UWB 技術在露天礦火災安全巡檢中的應用

常 琳

（安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京 100013）

目前，我國的煤礦一般分為井工煤礦和露天煤礦，一般來說，單個露天煤礦的產量要多于單個井工煤礦的產量，在新的歷史背景下，安全生產成為煤礦所有要預防及處理問題中的重中之重。露天煤礦的安全監測主要集中在機電、運輸、穿爆、火災及邊坡等方面，其中火災又是所有監測中的重點，露天煤礦的火災主要包括內因火災和外因火災2 大類，主要發生在露天煤礦采坑內或采坑附近，內因火災是煤經氧化產生熱量而自然發火；外因火災是外部熱源引燃可燃物造成的發火，要保證露天煤礦持續的安全生產，對環境中的一氧化碳、乙烯、乙炔等由于燃燒所產生的氣體要實時在線監測、預警、分析處理就成為了解決所有問題的關鍵，而在所有由于燃燒所產生的氣體中又以一氧化碳氣體的防治及監測尤為重要，并且在判斷燃燒情況時一氧化碳氣體是最具有代表性的[1]。

對于露天煤礦火災一氧化碳的監測可分為固定式定點設備監測和便攜式移動設備監測，固定式定點設備只可對特定位置區域進行監測及采集，無法實現全區域的監測；而便攜式移動設備可以實現全區域的監測，但是無法實現當前位置精確定位。

如果可以將精確人員定位技術與一氧化碳移動檢測技術相結合，對于安全巡檢員是否按規定線路、規定時間、規定地點以及規定次數進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的管理水平，還使的火災安全巡檢過程變得簡單可控[2]。

而目前現有的露天礦火災安全巡檢設計方案多采用的技術為電化學檢測結合無線傳輸的方式，一般電化學探頭用于移動監測設備中一氧化碳氣體檢測，Zigbee、wifi、RFID 等無線方式用于移動監測設備所采集到的一氧化碳濃度數據的傳輸，但是現有技術僅僅可以滿足一氧化碳濃度的采集及上傳，無法實現安全巡檢員的定位追蹤、人員管理、應急救援等功能，而基于UWB 激光一氧化碳火災安全巡檢技術的設計方案將UWB 精確定位技術、TDLAS 激光氣體探測技術、無線自組網多跳技術3 種技術融為一體，不但可以實現現有一氧化碳巡檢的基本功能，同時對巡檢人員路線監控、巡檢時間、應急指引、濃度檢測等方面實現安全管理[3]。

1 UWB 激光氣體巡檢技術

1.1 UWB 精確定位技術

常用的UWB 精確定位方式分為2 種：TDOA 測量技術和TOF 測量技術。TDOA 測量技術是通過時間差的方式計算UWB 從信號發射端到信號接收端的時間進行定位的雙曲線定位計算法，UWB 信號接收端可接收覆蓋范圍內所有信號發射端所發出的UWB 信號，而對于任意2 個信號接收端由于其所對應信號發射端的距離不同，那么所接收到的信號時間也不相同，根據雙曲線焦點的數學邏輯推算，當已知4 個信號接收端固定位置的情況下，4 條雙曲線的交點就為信號發射端的發射點，從而可以推算出UWB 信號發射端的確定位置[4-5]。

1.2 TDLAS 激光氣體探測技術

TDLAS 激光氣體探測技術為可調諧半導體激光光譜氣體檢測技術，當含有調制信號的激光穿射過一氧化碳氣體時，由于不同一氧化碳氣體的濃度會引起不同幅度的諧波振蕩，而諧波振蕩的幅度會與一氧化碳氣體的濃度成正比，激光器所發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、單位長度的介質對光的吸收系數；C 為被測氣體的體積分數，%；L 為氣體吸收光路的長度，cm。

同時利用鎖相放大技術來提取接收器所接收到的含有一氧化碳濃度信號的各次諧波振蕩所產生的諧波分量的幅度值：

由上述幅度值反推出一氧化碳氣體濃度值：

式中：Sn為諧波幅值；K 為放大器增益；An為吸收系數的n 次傅立葉系數。

對于諧波分量的提取依據諧波分量次數與幅度成反比，及諧波對稱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行檢測（二次諧波分量產生諧波最大值），同時可利用二次諧波分量與一次諧波分量的比值計算的方式消除剩余幅度干擾及光功率波動，將弱電信號中的一氧化碳濃度信號進行提取檢測[6]。

