煤礦井下超寬帶信號路徑損耗測量與分析

竇學麗， 牛永剛， 殷鵬， 李京生， 欒良良， 藍祥

(北京永安信通科技有限公司， 北京 100089)

0 引言

井下動目標精確定位是煤礦安全高效生產(chǎn)的重要保障。通過目標位置信息，呈現(xiàn)井下生產(chǎn)運行情況，從而合理調(diào)配井下資源，有效應對突發(fā)險情[1]。出于安全方面的考慮，井下動目標精確定位主要采用無線通信的定位方法[2]。超寬帶(Ultra Wide Band，UWB )通信是一門新興無線通信技術(shù)，具有抗多徑能力強、系統(tǒng)復雜性低等特點，可實現(xiàn)厘米級高精度定位，在礦井無線定位領域有良好的應用前景[3]。

目前，基于UWB技術(shù)的礦井人員、車輛精確定位系統(tǒng)已在少數(shù)煤礦實現(xiàn)業(yè)務化運行，正在進入推廣階段。對UWB信號井下路徑損耗特征等方面的研究可為UWB精確定位系統(tǒng)推廣提供基礎技術(shù)支持。UWB信號的路徑損耗特征是由隨距離變化的平均路徑損耗和因障礙物遮蔽產(chǎn)生的陰影衰落2個部分組成[4]。平均路徑損耗是指有效接收信號功率較發(fā)射信號功率的衰減值，是評估無線定位系統(tǒng)覆蓋范圍的重要參數(shù)[5]。陰影衰落是指在實際環(huán)境中，由于障礙物與復雜地形等因素的影響，2個不同位置的點即使與發(fā)送端的距離相同，接收到的信號強度也可能不同[6]。

通過查閱大量參考文獻，發(fā)現(xiàn)目前UWB信號井下路徑損耗特征的研究主要采用理論建模與仿真實驗手段[7-9]，對井下UWB信號的實際測量研究較少。針對上述問題，本文對山西潞安集團高河煤礦礦井架空乘人裝置(猴車)運行巷道和掘進工作面2種典型場景下的UWB信號進行路徑損耗測量與分析，所得結(jié)果可用于指導礦井UWB精確定位系統(tǒng)部署方案設計。

1 工程背景

山西潞安集團高河煤礦地處山西省長治市長治縣，于2012年6月正式投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力為600萬t/a。礦井屬高瓦斯礦井，全井田布置一個開采水平(+450 m)，現(xiàn)采3號煤層，井筒數(shù)量有7個，采用立井開拓方式、傾斜長壁全部垮落一次采全高的采煤方法，采用錨索、錨桿、鋼帶、金屬網(wǎng)(或塑料網(wǎng))聯(lián)合支護。

高河煤礦是國內(nèi)首個UWB精確定位系統(tǒng)業(yè)務化落地的礦井[10]，目前正在進行精確定位系統(tǒng)全礦覆蓋建設。本文選取在礦井中巷道尺寸、巷道墻壁材質(zhì)、管道設施等環(huán)境條件比較普遍的架空乘人裝置(猴車)運行巷道及環(huán)境惡劣、煤塵濃度高、地面積水嚴重的掘進工作面2個典型場景對UWB信號進行路徑損耗測量與分析，以便確定類似巷道的定位基站部署方案。

2 路徑損耗測量與分析

煤礦井下所采用的UWB精確定位系統(tǒng)主要由定位基站和定位標識卡組成。定位基站通常安裝在巷道頂部或巷幫上，通過光纖或其他網(wǎng)絡線纜接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)。在定位系統(tǒng)中預先設置好絕對坐標系下的定位基站物理坐標。定位基站外接天線，發(fā)射固定功率的UWB信號，與佩戴在人員身上或安裝在車輛上的定位標識卡通信，通過信號到達時間估計、到達時間差估計、到達角度估計等定位方法來確定移動目標的位置信息。

