基于無線光通信智慧礦井研究現狀

陳習鋒，丁舉鵬，張心云，鄭 炅，易芝玲

(1. 新疆大學 信息科學與工程學院 信號檢測與處理新疆維吾爾自治區重點實驗室，烏魯木齊 830046；2. 中國移動通信研究院 綠色通信研究中心，北京 100053)

0 引 言

據2018年世界能源年度報告，中國是世界上礦井煤炭最大的生產地和消耗地[1]。2017年，煤炭礦井資源生產了3.53億噸，占世界煤炭生產的46%。然而根據不完全統計，自2020年上半年以來，中國僅煤礦事故就發生了48起，死亡人數高達74人[2]。因此，搭建一個智慧礦井平臺非常重要，其能夠有效保證礦工和礦物的生產安全。智慧礦井平臺能夠提供礦井通信，對礦工和采礦機器實時定位，并且環境監測傳感系統能保證礦井作業安全。傳統射頻信號、第五代移動通信(5th Generation Mobile Networks, 5G)和無線光信號可用于礦井，協助實現智慧礦井平臺的各類功能。

目前，礦井射頻通信有透地通信、超帶寬通信、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、無線保真(Wireless Fidelity, WiFi)、藍牙和紫峰(ZigBee)等[3-4]。傳統射頻信號帶寬受限，而5G信號雖然為高帶寬但礦井下電磁干擾嚴重。相比于射頻信號，無線光可以免疫電磁干擾且高帶寬，不需要頻譜許可證。礦井下，通信場景可大致分為礦井巷道和礦井工作面兩種[5]。無線光在室內小區分布和光束指向等的研究日益增多，而礦井下同樣可利用現有室內無線光技術研究加以利用[6-8]。

本文首先綜述了無線光技術在礦井的應用，然后分別從通信、定位和傳感3個方面介紹了無線光在礦井中的應用，最后對無線光技術在礦井的應用進行了展望。

1 礦井空間無線光通信傳播特性

礦井通信可分為礦井上和礦井下通信，礦井上通信為露天礦井覆蓋通信，礦井下通信為地下礦井覆蓋通信。露天礦井通信可利用5G信號覆蓋，5G信號頻譜效率高且傳輸距離遠。700 MHz和2.6 GHz帶寬的小型通信小區就可覆蓋露天鐵礦，可對通信質量進行測量[9]。文獻[9]的露天礦井通信測量研究分別對路徑損耗系數、陰影衰落標準差和自相關距離進行實驗測量，為以后實驗提供了數據支持。礦井下環境不同于普通室內環境，礦壁面粗糙，電磁干擾和多徑效應嚴重，5G信號通信會受到影響。巷道里礦工間可建立無線光視距(Line-of-Sight，LOS)通信，而礦井工作面中無線光通信時，礦燈和礦工還存在非視距(Non-line-of-sight，NLOS)通信，如圖1所示[10-12]。正常礦井作業下，采礦和運輸礦物會帶來附加因素如粉塵、水蒸氣和易爆炸氣體等，礦井無線光通信時會受這些因素干擾，同時采礦機器的運轉和礦工的移動也會對通信造成影響。由于無線光的LOS傳播特性，無線光通信下采礦機器和礦工的遮擋形成了陰影效應。而無線光通信信道中的各類物質會對無線光信號產生衰減。礦井下照明設施通常為發光二極管(Light Emitting Diode, LED)，且為防爆燈，這樣避免了礦井下發生安全事故損害設備照明，同時還為無線光通信提供了物質基礎。

圖1 礦井下無線光通信

1.1 礦井空間無線光通信信道

礦井下，無線光通信可對礦工實現必要對話通信和實時定位信息傳遞。礦井無線光通信可借助于礦工安全帽的照明燈，完成礦工與礦井通信網絡的信息交互。圖1所示為礦井下無線光LOS和NLOS通信。LOS通信存在于礦工間和礦燈與礦工間通信，而NLOS通信存在于礦燈發射的無線光束被礦壁面和采礦機器衍射后，被礦工安全帽中無線光通信裝置接收的通信鏈路[11-12]。無論礦井巷道還是工作面上，無線光通信信號不斷受到礦井空間物質衰減影響。因此，在礦井無線光通信中提前評估信道模型可保證無線光通信質量。在此基礎上，一個礦井無線光路損通信模型被提出，該模型不僅考慮了LOS和NLOS通信，而且考慮了不同無線光收發器數量下的通信[13]。仿真數據結果表明，NLOS通信的路損指數都大于LOS通信。

