DDA 技術(shù)在智慧礦山無線通信中的應(yīng)用研究

劉 林，彭慶國，呂 磊，張先勝，胡 強(qiáng)，胡占利，王 躍

（1.安徽知林智能科技有限公司，安徽 合肥 230031；2.中煤智能科技有限公司，安徽 合肥 230021）

0 引 言

受物理空間、成本、維護(hù)等因素制約，智慧礦山必須采用無線通信和光纖環(huán)網(wǎng)相結(jié)合的方式解決傳感器信息傳輸。礦山井下無線通信系統(tǒng)首先應(yīng)滿足傳輸可靠性和安全性高、時(shí)延小、并發(fā)數(shù)量大、性價(jià)比高等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的基本要求，同時(shí)還有以下一些特殊要求。

第一，煤礦井下巷道長(zhǎng)達(dá)10 余千米，巷道中分布有機(jī)電設(shè)備、車輛和工作人員，需無線全覆蓋（深度覆蓋+無線自組網(wǎng)）。

第二，煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體，無線發(fā)射必須保證安全防爆，無線發(fā)射功率受限（發(fā)射功率≤200mW）。

第三，無線工作頻段不宜過高。 礦井無線傳輸衰減大，受巷道斷面、分支、彎曲、支護(hù)、電纜等影響，無線傳輸衰減模型復(fù)雜多變。 由于無線工作頻段越高，傳輸衰減越大，傳輸距離越近，繞射能力越差（工作頻段1GHz 以內(nèi)），因此無線工作頻段不宜過高。

第四，無線傳輸宜具有一定的繞射能力。 采煤工作面布置有大量的液壓支架以及采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、液壓泵站、移動(dòng)變電站等；掘進(jìn)工作面布置有掘錨機(jī)、帶式輸送機(jī)等；巷道中有帶式輸送機(jī)、電機(jī)車、膠輪車、絞車、開關(guān)等。煤礦井下空間狹小、設(shè)備多，難以保證無線視距傳輸，因此無線傳輸宜具有一定的繞射能力。

第五，抗干擾能力強(qiáng)。 煤礦井下大功率電氣設(shè)備啟停、大功率變頻設(shè)備工作時(shí)電磁干擾大，為保證系統(tǒng)正常工作，礦井寬帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力（采用跳頻或擴(kuò)頻技術(shù)抗干擾）。

第六，移動(dòng)性要求不高。 煤礦井下人員及車輛移動(dòng)速度慢，對(duì)無線通信移動(dòng)性要求不高。 《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采用無軌膠輪車運(yùn)人時(shí)運(yùn)行速度不超過25 km/h， 運(yùn)送物料時(shí)運(yùn)行速度不超過40 km/h。

1 智慧礦山無線通信技術(shù)應(yīng)用狀況及存在的問題

近年來， 礦山智能化建設(shè)取得了不俗的成績(jī)，但智能礦山的建設(shè)過程中，目前主要以示范工程項(xiàng)目為主，存在許多懸而未決的技術(shù)問題。 礦山建設(shè)整體上還處于自動(dòng)化向智能化過渡階段，智能化發(fā)展存在的主要問題是：國內(nèi)采礦裝備的技術(shù)水平相對(duì)落后，尤其是其自動(dòng)化及信息化水平尚不能滿足智能開采要求；缺少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的井下綜合通信、定位導(dǎo)航等實(shí)現(xiàn)智能開采的支撐技術(shù)與軟件平臺(tái)。 目前，用于實(shí)時(shí)獲取礦山生產(chǎn)中有用的信息和數(shù)據(jù)以及底層終端數(shù)據(jù)的采集、傳輸采取的技術(shù)方式主要是有線和無線Wi-Fi。 智能礦山建設(shè)在傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸及動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、多傳感器融合方面尚不夠成熟， 或者說尚未取得根本性技術(shù)創(chuàng)新和突破。通過三年多的開發(fā)和試驗(yàn)，我們對(duì)多種無線通信技術(shù)進(jìn)行了研究、測(cè)試和比較，最終選定DDA 技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)智慧礦山的底層無線通信技術(shù)。