通過礦用本質(zhì)安全型定位基站和車輛定位標識卡及相應的固定支撐器材，在2條巷道內(nèi)分別進行2組UWB信號路徑損耗測量，一組定位基站安裝在巷道頂部，另外一組定位基站安裝在巷幫上。測量過程如下：

(1) 在地面利用UWB精確定位系統(tǒng)管理軟件配置好測量用基站的IP地址和車輛標識卡卡號。

(2) 選定井下測試起點。將測量用基站與車輛標識卡接各自適配電源，并分別固定到相應支撐器材上，調(diào)整支撐器材水平。

(3) 利用RS485通信線纜連接測量用基站與定位基站，開啟測量用基站。

(4) 將測量用基站天線固定到頂部或巷幫的測試位置上。

(5) 移動車輛標識卡，將高度調(diào)節(jié)到合適位置。

(6) 用激光測距儀測量車輛標識卡天線與測量用基站天線之間的距離。

(7) 距離固定后，車輛標識卡天線在此點和以此點為中心的同一水平面內(nèi)5 cm邊長的正方形4個頂點上進行5次采樣[11-12]。車輛標識卡與測量用基站1 s通信1次，每個采樣點車輛標識卡固定1 min，以獲得穩(wěn)定讀數(shù)。

(8) 移動車輛標識卡遠離測量用基站，重復步驟(6)和步驟(7)。

(9) 測量數(shù)據(jù)通過業(yè)務化運行的定位系統(tǒng)上傳至地面服務器，測量完畢后從服務器下載數(shù)據(jù)到本地進行分析。

利用路徑損耗模型[13-15]對測試數(shù)據(jù)進行擬合。

(1)

式中：L(d)為距離d處的路徑損耗，dB；d為測試點位與測量用基站之間的距離,m；d0為參考距離,m；γ為路徑損耗指數(shù)；X為陰影衰落項。

采用對數(shù)正態(tài)陰影模型，X服從均值為0，標準差為σ的正態(tài)分布。發(fā)射信號強度T(dB·m)與接收信號強度R(dB·m)的關(guān)系為

R=T-L

(2)

假設T恒定，有

(3)

記錄d和R的數(shù)據(jù)，代入式(3)，即可得到γ。

2.1 猴車運行巷道測試

猴車運行巷道如圖1所示。測試點位起點在南翼猴車運行巷道第15架處，巷道寬為5.5 m，高為5 m。巷道頂部有管道及猴車支架，整個巷道為水泥墻面，測試期間猴車停運。巷道平坦，基本無煤塵。巷道前120 m為視線傳輸(Line of Sight，LOS)環(huán)境，120 m處開始，巷道有下坡，130 m處為非視線傳輸(Not Line of Sight，NLOS)環(huán)境。

圖1 猴車運行巷道Fig.1 Monkey car running roadway

定位基站安裝在巷幫時，基站天線距地面高度為2 m，車輛標識卡測量距離為1～130 m。定位基站安裝在巷道頂部時，基站天線距頂板高度為1.3 m，車輛標識卡測量距離為2～120 m。測量過程中車輛標識卡高度始終固定為1.5 m，且車輛標識卡測量點位與定位基站的距離選擇并不完全相同。一方面可通過測量距離相同的點進行測量結(jié)果的相互驗證，另一方面因猴車停運時間有限，可實現(xiàn)相同測量次數(shù)下對更多的距離進行采樣。猴車運行巷道測量結(jié)果如圖2所示。圖中顯示在相同距離處2種方式得到的接收信號強度相差不大，相互驗證可知測量結(jié)果較為可信。