1.2 礦井空間無線光通信陰影效應

礦井下空間昏暗，光源通常安裝在礦井天花板或礦壁上。同時為保證一定照明，光源安裝高度通常高于人的高度。礦井光源被認為是一個發光點，礦工或采礦機器可看作一個圓柱體。礦井無線光通信時，由于光束LOS傳播特性，光源發出兩束光束線相切于圓柱體邊線，會在圓柱體后方形成一個陰影區域。在該區域內，無線光無法覆蓋礦井通信，后方礦工或采礦機器無法接收到無線光信號。室內場景下，同一光源下不同位置的人在光源覆蓋下會形成不同大小的陰影區域，如圖2(a)所示[14]。礦井下作業在狹窄區域，無線光通信時陰影效應更加明顯。陰影區域下的礦工無法進行通信，也無法實時傳遞位置信息。為計算無線光陰影效應形成的陰影區域，一個陰影計算方案被提出[14]。該方案將光束與圓柱體兩條切線連接形成的區域通過光源與圓柱中心連線劃分為兩部分區域。不同區域下無線光功率衰減不同，礦井下無線光通信可通過此方法實現合理劃分光源分布，最大化減少陰影效應，從而在礦井無線光通信時降低陰影效應影響。相似地，多個光源下會形成多個陰影區域，如圖2(b)[15]所示。

圖2 無線光陰影效應

礦井下，照明光源排列緊密以確保礦燈下的陰影區域重疊。因此優化無線光通信陰影效應非常必要，礦井通信質量也能得到保證。礦井下無線光通信考慮陰影效應，同樣可簡化通信模型將人作為一個圓柱體。圓柱體的兩側邊緣使得無線光光束衍射，該衍射效應為雙峰高斯效應[11]。

2 礦井空間無線光通信方案

5G技術快速發展，智慧礦井應用隨之發展迅速。中國移動山西公司、陽泉煤業集團和華為公司共同建設了井下5G基站，實現了礦井主巷道和運輸巷道5G信號覆蓋[16]。礦井下全球定位系統(Global Positioning System，GPS)信號無法覆蓋，并且存在電磁和多徑干擾，山西移動5G聯創實驗室自主創新研發了礦井專用天線，5G基站可覆蓋礦井下400 m以上范圍，且上行和下行速率分別可達800和70 Mbit/s。上述5G智能通信系統可滿足礦工通信。智慧礦井平臺還包括智能遠程遙控和智能開采等技術。山東黃金礦業(萊西)公司、中國移動公司和華為公司共同建設了5G無人化智慧礦井，實現了礦井下5G+無人駕駛[17]；萊西公司實現了5G基站網絡與無人駕駛電機車運輸系統網絡對接，5G基站可覆蓋500 m礦井范圍，下行和上行速率分別可達800和100 Mbit/s。

礦井環境特殊，巷道復雜多變，尤其當礦井事故發生后，礦井結構并不能保持原狀。這時，原有通信鏈路會遭到破壞，不僅事故區域通信會中斷，下方區域同樣可能無法建立連接，更無法監測礦井下具體情況，地面救援部隊無法展開有效救援。礦井結構復雜，傳統射頻通信信號因持續衰減而無法到達接收端，而無線光通信同樣會面臨衰減問題，因此中繼方案可應用到礦井無線光通信中。該方案可實現礦井下長距離通信，將礦井下信息傳遞到地面。