2 DDA 技術(shù)在智慧礦山無線通信中的應(yīng)用介紹

2.1 DDA 技術(shù)介紹

DDA（Dynamic crypto Dense cover Ant colony，動(dòng)態(tài)加密空間密集覆蓋蟻群模式） 前身是Spider技術(shù)。 該技術(shù)在通信距離、低成本網(wǎng)絡(luò)覆蓋、低功耗設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、通信可靠性、數(shù)據(jù)安全性、海量終端接入、魯棒性、易用性、自適應(yīng)頻段選擇等多項(xiàng)通信技術(shù)指標(biāo)上， 與其他同類無線通信技術(shù)相比均具有一定的優(yōu)勢(shì)。 DDA 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議屬于5G TSN （5G 時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)） 范疇， 通過OPEN RAN（開放無線接入網(wǎng)）、MEC（邊緣計(jì)算）、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G 融合， 同時(shí)與IEEE 802.11.AH，IEEE 802.15.4 和IETF IPv6 等國際標(biāo)準(zhǔn)兼容且可自主分離。 因此，該協(xié)議非常適用于萬物互聯(lián)時(shí)代多終端、小數(shù)據(jù)量、低功耗、低成本、高可靠性等應(yīng)用場(chǎng)景，如傳感網(wǎng)、設(shè)備控制網(wǎng)、傳感控制混合網(wǎng)等。

動(dòng)態(tài)加密（Dynamic crypto）包含3 層含義：第一，DDA 內(nèi) 嵌 了5 種 對(duì) 稱 加 密 算 法（DES，3DES，AES，SM1 和SM4）、2 種非對(duì)稱加密算法 （RSA 和SM2）和2 種摘要算法（SM3 和SHA-256），加密算法可以根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行信源加密和信道加密；第二，密鑰可動(dòng)態(tài)變換；第三，DDA 的加密系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證、完整性、不可抵賴等多種安全應(yīng)用。空間密集覆蓋（Dense cover）是在保證數(shù)據(jù)可靠性和安全性前提下的全方位覆蓋。蟻群模式（Ant colony）是超低成本、超低功耗、高可靠性、高魯棒性、超強(qiáng)覆蓋、超大連接的形象化表述，單體“螞蟻”成本低、能耗低；“蟻群”可靠性高（完成任務(wù)的可靠性高）、魯棒性高（面對(duì)惡劣環(huán)境以及自身弱點(diǎn)自發(fā)的應(yīng)變能力強(qiáng)）；哪里有“螞蟻”，哪里就有“蟻群”覆蓋，意味著超強(qiáng)覆蓋；每個(gè)“螞蟻”都是終端節(jié)點(diǎn)，“蟻群”的“螞蟻”數(shù)量就是超級(jí)連接數(shù)量。

DDA 技術(shù)是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)窄帶業(yè)務(wù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）可控，可靠性大于99.9%，可以保證國防、工業(yè)、智慧城市等各種應(yīng)用場(chǎng)景需要的無線連接，而且時(shí)延和閾值可控，易于融入物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)碎片化需求。

2.2 DDA 技術(shù)與NB-IoT 和LoRa 技術(shù)的比較

DDA 技術(shù)尤其適用于大量、 低成本、 長(zhǎng)期在線、低功耗的設(shè)備器件，以及要求雙向?qū)崟r(shí)傳輸、可靠性要求高和無縫覆蓋的場(chǎng)景。 如果強(qiáng)調(diào)高安全性，DDA 技術(shù)則是目前唯一選擇。表1 列舉了DDA技術(shù)與NB-IoT 和LoRa 的技術(shù)參數(shù)比較。

表1 DDA 與NB-IoT、LoRa 的技術(shù)參數(shù)比較Table 1 Comparison of technical parameters of DDA，NB-IoT and LoRa