圖2 猴車運行巷道測量結(jié)果Fig.2 Measurement results of monkey car running roadway

圖3 猴車運行巷道路徑損耗擬合模型Fig.3 Path loss fitting model of monkey car running roadway

對于陰影衰落，正態(tài)分布擬合后標準差結(jié)果為1.75，猴車運行巷道陰影衰落如圖4所示，經(jīng)驗分布與正態(tài)分布擬合度較好。

圖4 猴車運行巷道陰影衰落Fig.4 Shadow decline of monkey car running roadway

2.2 掘進工作面測試

掘進工作面如圖5所示。測試點位起點在E2311掘進工作面運輸膠帶329架處，巷道寬為5.5 m，高為4 m。掘進機在329架前方約220 m處，測試期間掘進機處于停機狀態(tài)。掘進巷道四周都是煤壁，用鐵絲網(wǎng)保護，運輸膠帶在面向掘進工作面左側(cè)、巷道頂部中間位置、巷幫上部均有各類管道且堆放著設備。巷道略有起伏，地面有積水，煤塵飛揚。巷道前200 m為LOS環(huán)境，但從180 m處開始，巷道略有下坡；210 m處時巷道內(nèi)設備較多，可視為NLOS環(huán)境。

圖5 掘進工作面Fig.5 Heading face

定位基站安裝在巷幫時，基站天線高度為2 m，車輛標識卡測量距離為1～190 m。定位基站安裝在巷道頂部時，基站天線距頂板1 m，車輛標識卡測量距離為3～210 m。測量過程中車輛標識卡高度始終固定為1.5 m。

掘進工作面測量結(jié)果如圖6所示。圖中顯示在相同距離處2種方式得到的接收信號強度相差不大，相互驗證可知測量結(jié)果較為可信。從圖6可看出，210 m NLOS環(huán)境測量點位的路徑損失與LOS環(huán)境測量點位比相對較大，因此，NLOS環(huán)境的巷道內(nèi)需要部署更密集的定位基站。

圖6 掘進工作面測量結(jié)果Fig.6 Measurement results of heading face

對于陰影衰落，正態(tài)分布擬合后標準差結(jié)果為2.95。掘進工作面陰影衰落如圖8所示。經(jīng)驗分布與正態(tài)分布擬合度較好。

圖7 掘進工作面路徑損耗擬合模型Fig.7 Path loss fitting model of heading face

圖8 掘進工作面陰影衰落Fig.8 Shadow decline of heading face

3 結(jié)論

(1) 2種巷道環(huán)境內(nèi)的UWB信號路徑損耗指數(shù)均小于2，巷道的波導效應導致了UWB信號比自由空間有更好的傳播特性。巷道內(nèi)UWB定位系統(tǒng)的定位基站部署間隔可比地面自由空間傳播場景的定位基站部署間隔更大。

(2) 同一礦井內(nèi)，巷道環(huán)境不同，路徑損耗特征也不一樣。掘進工作面UWB信號路徑損耗指數(shù)、陰影衰落方差均與猴車運行巷道的路徑損耗指數(shù)、陰影衰落方差有較大差異。其他巷道內(nèi)UWB定位系統(tǒng)的定位基站部署間隔可根據(jù)環(huán)境條件參考這2種典型巷道環(huán)境確定。

(3) 從掘進工作面巷道內(nèi)單個測試點位對比看，NLOS環(huán)境比LOS環(huán)境的路徑損耗大。NLOS環(huán)境的巷道內(nèi)需要部署更密集的定位基站。

(4) 測量結(jié)果可用于指導礦井UWB精確定位系統(tǒng)部署方案設計，為UWB精確定位系統(tǒng)推廣提供基礎技術(shù)支持。

參考文獻(References)：

[1] 胡青松,張申,吳立新,等.礦井動目標定位:挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀與趨勢[J]煤炭學報,2016,41(5):1059-1068.

HU Qingsong,ZHANG Shen,WU Lixin,et al.Localization techniques of mobile objects in coal mines:challenges,solutions and trends[J].Journal of China Coal Society,2016,41(5):1059-1068.

[2] 孫繼平.礦井移動通信的現(xiàn)狀及關(guān)鍵科學技術(shù)問題[J].工礦自動化, 2009,35(7):110-114.

