基于光纖感知陣列的井下車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

王建宏,王紀(jì)程,安 政

(山西能源學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程系,山西 太原 030000)

1 引 言

實(shí)時(shí)掌握煤礦井下人員與車輛的位置信息對(duì)安全監(jiān)控、資源配置、高效運(yùn)營(yíng)等都具有重要意義[1]。井下現(xiàn)有最常見(jiàn)的是采用超寬帶技術(shù)UWB(Ultra Wide Band[2]),該技術(shù)被大量應(yīng)用于井下人員定位[3]。但由于其屬于高頻信號(hào),作用距離和折返傳播能力都比較有限,故對(duì)于工作距離范圍較大的井下車輛而言,其監(jiān)測(cè)能力明顯不足。

王浩等人[4]將卡爾曼濾波引入U(xiǎn)WB定位系統(tǒng),提升了系統(tǒng)定位精度,但是作用距離小于100 m,在長(zhǎng)距離中難以應(yīng)用。牛衛(wèi)國(guó)等人[5]為了提高井下車輛的運(yùn)輸效率,提出了采用UWB實(shí)時(shí)精準(zhǔn)跟蹤及定位的方法,實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果穩(wěn)定,但其實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要以直線巷道為主,且測(cè)試距離小于200 m,而實(shí)際井下運(yùn)輸車輛不僅距離更遠(yuǎn)且存在拐彎等問(wèn)題。相比之下,光纖傳感技術(shù)具有無(wú)源性、測(cè)試距離長(zhǎng)、體積小、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)[6-8]。QinetiQ公司的OptaSense產(chǎn)品系列利用原有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)位置,采用光纖傳感技術(shù)對(duì)超過(guò)5 km以上的路面進(jìn)行車輛定位,其定位精度可達(dá)±5.0 m,其對(duì)公路車輛分布實(shí)時(shí)監(jiān)控具有很好的作用[9]。張浩[10]采用分布式光纖網(wǎng)絡(luò)獲取火車隧道中列車的振動(dòng)信號(hào),在分析主頻率與振動(dòng)幅值的條件下,實(shí)現(xiàn)了列車位置測(cè)試精度±3.0 m的效果。謝鑫等人[11]通過(guò)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)光纖傳感信號(hào)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感范圍內(nèi)入侵信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào),識(shí)別正確率優(yōu)于96.83 %。Liu等人[12]通過(guò)改進(jìn)小波算法將時(shí)域光纖信號(hào)進(jìn)行特征分離,實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)車輛同時(shí)識(shí)別的功能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該算法的車輛分類識(shí)別概率超過(guò)75.5 %。

光纖傳感技術(shù)在井下環(huán)境中進(jìn)行車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)。本文在搭建了光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG[13-15])陣列的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了基于多光纖光柵傳感器組合下,目標(biāo)車輛位置及速度等狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)識(shí)別算法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于光纖感知陣列的井下車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)主要分為兩部分,井下的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中主要包含解調(diào)模塊、多路控制模塊和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。其中光纖傳感網(wǎng)絡(luò)采集井下測(cè)試區(qū)域的振動(dòng)信號(hào),并且根據(jù)不同通道編碼成等效的陣列位置,由多路控制模塊分時(shí)傳輸給解調(diào)模塊。解調(diào)模塊對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜解析,并將光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù),利用預(yù)先設(shè)計(jì)的識(shí)別算法完成對(duì)目標(biāo)車輛位置與速度等信息的反演。最終結(jié)果分別傳輸?shù)骄媳O(jiān)控平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

圖1 基于光纖感知陣列的井下車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在圖1中,對(duì)井下測(cè)試區(qū)域中每一條可以通行運(yùn)輸車輛的巷道進(jìn)行編號(hào),在東西方向上,由西向東定義FBG序號(hào)為FBGx11、FBGx12、…、FBGx1i,在南北方向上,由北向南定義FBG序號(hào)為FBGy11、FBGy12、…、FBGy1j。與x或y軸不平行或垂直的巷道,其與哪個(gè)軸的夾角相對(duì)較小則編入對(duì)應(yīng)的陣列中,由此可以構(gòu)建覆蓋所有可以通行車輛的巷道。相鄰陣列上的兩個(gè)FBG參數(shù)在實(shí)際巷道中未必相鄰,但并不影響通過(guò)FBG組網(wǎng)對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)車輛位置與速度的計(jì)算,因?yàn)榫孪锏琅c連接節(jié)點(diǎn)都具有唯一性,所以能夠采集對(duì)應(yīng)矩陣位置上的響應(yīng)信號(hào)就能夠反演目標(biāo)位置及速度信息。

