UWB 技術(shù)在露天礦火災(zāi)安全巡檢中的應(yīng)用

常 琳

（安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京 100013）

目前，我國(guó)的煤礦一般分為井工煤礦和露天煤礦，一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)露天煤礦的產(chǎn)量要多于單個(gè)井工煤礦的產(chǎn)量，在新的歷史背景下，安全生產(chǎn)成為煤礦所有要預(yù)防及處理問(wèn)題中的重中之重。露天煤礦的安全監(jiān)測(cè)主要集中在機(jī)電、運(yùn)輸、穿爆、火災(zāi)及邊坡等方面，其中火災(zāi)又是所有監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)，露天煤礦的火災(zāi)主要包括內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)2 大類(lèi)，主要發(fā)生在露天煤礦采坑內(nèi)或采坑附近，內(nèi)因火災(zāi)是煤經(jīng)氧化產(chǎn)生熱量而自然發(fā)火；外因火災(zāi)是外部熱源引燃可燃物造成的發(fā)火，要保證露天煤礦持續(xù)的安全生產(chǎn)，對(duì)環(huán)境中的一氧化碳、乙烯、乙炔等由于燃燒所產(chǎn)生的氣體要實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、分析處理就成為了解決所有問(wèn)題的關(guān)鍵，而在所有由于燃燒所產(chǎn)生的氣體中又以一氧化碳?xì)怏w的防治及監(jiān)測(cè)尤為重要，并且在判斷燃燒情況時(shí)一氧化碳?xì)怏w是最具有代表性的[1]。

對(duì)于露天煤礦火災(zāi)一氧化碳的監(jiān)測(cè)可分為固定式定點(diǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)和便攜式移動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，固定式定點(diǎn)設(shè)備只可對(duì)特定位置區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)及采集，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的監(jiān)測(cè)；而便攜式移動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的監(jiān)測(cè)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置精確定位。

如果可以將精確人員定位技術(shù)與一氧化碳移動(dòng)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于安全巡檢員是否按規(guī)定線(xiàn)路、規(guī)定時(shí)間、規(guī)定地點(diǎn)以及規(guī)定次數(shù)進(jìn)行安全檢查并做到具體的判知，不僅可以提高煤礦安全生產(chǎn)的管理水平，還使的火災(zāi)安全巡檢過(guò)程變得簡(jiǎn)單可控[2]。

而目前現(xiàn)有的露天礦火災(zāi)安全巡檢設(shè)計(jì)方案多采用的技術(shù)為電化學(xué)檢測(cè)結(jié)合無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，一般電化學(xué)探頭用于移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備中一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)，Zigbee、wifi、RFID 等無(wú)線(xiàn)方式用于移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集到的一氧化碳濃度數(shù)據(jù)的傳輸，但是現(xiàn)有技術(shù)僅僅可以滿(mǎn)足一氧化碳濃度的采集及上傳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全巡檢員的定位追蹤、人員管理、應(yīng)急救援等功能，而基于UWB 激光一氧化碳火災(zāi)安全巡檢技術(shù)的設(shè)計(jì)方案將UWB 精確定位技術(shù)、TDLAS 激光氣體探測(cè)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)多跳技術(shù)3 種技術(shù)融為一體，不但可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有一氧化碳巡檢的基本功能，同時(shí)對(duì)巡檢人員路線(xiàn)監(jiān)控、巡檢時(shí)間、應(yīng)急指引、濃度檢測(cè)等方面實(shí)現(xiàn)安全管理[3]。

1 UWB 激光氣體巡檢技術(shù)

1.1 UWB 精確定位技術(shù)

常用的UWB 精確定位方式分為2 種：TDOA 測(cè)量技術(shù)和TOF 測(cè)量技術(shù)。TDOA 測(cè)量技術(shù)是通過(guò)時(shí)間差的方式計(jì)算UWB 從信號(hào)發(fā)射端到信號(hào)接收端的時(shí)間進(jìn)行定位的雙曲線(xiàn)定位計(jì)算法，UWB 信號(hào)接收端可接收覆蓋范圍內(nèi)所有信號(hào)發(fā)射端所發(fā)出的UWB 信號(hào)，而對(duì)于任意2 個(gè)信號(hào)接收端由于其所對(duì)應(yīng)信號(hào)發(fā)射端的距離不同，那么所接收到的信號(hào)時(shí)間也不相同，根據(jù)雙曲線(xiàn)焦點(diǎn)的數(shù)學(xué)邏輯推算，當(dāng)已知4 個(gè)信號(hào)接收端固定位置的情況下，4 條雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)就為信號(hào)發(fā)射端的發(fā)射點(diǎn)，從而可以推算出UWB 信號(hào)發(fā)射端的確定位置[4-5]。