2 火災安全巡檢應用設計方案

基于UWB 的火災安全巡檢系統主要由火災安全巡檢監測單元（主/備機）、千兆環網交換機、多功能數據采集分站、數據傳輸定位基站、UWB 激光一氧化碳巡檢儀等幾個單元組成。

1）火災安全巡檢監測單元。主要用于多功能數據采集分站、數據傳輸定位基站、UWB 激光一氧化碳巡檢儀數據交互及整個系統的管理，UWB 激光一氧化碳巡檢儀將檢測到的當前一氧化碳濃度值通過無線的方式傳輸給數據傳輸定位基站，同時UWB 激光一氧化碳巡檢儀與數據傳輸定位基站通過TDOA的方式完成人員位置計算，定位信息及一氧化碳濃度信息通過CAN 總線的傳輸鏈路上傳至多功能數據采集分站，各多功能數據采集分站將所匯總的信息上傳至火災安全巡檢監測單元進行存儲分析，火災安全巡檢監測單元通過對人員信息參數、巡檢路線參數、一氧化碳濃度參數、位置位移參數等進行分析，首先實現對安全巡檢員是否按規定線路、時間、地點以及次數進行安全檢查，更重要的是實現人員考勤功能的管理、人員定位追蹤功能的管理、違規報警功能的管理、求救報警及緊急撤離功能的管理[7]。

2）多功能數據采集分站。分站將基站采集到的定位數據、一氧化碳濃度數據、UWB 激光一氧化碳巡檢儀本體數據等進行解析，數據采集分站通過DW1000 模塊經過射頻模塊與數據傳輸定位基站進行無線數據交互，同時也可通過數據傳輸模塊采用CAN/RS485/光纖進行有線數據交互，并且數據采集分站同時兼容CC2530 模塊、WIFI6 模塊等無線通訊功能單元。數據采集分站接收火災安全巡檢監測單元的指令，同時進行與數據傳輸定位基站的雙向通訊，功能顯示模塊主要用于設備運行狀態監測及功能展示，多功能數據采集分站設計方案如圖1[8]。

圖1 多功能數據采集分站設計方案

3）數據傳輸定位基站。數據傳輸定位基站與UWB激光一氧化碳巡檢儀之間通過DW1000 模塊進行無線數據交互，當已知4 個數據傳輸定位基站固定位置的情況下，4 個基站的覆蓋半徑根據接收到的UWB 激光一氧化碳巡檢儀所發射出的信號會形成4 條雙曲線的交點就為UWB 激光一氧化碳巡檢儀的發射點，從而可以推算出其確定位置，各功能模塊輔助完成與“上、下”鏈路之間的數據交互，數據傳輸定位基站設計方案如圖2[9]。

圖2 數據傳輸定位基站設計方案

4）UWB 激光一氧化碳巡檢儀：主要功能實現當前位置的定位及當前環境中一氧化碳濃度的采集，通過DW1000 模塊應用TDOA 的算法實現數據傳輸定位基站對UWB 激光一氧化碳巡檢儀的定位，同時核心CPU 通過信號調制模塊對激光器進行諧波調制，當含有調制信號的激光經過一氧化碳氣體的吸收后經接收器通過鎖相放大模塊將含有一氧化碳濃度參數的信號發送到核心CPU 中，判斷出當前環境中的一氧化碳濃度值，UWB 激光一氧化碳巡檢儀設計方案如圖3[10]。

圖3 UWB 激光一氧化碳巡檢儀設計方案

3 結語

從理論層面深入的探討了UWB 激光一氧化碳巡檢技術，通過對UWB 精確定位及TDLAS 激光氣體探測方式的分析設計出露天礦火災安全巡檢技術應用方案，將火災安全巡檢系統與礦用人員管理系統、安全監控系統、語音廣播通訊系統相結合對安全巡檢工作進行全面的管理，通過“定人、點、時”的方式避免人為因素的影響，對巡檢過程中的路線、時間、濃度檢測方式進行規劃，大幅度的提升了應急救援措施在事故發生后的施救效率，為露天礦的火災安全巡檢提供了更便利的條件，同時為未來煤礦安全監測提供了一個有效的路徑及指導方向。