根據(jù)礦山井下的特點(diǎn)， 如果采用NB-IoT 技術(shù)， 在井下安置基站受到成本和物理空間的限制。采用LoRa 技術(shù)，傳輸速率太小，滿足不了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?；如果把傳輸速率放大，傳輸距離太短，繞射能力也變差，而且LoRa 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性也無法達(dá)到要求。 DDA 技術(shù)的低頻率 （470MHz~510MHz）、自組網(wǎng)、高可靠性等特點(diǎn)，完全可以滿足礦山井下的無線覆蓋要求。

3 DDA 技術(shù)在智慧礦山無線通信中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 無線通信設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無線通信可以理解為3 個(gè)層面。第一層面是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信，即設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的收發(fā)信機(jī)（俗稱無線通信模塊），技術(shù)要點(diǎn)是最低的代價(jià)（最小成本、最小功耗等） 將最多的信息傳送到最遠(yuǎn)的地方；第二個(gè)層面是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，它是建立在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通訊基礎(chǔ)之上的，但是除設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的無線通信模塊之外，它還要考慮復(fù)用、功控、同步、共享、容量、路由、效率等多個(gè)因素，相對(duì)第一個(gè)層面要復(fù)雜很多；第三個(gè)層面是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，要考慮的因素就更多了，但它也是以第一個(gè)層面和第二個(gè)層面為基礎(chǔ)的。無線信道的傳輸特性決定了無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的截然不同，隨機(jī)參數(shù)的無線信道不是理想的傳輸媒介。無線網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的信道會(huì)受到射頻帶寬的限制，無線通信在空氣中傳播信號(hào)，固有的多徑效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)快速衰落，同時(shí)信道上可能存在各種干擾和噪聲。因此，所有的無線通信系統(tǒng)都希望用最小的代價(jià)克服和消除無線通信固有缺陷造成的影響，從而保證信號(hào)傳輸?shù)挠行?、可靠性、安全性?/p>

首先，無線頻譜是稀缺資源，必須分配給不同的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)使用。工作于給定頻段的區(qū)域性或全球性無線通信系統(tǒng)必須遵守相應(yīng)管理機(jī)構(gòu)對(duì)這一頻段做出的種種規(guī)定。 在3GHz 以下的頻段上，無線通信器件容易做到大小合適、功耗適中、成本低廉，但這一頻段已經(jīng)擁擠不堪，5G 技術(shù)正在向更高頻段挑戰(zhàn)。如何在有限的資源條件下實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用價(jià)值和滿足應(yīng)用的需求，是每一個(gè)無線通信工程師都要面對(duì)的難題。

其次，無線信道隨機(jī)多變。 當(dāng)信號(hào)通過電磁波在無線信道中傳播時(shí)，墻壁、地面、建筑物和其他物體會(huì)對(duì)電磁波形成反射、散射和繞射，從而導(dǎo)致信號(hào)通過多條路徑到達(dá)接收機(jī)，造成多徑效應(yīng)。 多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰落。 如果發(fā)射機(jī)、接收機(jī)或周圍的物體在運(yùn)動(dòng)，多徑反射和衰減的變化將使接收信號(hào)經(jīng)歷隨機(jī)波動(dòng)。而在有線通信中信號(hào)傳輸過程中僅有衰減和和噪聲的干擾，接收端的信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，沒有多徑效應(yīng)和隨機(jī)波動(dòng)。 無線信道的多徑效應(yīng)和事變特性限制了無線信道的頻帶利用率。

再次， 由于無線電波能夠全向傳輸?shù)奶匦?，?dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)的無線信號(hào)會(huì)相互干擾。干擾包括外部干擾和內(nèi)部干擾。 外部干擾包括天電干擾、工業(yè)干擾和信道噪聲等；內(nèi)部干擾包括本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間的干擾和外部系統(tǒng)對(duì)本系統(tǒng)的干擾，歸納為鄰道干擾、互調(diào)干擾、公道干擾、多址干擾以及遠(yuǎn)近效應(yīng)（近地?zé)o用信號(hào)壓制原地有用信號(hào)）。為了克服干擾，我們必須采用有效的技術(shù)手段把共享信道分成若干互不干擾的子信道（保證子信道相互正交），再分別分給各個(gè)用戶，但這大大限制了無線通信系統(tǒng)的容量。 另外，無線電波能夠全向傳輸?shù)奶匦砸彩沟脽o線通信的安全難以保證，任何人通過一部射頻天線就可以輕松截獲電波。為了支持信息采集保密、設(shè)備自主控制等業(yè)務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)的安全性必須進(jìn)一步加強(qiáng)。