無線光中繼技術能夠優化因通信場景復雜而導致信號衰減的問題，無線光信號更是適用于礦井危險場景下通信。如圖3所示，一個礦井多波長無線光中繼通信方案被提出，其可實現礦井下緊急通信[18]。如圖所示，礦井下分布有紅外光、紫外光和中繼通信設備，礦井地面上有指揮調度設備，它們之間采用無線光進行通信。該方案中采用兩種無線光：紅外光和紫外光。在礦井巷道干路，紅外光實現信息短距離傳輸；紫外光實現遠距離傳輸。礦井中繼端接收紅外光信號并發射紫外光信號實現中繼。中繼端通過無線光中繼轉發，將礦井巷道和工作面相關信息回傳到地面設備。為避免更高的通信成本，可將射頻信號和無線光以混合方式形成混合通信系統，實現礦井下通信。

圖3 礦井多波長無線光中繼通信方案

圖4所示為一種礦井無線光混合中繼通信方案，礦井隧道同樣可以采用該通信方案實現地面-礦井通信[19]。無線光信號用于傳遞礦井電力網絡波動信息，射頻信號用于將監測信息傳遞到地表甚至衛星。相位測量單元(Phase Measuring Unit，PMU)用于測量電力網絡振蕩引起的電相位變化，以提升電能系統(Electric Power System，EPS)的可觀測性。同時，還為PMU提供協調世界時(Coordinated Universal Time, UTC)，利用礦燈位置信息提供定位信息。而超小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)用來防止地震等摧毀通信設備而無法傳輸信號。這一通信方案中，無線光下行信號將位置和UTC信息傳遞給PMU裝置，射頻上行信號將監測和位置信息傳遞給VSAT裝置。由于無線光耗能低、帶寬高且具有指向性，所以無線光通信技術可應用于礦井無人機通信[20]。

圖4 礦井無線光混合中繼通信方案

發生災難時，通常是機器人取代人員進行救援。當礦井發生塌方凹陷機器人無法通過區域時，無法獲得礦井下信息。而且長距離通信，控制信號無法準確到達機器人實現精準控制。礦井無人機無線光通信可較好地處理上述問題，現有難點為需考慮續航、定位精準度和高速率數據傳輸等問題[21]。

3 礦井空間無線光定位

GPS信號無法穿透礦井地下區域實現定位，基于RFID和ZigBee等射頻信號的定位技術易受到電磁干擾而無法實現精準定位，而且這些射頻通信設備易遭受礦井環境腐蝕如高溫和水蒸氣等。礦井下現存的燈具，包括礦壁燈和礦工安全帽燈等，可為無線光通信提供基礎設備。這些設備耐腐蝕和低耗，且礦燈位置通常固定，因此可通過礦燈已知位置計算出礦工位置。同樣地，礦井無線光定位設備也需要合理安放在礦井彎曲復雜環境中。

礦井地下結構錯綜復雜，且隨著礦物不斷開采，礦井結構也相繼發生變化。尤其在發生礦井事故時，礦井結構發生變化更是無法對礦工實現定位救援。因此，礦井隧道建模非常有必要。三維激光掃描系統可用于進行軌道隧道結構建模，其同樣適用于礦井隧道建模[22]。這一掃描系統主要由圓形激光器和攝像機組成，其通過對隧道表面進行掃描來獲取數學結構。通過獲取的數學模型可檢測出隧道變形區域，同時實現了礦井隧道安全檢測。而根據該模型可詳細繪制出整個礦井隧道結構圖，為礦工和采礦機器提供定位依據。但因礦井環境特殊，需考慮激光掃描安全問題，防止礦井安全事故發生。