SUN Jiping.Present situation and key problems of science and technology of mine mobile communication[J].Industry and Mine Automation,2009,35(7):110-114.

[3] 王洋洋.UWB技術(shù)在煤礦精確定位中的應用[J].煤炭技術(shù),2020,39(5):186-188.

WANG Yangyang.Application of accurate positioning based on ultra-wide band technology in mine[J].Coal Technology,2020,39(5):186-188.

[4] 郭陸巖,莊銘杰.復雜環(huán)境下UWB室內(nèi)定位接收信號的模擬研究[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2020(6):7-13.

GUO Luyan,ZHUANG Mingjie.Research on simulation of UWB positioning received signals in indoor complex environment[J].Modern Computer,2020(6):7-13.

[5] 楊力,方向,劉強,等.地雷場環(huán)境超寬帶信號路徑損耗特性研究[J].兵工學報,2012,33(9):1055-1061.

YANG Li,FANG Xiang,LIU Qiang,et al.Research on UWB signal's path loss characteristic in minefield[J].Acta Armamentarii,2012,33(9):1055-1061.

[6] 粟玉雄,王東.陰影衰落環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡的點覆蓋研究[J].計算機工程與應用, 2011,47(32):112-114.

SU Yuxiong,WANG Dong.Point coverage problem of sensor networks in shadow fading environment[J].Computer Engineering and Applications,2011,47(32):112-114.

[7] 王艷芬,于洪珍,張傳祥.礦井超寬帶復合衰落信道建模及仿真[J].電波科學學報, 2010,25(4):805-812.

WANG Yanfen,YU Hongzhen,ZHANG Chuanxiang.Modeling and simulation of mine ultra-wideband composite fading channel[J].Chinese Journal of Radio Science,2010,25(4):805-812.

[8] 彭麗,孫彥景,錢建生.UWB礦井巷道無線信道模型[J].華中科技大學學報(自然科學版), 2008,36(增刊1):256-259.

PENG Li,SUN Yanjing,QIAN Jiansheng.Wireless channel model of UWB for coal mine tunnels[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology(Nature Science Edition),2008,36(S1):256-259.

[9] 王艷芬,陳穎,孫彥景.礦井UWB路徑損耗模型的構(gòu)建及仿真[J].太原理工大學學報, 2012,43(5):549-552.

WANG Yanfen,CHEN Ying,SUN Yanjing.Construction and simulation of the path loss model for mine UWB[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2012,43(5):549-552.

[10] 劉永升,李一橋.潞安集團高河能源:精準定位促進“三精”管理 助力智能礦山建設[J].中國煤炭工業(yè), 2019(4):30-31.

LIU Yongsheng,LI Yiqiao.Gaohe energy of Lu'an Group: precise positioning, promoting "three refined" management and assisting intelligent mine construction[J].China Coal Industry,2019(4):30-31.

[11] CHEHRI A, FORTIER P, TARDIF P-M.Large-scale fading and time dispersion parameters of UWB channel in underground mines[J]. International Journal of Antennas and Propagation, 2008(1044):264-276.

[12] NKAKANOU B, DELISLE G Y, HAKEM N. Experimental characterization of ultra-wideband channel parameter measurements in an underground mine[J].Journal of Computer Networks and Communications, 2011:1-7.

[13] COULIBALY Y, GILLES D, NADIR H, et al. Experimental characterization of the UWB channel for an underground mining vehicle[C]//7th European Conference on Antennas and Propagation,2013.

[14] MATIN M A, YASMEEN K A, ALI M A M, et al. Statistical model for UWB channel in an industrial environment[C]// International Conference on Microwave & Millimeter Wave Technology, 2008.

[15] CASSIOLI D, DURANTINI A. Measurements, modeling and simulations of the UWB propagation channel based on direct-sequence channel sounding[J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2010, 5(5):513-523.