除此之外，在工程實(shí)踐中，終端等設(shè)備的體積、重量、功耗、電性能、適應(yīng)環(huán)境性能、電源設(shè)計(jì)等都要充分考慮。

3.2 DDA 技術(shù)在智慧礦山井下無線通信應(yīng)用中的特點(diǎn)

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍

如圖1 所示，為DDA 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍實(shí)測(cè)。一級(jí)網(wǎng)絡(luò)直線距離約220m（第二次測(cè)試示意圖），有彎道的環(huán)境（實(shí)測(cè)為3 道彎）覆蓋范圍約50m；二級(jí)網(wǎng)絡(luò)第1 個(gè)點(diǎn)距離140m， 第二級(jí)第2 個(gè)測(cè)點(diǎn)292m（拐一個(gè)彎）， 第二級(jí)第3 個(gè)測(cè)點(diǎn)距離330m 直線。井下環(huán)境與地面環(huán)境存在差異，信號(hào)在拐彎后衰減較大，所以在拐彎處放置網(wǎng)關(guān)或中繼來保證通信無盲區(qū)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，小發(fā)射功率的DDA 系統(tǒng)無論是通信距離，還是拐彎、岔道的穿透性都優(yōu)于其他在煤礦使用的無線通信系統(tǒng)。

圖1 DDA 在礦井下網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍實(shí)測(cè)示意圖Figure 1 Schematic diagram of actual measurement of DDA network coverage in underground mines

3.2.2 井下無線通信連接的可靠性

DDA 是自組織網(wǎng)絡(luò)，有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖2所示，特別適合礦山井下無線信號(hào)衰減嚴(yán)重及礦道分散的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 DDA 自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯igure 2 DDA self-organizing network topology

DDA 是低功耗雙向?qū)崟r(shí)通信系統(tǒng)，指標(biāo)如表2所示， 適用于礦山井下大量分布式傳感器布局，以及井下傳感器、控制器離散型數(shù)據(jù)上下行特點(diǎn)。 低功耗， 特別是支持電池類傳感器進(jìn)入礦山井下，降低了建設(shè)和維護(hù)成本。

3.2.3 井下無線通信連接的安全性：DDA 量子秘鑰

非消費(fèi)級(jí)無線連接和系統(tǒng)建設(shè)，最核心的兩個(gè)共性要求是可靠性和安全性。DDA 技術(shù)目前可靠性大于99.9%， 安全性方面， 內(nèi)嵌了SM1，SM2， SM3和SM4（即國密1、國密2、國密3 和國密4），完全可以保證目前智慧礦山井下應(yīng)用，如圖3 所示。

圖3 DDA 技術(shù)安全策略Figure 3 DDA technology security strategy

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全需求遠(yuǎn)高于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但傳統(tǒng)的加密機(jī)制無法長(zhǎng)期保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全連接和系統(tǒng)的安全運(yùn)行， 特別是量子計(jì)算機(jī)一旦問世，傳統(tǒng)的加密機(jī)制無法抵擋，因此考慮量子加密技術(shù)對(duì)DDA 進(jìn)行加密。

