遠程控制、疏散警報等語音泛在播報、危機警報、傳感數(shù)據(jù)、人員位置等信息即時回傳等功能，為煤礦安全監(jiān)控、人員精確管理、設(shè)備自動控制、突發(fā)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(wǎng)絡(luò)平臺。

圖1