1.2 TDLAS 激光氣體探測(cè)技術(shù)

TDLAS 激光氣體探測(cè)技術(shù)為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜氣體檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)含有調(diào)制信號(hào)的激光穿射過(guò)一氧化碳?xì)怏w時(shí)，由于不同一氧化碳?xì)怏w的濃度會(huì)引起不同幅度的諧波振蕩，而諧波振蕩的幅度會(huì)與一氧化碳?xì)怏w的濃度成正比，激光器所發(fā)出的光功率與接收器所接收的光功率符合比爾-朗伯定律，公式為：

式中：I(v)為光電接收器接收到的光功率，mW；S為光收集（耦合）效率，%；Io(v)為半導(dǎo)體激光器輸出的光功率，mW；α(v)為在頻率v 處，單位濃度、單位長(zhǎng)度的介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)；C 為被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，%；L 為氣體吸收光路的長(zhǎng)度，cm。

同時(shí)利用鎖相放大技術(shù)來(lái)提取接收器所接收到的含有一氧化碳濃度信號(hào)的各次諧波振蕩所產(chǎn)生的諧波分量的幅度值：

由上述幅度值反推出一氧化碳?xì)怏w濃度值：

式中：Sn為諧波幅值；K 為放大器增益；An為吸收系數(shù)的n 次傅立葉系數(shù)。

對(duì)于諧波分量的提取依據(jù)諧波分量次數(shù)與幅度成反比，及諧波對(duì)稱(chēng)性與幅值疊加變化的原則選取偶次諧波中的二次諧波分量進(jìn)行檢測(cè)（二次諧波分量產(chǎn)生諧波最大值），同時(shí)可利用二次諧波分量與一次諧波分量的比值計(jì)算的方式消除剩余幅度干擾及光功率波動(dòng)，將弱電信號(hào)中的一氧化碳濃度信號(hào)進(jìn)行提取檢測(cè)[6]。

2 火災(zāi)安全巡檢應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

基于UWB 的火災(zāi)安全巡檢系統(tǒng)主要由火災(zāi)安全巡檢監(jiān)測(cè)單元（主/備機(jī)）、千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集分站、數(shù)據(jù)傳輸定位基站、UWB 激光一氧化碳巡檢儀等幾個(gè)單元組成。

1）火災(zāi)安全巡檢監(jiān)測(cè)單元。主要用于多功能數(shù)據(jù)采集分站、數(shù)據(jù)傳輸定位基站、UWB 激光一氧化碳巡檢儀數(shù)據(jù)交互及整個(gè)系統(tǒng)的管理，UWB 激光一氧化碳巡檢儀將檢測(cè)到的當(dāng)前一氧化碳濃度值通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳輸給數(shù)據(jù)傳輸定位基站，同時(shí)UWB 激光一氧化碳巡檢儀與數(shù)據(jù)傳輸定位基站通過(guò)TDOA的方式完成人員位置計(jì)算，定位信息及一氧化碳濃度信息通過(guò)CAN 總線(xiàn)的傳輸鏈路上傳至多功能數(shù)據(jù)采集分站，各多功能數(shù)據(jù)采集分站將所匯總的信息上傳至火災(zāi)安全巡檢監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行存儲(chǔ)分析，火災(zāi)安全巡檢監(jiān)測(cè)單元通過(guò)對(duì)人員信息參數(shù)、巡檢路線(xiàn)參數(shù)、一氧化碳濃度參數(shù)、位置位移參數(shù)等進(jìn)行分析，首先實(shí)現(xiàn)對(duì)安全巡檢員是否按規(guī)定線(xiàn)路、時(shí)間、地點(diǎn)以及次數(shù)進(jìn)行安全檢查，更重要的是實(shí)現(xiàn)人員考勤功能的管理、人員定位追蹤功能的管理、違規(guī)報(bào)警功能的管理、求救報(bào)警及緊急撤離功能的管理[7]。