礦燈通常為LED照明設備，具有壽命高、能效高和電壓低等特點，因此非常適合作為礦井無線光通信設備。礦燈位置固定，因此位置信息可提供給礦工或礦車，作為計算自身位置的參考信息。礦井下精準定位為研究難點，基于礦燈的三邊測量無線光定位方案被提出[23]。如圖5(a)所示，根據三邊測量方法可實現礦工和礦車的定位。該方案根據3個礦燈的位置信息計算出礦工和礦車位置。礦燈位置信息通過無線光發送到礦工和礦車接收裝置，并且將自身位置反饋給礦燈上的接收裝置，實現礦井下的定位功能。 但礦井下，礦燈排列需要滿足照明需求，不可全部按照三角排列方式安放礦燈，因此該方案適用范圍較小。小區識別號(Identity Document，ID)技術常用于定位系統，但通信小區的大小和密度會影響定位精準度。礦井定位小區ID方法同樣可用于無線光中，同樣需要考慮精準度問題。一個基于小區ID自適應無線光定位方法被應用于礦井，通過控制LED發送自身位置實現定位，如圖5(b)所示[24]。該定位方法同時考慮了通信小區有和無重疊覆蓋兩種情況，并可計算兩種情況的最大計算誤差。礦井礦燈光束覆蓋為無重疊覆蓋情況下，礦車等定位可采用低精度定位方式，通信小區定位信息覆蓋可按間隔方式發送，其他LED僅為照明功能。礦工等定位為高精度定位，全部LED發送定位信息且控制通信小區重疊區域，實現更加精準定位?；诘V井無線光三邊測量定位方法，一種無線光三維三邊測量礦井定位系統被提出[25]。該系統網絡由3層組成：接入層、分布層和核心網絡層，定位監控中心位于核心網絡層。此礦井無線光定位系統可計算出礦井光源和接收端距離，實現礦井下無線光三維定位。礦工實時定位能保證礦工安全，礦井無線光定位還需要考慮其他光源干擾和精確度等問題。因為實際礦井環境更加復雜，華策光通信公司進行了工業井下巷道無線光人員定位系統測試[26]。該無線光定位系統將無線光通信裝置與礦燈結合，實現了礦井人員的定位。將礦井下的巷道燈位置信息作為定位坐標，礦工佩戴的無線光礦燈為接收和反饋坐標消息裝置。該無線光定位系統下，定位精度可達10 m，且可通過礦井下光纖網絡將定位信息傳遞至地面礦井信息管理分析系統。

圖5 礦井無線光定位

4 礦井空間無線光傳感

地下礦井巷道總長可達幾千米，為了方便煤礦的開采和運輸，礦井巷道呈樹狀交叉分散在地下。然而礦井環境為高危場所，礦物開采會帶來一系列不可估量的危險。礦物挖掘常伴隨氣體和粉塵等物質產生。礦井開采氣體泄露，包括無毒易爆氣體、劇毒氣體和水蒸氣等其他雜質，礦物粉塵更是會遍布礦井。并且礦井為封閉空間，高壓高溫環境更是對礦工和采礦機器的安全損害嚴重。因此，監控礦井環境信息非常重要，同時還要將這些信息傳遞到地面監控中心。但這些礦井監控信息的傳感，需要面對礦井復雜環境下傳感和通信這兩個共同難點。

4.1 礦井空間射頻傳感

傳統礦井傳感技術可利用RFID、藍牙和ZigBee通信傳遞傳感節點信息。射頻傳感技術具有快速安裝、自組織和動態協議等優點，并且無線傳感節點很小，容易安裝在礦井中[27-28]。礦井無線傳感技術使得礦工安全和采礦產量進一步得到保證，其雖可應用于礦井，但也存在許多缺陷。首先要考慮傳感節點的安全問題，高溫高壓和水蒸氣容易對節點傳感器造成腐蝕。同時需要考慮供能問題，以實現礦井安全的長時間監控。而且射頻信號衰減嚴重，無法實現長距離信息傳遞，礦井傳感信息無法傳遞到地面。雖然無線傳感的組網方式可實現長距離傳輸，但組網方式存在系統延遲嚴重和動態協議選擇等問題，并且在礦難事故發生后，傳感節點被破壞，監控信息無法傳遞到地面監控中心。礦井巷道不規則，傳感節點分布同樣需要進行設計才能合理監控。

面對傳統射頻傳感技術存在的延遲高和通信速率低等問題，一種礦井5G網絡架構被提出[29]。該礦井5G網絡基于非獨立組網方式構成，可結合礦井4G網絡實現語音、調度、巡檢機器人、環境監測傳感、虛擬現實/增強現實和無人車輛駕駛等智能應用。并探討了礦井5G網絡下的3種組網方式，包括光纖直連、無源波分復用和有源光傳送網方案?；?G環境監測網絡，可實現高清視頻監控。