3 工作原理

3.1 信號(hào)獲取與解算

FBG的回波可以表示為:

λB=2neffΛ

(1)

其中,λB為中心波長(zhǎng),neff為纖芯折射率,Λ為光柵周期。光柵周期本身受到溫度與應(yīng)變的雙重作用,在井下長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)過(guò)程中,不同位置的溫度變化影響是不能忽略的。在本系統(tǒng)中,采用雙FBG封裝結(jié)構(gòu)完成溫度與應(yīng)力的解耦。在溫度與應(yīng)力共同作用下,回波波長(zhǎng)可以表達(dá)為:

ΔλB=λB·[(α+ξ)ΔT+(1-Pε)·Δε]

(2)

在常系數(shù)中,α表示膨脹系數(shù);ξ表示熱光系數(shù);Pε表示彈性系數(shù);在變量中,ΔT表示溫度變化值;Δε表示應(yīng)變變化值。為了避免溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)試的影響,采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q。將FBG應(yīng)力傳感器固定于巷道監(jiān)測(cè)位置,而FBG溫度傳感器則不固定,這時(shí)目標(biāo)車輛振動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)力變化對(duì)兩種FBG傳感器的作用效果相差很大,而溫度影響是一樣了,由此通過(guò)兩組數(shù)據(jù)的差分處理就能夠消除溫漂干擾。解耦函數(shù)可表示為:

(3)

其中,ΔT1和ΔT2表示FBG1(應(yīng)變傳感器)和FBG2(溫度傳感器)的溫度值,由于測(cè)試位置很近,可以認(rèn)為相等;Kε和KT表示FBG1和FBG2的應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)與溫度響應(yīng)系數(shù);ΔλB1和ΔλB2表示FBG1和FBG2的對(duì)應(yīng)的回波偏移值。由此可見(jiàn),當(dāng)采用溫度補(bǔ)償后,應(yīng)變響應(yīng)值可以被求解。

3.2 車輛狀態(tài)參數(shù)反演算法

根據(jù)井下巷道長(zhǎng)度往往小于2000 m的實(shí)際情況,采用單光纖串接40個(gè)FBG傳感器為例,可以實(shí)現(xiàn)每50 m一個(gè)測(cè)試點(diǎn)位,而單個(gè)FBG的波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍1.5 nm時(shí),波長(zhǎng)調(diào)制范圍60.0 nm對(duì)于普通光纖光柵解調(diào)模塊是很容易實(shí)現(xiàn)的?；诖?在對(duì)任意兩個(gè)FBG傳感器之間的響應(yīng)程度進(jìn)行分段標(biāo)定,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)車輛的位置計(jì)算。結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,還可以反演車輛的速度信息。

由于是面向井下巷道,而每條可以通行車輛的巷道都可以在原有電纜的位置鋪設(shè)光纜。所以,對(duì)于某一條巷道中的單一目標(biāo)定位,就是單光纖上介于兩個(gè)FBG傳感器之間車輛位置的計(jì)算。以東西巷道為例,設(shè)目標(biāo)位于FBGxi和FBGxi+1之間,兩個(gè)傳感器的波長(zhǎng)響應(yīng)分別是Δλxi和Δλxi+1,則位置信息可表示為:

(4)

由此可以計(jì)算得到目標(biāo)車輛在巷道中的具體位置x,從而完成實(shí)時(shí)定位。當(dāng)存在2個(gè)以上的目標(biāo)車輛時(shí),則會(huì)在多個(gè)FBG節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生響應(yīng)。設(shè)有n個(gè)目標(biāo)車輛,其影響的FBG響應(yīng)個(gè)數(shù)i介于3至2n之間。則有目標(biāo)矩陣:

(5)

其中,Cx和Cy是對(duì)于x和y方向上的補(bǔ)償系數(shù)。因?yàn)橄锏乐衳與y方向上的FBG并不是均勻分布成矩形的,而巷道長(zhǎng)度與傾斜角度不同,反演具體位置時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的校正,這就是補(bǔ)償系數(shù)的作用。又因?yàn)榫孪锏朗枪潭ú蛔兊?所以該補(bǔ)償系數(shù)為常系數(shù),由巷道中FBG鋪設(shè)的間距決定。x(i)由式(4)得到,y(i)與x(i)的計(jì)算方式一致,它們共同構(gòu)成目標(biāo)的二維坐標(biāo)位置。