量子密鑰的通信網(wǎng)分層應(yīng)用。借助量子加密機(jī)理提供的加密工具，客戶發(fā)送端的客戶數(shù)據(jù)被加密形成密文數(shù)據(jù)包， 將密文數(shù)據(jù)包提交給DDA 無線傳輸服務(wù)，DDA 無線傳輸負(fù)責(zé)將密文數(shù)據(jù)包無誤轉(zhuǎn)發(fā)至客戶接收端，接收到此密文數(shù)據(jù)包后，客戶實(shí)施解密得到明文數(shù)據(jù)，如圖4 所示。在此過程中，DDA 無線通信系統(tǒng)僅僅完成了一次數(shù)據(jù)包的透?jìng)?，它并不知曉密文的具體含義。實(shí)際上，在空間無線介質(zhì)中，具有了雙層的加密服務(wù)：第一層是客戶端自己加入的（信源加密），第二層是DDA 無線加密傳輸系統(tǒng)加入的（信道加密）。對(duì)圖4 中端對(duì)端應(yīng)用加密進(jìn)行說明。 一是關(guān)于算法選用：首先具體選用哪個(gè)算法公式，由預(yù)置選擇參數(shù)（PgmPar）操控，它會(huì)從算法集里選出某個(gè)或某些個(gè)合適的算法公式： 其次，PgmPar/ PassWord 參數(shù)會(huì)作為公式參量介入其運(yùn)算過程。 二是關(guān)于量子操作：黑色表示功能框， 涉及量子分發(fā)QKD 操作， 具體細(xì)節(jié)不置討論。 關(guān)于DDA 功能框，泛指執(zhí)行DDA 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的傳輸層服務(wù)，在此不做詳述。

圖4 量子秘鑰DDA 網(wǎng)絡(luò)分層應(yīng)用Figure 4 Hierarchical application of quantum key DDA network

3.3 DDA 技術(shù)應(yīng)用案例：礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是監(jiān)測(cè)采場(chǎng)及巷道的圍巖應(yīng)力分布特征、圍巖變形、位移、鉆孔內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布、頂?shù)装迤茐奶卣鳌⒊皯?yīng)力區(qū)頂板壓力、支架傾斜角度、支架受載及壓縮等一系列礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象。 通過3D 綜采分析功能能監(jiān)控某工作面的所有傳感器當(dāng)前或者回顧某一段時(shí)間內(nèi)工作情況與應(yīng)力云圖。采用合理的數(shù)學(xué)方法對(duì)各種礦山壓力顯現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析，一是掌握巷道圍巖變形和應(yīng)力變化規(guī)律，總結(jié)采場(chǎng)及巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，周期預(yù)報(bào)礦壓顯現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)， 評(píng)價(jià)巷道支護(hù)效果，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巷道頂板事故；二是分析采煤工作面頂板來壓步距、來壓強(qiáng)度及動(dòng)載系數(shù)，總結(jié)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，預(yù)防、預(yù)測(cè)工作面頂板事故；三是為優(yōu)化工作面及巷道支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)；四是掌握地質(zhì)構(gòu)造對(duì)圍巖的影響， 能夠第一時(shí)間掌握井下采動(dòng)壓力顯現(xiàn)規(guī)律，為指導(dǎo)生產(chǎn)、保證安全提供可靠的依據(jù)。 同時(shí)，在匯總大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與資料的基礎(chǔ)上，有利于進(jìn)一步總結(jié)出礦山壓力的普遍規(guī)律，促進(jìn)礦山壓力理論的研究。

如圖5 所示，礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸采用DDA 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)+主干環(huán)網(wǎng)的方式。礦井地質(zhì)變化最為復(fù)雜的區(qū)域往往包含多個(gè)掘進(jìn)、 綜采、回采巷道，而這些區(qū)域存在著骨干網(wǎng)未覆蓋、光纖鋪設(shè)難度大等問題，DDA 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)恰好解決了此類問題。

圖5 礦山壓力檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Figure 5 Schematic diagram of mine pressure detection system

4 結(jié)語

煤礦綜合自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，迫切需要一種低成本的無線融合通信技術(shù)來支持海量傳感器接入。 把DDA 通信技術(shù)與礦井人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測(cè)、頂板監(jiān)測(cè)、設(shè)備點(diǎn)檢系統(tǒng)及部分自動(dòng)化控制系統(tǒng)傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合，是下一步實(shí)現(xiàn)智慧礦山的必由之路。