4.2 礦井空間無線光傳感

無線傳感節點通常需要固定，易受礦井環境結構變化影響。而射頻信號在礦井下存在帶寬不足和衰減嚴重等問題，可與無線光技術結合實現傳感信息監控。一個基于光決策機制的人類安全管理算法被提出，可利用傳感器傳感信息監控和預測礦井下安全[4]。采礦作業時，無線光信號傳遞多個傳感器監控信息至遠程控制中心。該算法在采礦過程中根據傳感器回傳信息通過云計算評估礦井安全情況。但這類無線光傳感方法只可測量某固定區域狀態，當這一傳感節點損耗就無法繼續監控傳感。因此，可將機器人與無線光傳感技術結合，實現移動巡檢監測傳感礦井安全信息。

為實現礦井下傳感信息的移動監測，一種與RFID和無線光測距技術結合的礦井機器人被應用于礦井下[30]，該機器人搭載個人電腦(Person Computer, PC)終端記錄傳感測距數據。如圖6(a)所示，RFID實現傳感節點識別，無線光測距技術實現精準定位。機器人還可搭載其他傳感器，實現多傳感信息監控，如溫度、壓強和氣體等。礦井環境復雜多變，不僅會出現凹凸不平地面，而且涌水時會出現水坑，傳統機器人無法通過涉水區域。一種水陸兩用傳感機器人被應用于礦井下實現傳感信息的監控和之后的信息地面傳遞，如圖6(b)[31]所示。該機器人可實現事故區域探測，避免救援人員受到傷害。

圖6 礦井傳感[30-31]

5 智慧礦井無線光技術挑戰與展望

礦井礦物通常處于地底深處，為保證礦工正常工作環境，照明設施需排列緊密提供照明強度。但無線光提供覆蓋通信時必需考慮干擾問題。不同通信小區間的干擾導致通信質量太差，無法保證基本通信。因此，可借鑒5G通信多天線設計，天線具有指向性。礦井照明燈具中LED子陣列光束具有指向性，使得通信小區呈現蜂窩式覆蓋。相鄰通信小區為規律分布，指向光束僅覆蓋固定區域，而不像傳統朗伯光束向下覆蓋時存在邊緣弱和干擾等問題。

礦物開采和運輸到地面時，粉塵漂浮在空氣中，不僅危害了礦工和機器安全，而且無線光在提供通信時，粉塵容易附著在燈具表面。隨著時間加長，粉塵容易遮擋住光束發散，光束光功率大幅度衰減?？刹捎么蠊β蔐ED應對衰減問題，但此時需考慮供能和安全問題。因不同波長的光束衰減不同，可采用紅、綠和藍3色光進行通信覆蓋。

礦井巷道歪曲復雜，而無線光存在LOS傳播特性。采用紫外光作為中繼方式時，首先由于多徑效應信號衰減嚴重，再還需考慮燈光對人眼的傷害。為應對巷道口信號中轉問題，可利用逆反射器技術對無線光信號進行中繼傳輸。巷道深處安放逆反射器，交叉路口的中繼站將不含信息的無線光發射到逆反射器上。逆反射器裝置將需傳遞的信息如位置信息等加載到接收光束上，再通過逆反射器將光束反射回中繼站，實現礦井通信中繼。

礦車發生的安全事故也不少見，如何實現礦車實時定位和防碰撞極為重要。因礦燈的位置是固定在礦井壁上的，因此可通過礦井無線光技術實現定位。礦車上可同時安裝無線光發射接收裝置接收礦燈發射無線光的位置信息，并通過接收功率計算出自身位置，然后將自身位置信息發送給安裝在礦壁上的接收裝置，向地面傳遞礦車位置信息。同樣地，前后礦車可通過安裝無線光通信裝置實現礦車間通信，根據位置信息判斷安全距離，實現防碰撞功能。