4 距離分辨率仿真

采用MATLAB對(duì)在x與y軸上FBG測(cè)試點(diǎn)位的間隔距離與目標(biāo)車輛定位精度進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 測(cè)試點(diǎn)間距與定位精度的變化關(guān)系

由圖2可以看出,在x方向與y方向上,當(dāng)FBG傳感器分布間距增大時(shí),距離分辨率的測(cè)試精度隨之增大。但x軸方向的增大速率比y軸方向的增大速率小,分析認(rèn)為這是在設(shè)置相應(yīng)參數(shù)時(shí)由于需要考慮實(shí)際礦井巷道長(zhǎng)度與直線度使標(biāo)定參數(shù)Cx和Cy不同導(dǎo)致的,其物理意義是在x軸方向上巷道更直,在兩個(gè)FBG傳感器之間的響應(yīng)量可以更好地計(jì)算目標(biāo)的位置信息。而在y軸方向上的巷道具有一定的弧形角度,位置解算偏差相對(duì)較大,故其對(duì)應(yīng)的距離分辨率精度略低于x軸方向。從兩個(gè)參數(shù)的總體分布上可以看出,只要讓FBG傳感器的分布基本均勻就可以使距離分辨率達(dá)到穩(wěn)定水平,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)車輛位置的定位識(shí)別。根據(jù)仿真結(jié)果可知,在x軸方向上FBG傳感器的間隔設(shè)置為4.0 m,在y軸方向上FBG傳感器的間隔設(shè)置為3.0 m時(shí),可以使距離分辨率完全滿足2.0 m的設(shè)計(jì)要求。每?jī)蓚€(gè)FBG之間的環(huán)境參數(shù)十分接近,所以可以根據(jù)相鄰兩個(gè)FBG之間響應(yīng)值振幅之比計(jì)算目標(biāo)的位置,已獲得更接近真實(shí)值的測(cè)試值。

5 實(shí) 驗(yàn)

5.1 測(cè)試條件

為了測(cè)試系統(tǒng)定位準(zhǔn)確性與精度,在太原西山礦區(qū)某非工作狀態(tài)礦井巷道中對(duì)3輛運(yùn)煤軌道車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。井下溫度約22.3 ℃,相對(duì)濕度約73.5 %。3個(gè)目標(biāo)車輛分別采用沒(méi)有裝載煤炭(A),裝載半箱煤炭(B)與裝滿煤炭三種狀態(tài)(C)。測(cè)試過(guò)程中使車輛分別為以5 km/h、10 km/h和20 km/h(井下限速最大值)勻速運(yùn)動(dòng),運(yùn)行軌道分別選取兩條具有一定特征的巷道,直線軌道型(x)和弧線軌道型(y),然后測(cè)試計(jì)算目標(biāo)位置與速度信息,系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 礦井下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

5.2 目標(biāo)狀態(tài)測(cè)試

將A、B、C三種測(cè)試目標(biāo)分別在x與y軌道上以不同速度運(yùn)行,然后采集1 s,2 s,5 s和10 s時(shí)的FBG網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。反演計(jì)算目標(biāo)位置,計(jì)算結(jié)果如表1所示,再與對(duì)應(yīng)時(shí)刻該目標(biāo)的真實(shí)位置進(jìn)行對(duì)比分析。其中,V表示目標(biāo)車輛的準(zhǔn)確速度值,V計(jì)算表示通過(guò)測(cè)試位置值計(jì)算得到的目標(biāo)速度值。T表示測(cè)試時(shí)間。A、B、C分布表示三種測(cè)試目標(biāo),x和y分布表示兩條測(cè)試軌道。