2）多功能數(shù)據(jù)采集分站。分站將基站采集到的定位數(shù)據(jù)、一氧化碳濃度數(shù)據(jù)、UWB 激光一氧化碳巡檢儀本體數(shù)據(jù)等進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)采集分站通過(guò)DW1000 模塊經(jīng)過(guò)射頻模塊與數(shù)據(jù)傳輸定位基站進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)交互，同時(shí)也可通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊采用CAN/RS485/光纖進(jìn)行有線(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并且數(shù)據(jù)采集分站同時(shí)兼容CC2530 模塊、WIFI6 模塊等無(wú)線(xiàn)通訊功能單元。數(shù)據(jù)采集分站接收火災(zāi)安全巡檢監(jiān)測(cè)單元的指令，同時(shí)進(jìn)行與數(shù)據(jù)傳輸定位基站的雙向通訊，功能顯示模塊主要用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及功能展示，多功能數(shù)據(jù)采集分站設(shè)計(jì)方案如圖1[8]。

圖1 多功能數(shù)據(jù)采集分站設(shè)計(jì)方案

3）數(shù)據(jù)傳輸定位基站。數(shù)據(jù)傳輸定位基站與UWB激光一氧化碳巡檢儀之間通過(guò)DW1000 模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)交互，當(dāng)已知4 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸定位基站固定位置的情況下，4 個(gè)基站的覆蓋半徑根據(jù)接收到的UWB 激光一氧化碳巡檢儀所發(fā)射出的信號(hào)會(huì)形成4 條雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)就為UWB 激光一氧化碳巡檢儀的發(fā)射點(diǎn)，從而可以推算出其確定位置，各功能模塊輔助完成與“上、下”鏈路之間的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)傳輸定位基站設(shè)計(jì)方案如圖2[9]。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸定位基站設(shè)計(jì)方案

4）UWB 激光一氧化碳巡檢儀：主要功能實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置的定位及當(dāng)前環(huán)境中一氧化碳濃度的采集，通過(guò)DW1000 模塊應(yīng)用TDOA 的算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸定位基站對(duì)UWB 激光一氧化碳巡檢儀的定位，同時(shí)核心CPU 通過(guò)信號(hào)調(diào)制模塊對(duì)激光器進(jìn)行諧波調(diào)制，當(dāng)含有調(diào)制信號(hào)的激光經(jīng)過(guò)一氧化碳?xì)怏w的吸收后經(jīng)接收器通過(guò)鎖相放大模塊將含有一氧化碳濃度參數(shù)的信號(hào)發(fā)送到核心CPU 中，判斷出當(dāng)前環(huán)境中的一氧化碳濃度值，UWB 激光一氧化碳巡檢儀設(shè)計(jì)方案如圖3[10]。

圖3 UWB 激光一氧化碳巡檢儀設(shè)計(jì)方案

3 結(jié)語(yǔ)

從理論層面深入的探討了UWB 激光一氧化碳巡檢技術(shù)，通過(guò)對(duì)UWB 精確定位及TDLAS 激光氣體探測(cè)方式的分析設(shè)計(jì)出露天礦火災(zāi)安全巡檢技術(shù)應(yīng)用方案，將火災(zāi)安全巡檢系統(tǒng)與礦用人員管理系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音廣播通訊系統(tǒng)相結(jié)合對(duì)安全巡檢工作進(jìn)行全面的管理，通過(guò)“定人、點(diǎn)、時(shí)”的方式避免人為因素的影響，對(duì)巡檢過(guò)程中的路線(xiàn)、時(shí)間、濃度檢測(cè)方式進(jìn)行規(guī)劃，大幅度的提升了應(yīng)急救援措施在事故發(fā)生后的施救效率，為露天礦的火災(zāi)安全巡檢提供了更便利的條件，同時(shí)為未來(lái)煤礦安全監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)有效的路徑及指導(dǎo)方向。