表1 不同時(shí)刻目標(biāo)位置反演數(shù)據(jù)對(duì)比

由測(cè)試數(shù)據(jù)表1可知,隨著時(shí)間的增加,目標(biāo)車輛的位置越來(lái)越遠(yuǎn),而由FBG測(cè)試數(shù)據(jù)反演得到的坐標(biāo)值也是逐漸增大的。將5～20 s之間的各個(gè)測(cè)試位置的x值(或y值)相加后除以對(duì)應(yīng)時(shí)間就能求解V。對(duì)比三組測(cè)試數(shù)據(jù)可知,B和C的速度測(cè)試值基本一致,與真實(shí)值相差很小。而A的測(cè)試值偏差較大,分析認(rèn)為由于A目標(biāo)車輛是空載,故對(duì)軌道壓力較小,容易造成抖動(dòng)等雜散噪聲,故每一次的速度計(jì)算會(huì)產(chǎn)生一定的誤差累積。同時(shí),三種速度的測(cè)試結(jié)果都是偏小,說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)是在目標(biāo)更靠近測(cè)試點(diǎn)時(shí)才獲取有效信號(hào)的。隨著速度的增大,三種測(cè)試目標(biāo)的測(cè)試結(jié)果均有所提升。分析認(rèn)為當(dāng)時(shí)間一定、速度增大時(shí),測(cè)試距離增大,從而使目標(biāo)經(jīng)過(guò)的FBG測(cè)試點(diǎn)增多,相對(duì)測(cè)試位置增大降低了隨機(jī)誤差的干擾。而實(shí)際的巷道距離往往超過(guò)100 m,故測(cè)試數(shù)據(jù)中偏向較遠(yuǎn)位置的測(cè)試結(jié)果更具說(shuō)服力。三種測(cè)試數(shù)據(jù)中,在x巷道中的測(cè)試結(jié)果普遍優(yōu)于y巷道,這是測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的體現(xiàn)。當(dāng)傳輸巷道具有一定角度時(shí),相當(dāng)于測(cè)試系統(tǒng)兩個(gè)FBG之間存在一個(gè)方向參數(shù)。從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出,y巷道中的位置數(shù)據(jù)與x巷道中的位置數(shù)據(jù)均具有較好的線性度,故可以采用線性標(biāo)定的方法降低巷道彎曲對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

5.3 誤差分析

將A、B、C三種測(cè)試目標(biāo)在不同參數(shù)下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,給出了影響位置與速度計(jì)算精度的誤差分析曲線,重點(diǎn)討論了影響位置與速度計(jì)算精度的二個(gè)重要因子:測(cè)試距離D與巷道曲率半徑R。

如圖4(a)所示,測(cè)試距離對(duì)位置誤差的影響呈遞減趨勢(shì),當(dāng)其超過(guò)一定閾值時(shí)位置誤差基本趨于穩(wěn)定。對(duì)于A、B、C目標(biāo)而言,最大位置誤差分別為1.87 m、1.42 m和1.12 m。A目標(biāo)在大約300 m位置上逐漸趨于平緩,位置誤差收斂于0.62 m;B目標(biāo)在大約250 m位置上逐漸趨于平緩,位置誤差收斂于0.53 m;C目標(biāo)在大約250 m位置上逐漸趨于平緩,位置誤差收斂于0.54 m。說(shuō)明質(zhì)量對(duì)位置誤差具有一定影響,但影響不大,在0.5 m量級(jí)的位置精度測(cè)試中基本可忽略不計(jì)。如圖4(b)所示,當(dāng)巷道曲率半徑超過(guò)400 m時(shí),測(cè)試數(shù)據(jù)基本趨于平緩,由于實(shí)際巷道中的曲率半徑往往都比較大,不存在急轉(zhuǎn)彎道,故該項(xiàng)影響可以不計(jì)。而A、B、C目標(biāo)的位置誤差均值分別是0.61 m、0.45 m和0.52 m,三條曲線的變化趨勢(shì)幾乎一致,故可以采用補(bǔ)償系數(shù)的方式對(duì)不同曲率半徑的巷道進(jìn)行測(cè)試值修正。

圖4 關(guān)于測(cè)試距離與巷道曲率半徑的位置誤差曲線

6 結(jié) 論

針對(duì)井下車輛通道距離長(zhǎng)、有彎道而不適合采用無(wú)線通信的問(wèn)題,本文提出了采用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)井下車輛的位置與速度的實(shí)時(shí)獲取。在基于巷道方向基礎(chǔ)上構(gòu)建了光纖傳感網(wǎng)絡(luò),通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試了車輛質(zhì)量、巷道曲率等對(duì)位置識(shí)別的影響,驗(yàn)證了系統(tǒng)與算法的可行性。該設(shè)計(jì)在井下車輛定位與定速識(shí)別中具有更好的應(yīng)用前景。