煤矿井下泛在感知网络无线传输影响因素研究*

刘新蕾，沈 斌,3，秦宪礼，程可桥

0 引 言

大量矿难事故的原因调查分析显示，井下的生产安全监管系统监测的局限性和响应的延迟性，是造成事故发生和扩大的一个重要原因。感知矿山物联网利用先进的监测监控设备，实现感知煤矿各种灾害的预兆，并且在感知到灾害的基础上做到事故的预报警，最终实现主动预防矿山灾害，是矿山安全生产监测监控系统的发展趋势[1-3]。矿山物联网系统建设的关键之一是井下泛在无线传感网络的建设[4-5]。目前，我国煤矿安全监控系统尚缺少感知网络，煤矿井下无线覆盖的感知层网络基本没有，而我国煤矿现在正在使用的一些传感器和监测系统大多基于有线网络，能够监测固定的设备和周围环境的状态，但不适用于环境不确定的流动场合，如煤矿中危险源的位置、分布、流动规律以及煤矿流动作业等，存在很大的感知盲区。井下泛在无线传感网络建设的关键技术问题，是煤矿地下电磁波传输理论及其相关技术。为了促进煤矿井下电磁波无线传输技术的发展，国家安全生产监督总局特意把煤矿井下电磁波传输技术的理论研究定为矿山救援“十三五”计划的重点项目。可见，建立一个能够实现煤矿井下全覆盖的无线传感网络，成为矿山物联网应用亟需解决的课题之一。而矿井巷道中无线电磁波的传输损耗等问题，又是影响无线传感网络的关键问题。

本文通过软件仿真和现场试验开展了煤矿井下受限空间中无线传输主要影响因素的研究，以期指导煤矿井下泛在无线传感网络和矿山物联网系统的建设。

1 井下无线传输的环境特点及无线传输分析方法

1.1 井下无线传输的环境特点

矿井巷道的环境特别复杂，巷道四壁表面粗糙，地面坎坷不平，巷道较长，有的巷道长达几十千米，且巷道中还安放着通风设备、安全支护设备以及其他的大功率机电设备等。矿井无线通信系统因其所处环境的特殊性而不同于常见的陆地无线通信系统[6]。

（1）矿井巷道中含有一氧化碳、瓦斯、二氧化硫、粉尘等易燃易爆成分，因此对井下无线通信设备安全性能的要求，相比地面的无线通信设备的安全性能要高、要严格。井下无线通信设备必须是安全性能非常好的本安型防爆设备。

（2）由于矿井巷道的空间受限、巷道壁的表面凹凸不平、巷道存在不同程度的倾斜且有拐弯和分叉，巷道中存在一些常用的机电设备等障碍物，导致电磁波的传输损耗大。

（3）“本安型防爆设备”这一条件，决定了井下无线传输网络设备的发射功率较小，一般小于等于5 W。

（4）井下巷道的空间狭小，一些机电设备相对较为集中，且这些设备功率较大，易对电磁波的传输造成严重干扰，所以井下通信设备应具有很强的抗干扰、抗噪声能力。

（5）矿井的工作环境并非固定不变，而是一个随时都在发生着变化的动态环境。这对通信质量、可靠性等方面提出了较高要求。此外，无线通信系统除传送语音信息外，还需要传送视频、监测数据等信息，要求系统要有较大的信道容量。

1.2 马卡梯里（Marcatili）近似分析法

在实际的矿井巷道中，电磁波会因为矿井巷道中存在的各种障碍物的影响而发生一定的折射，从而引起巷道内电磁波能量的衰减。对于入射角较小的入射波，在大量电磁波模式入射到巷道壁上时，会造成较大的折射损耗，其中一些模在经历了若干次（次数比较少）反射后，其电磁能几乎降为零，称这类模式为高次模；而对于入射角较大的入射波，可以将其电磁波的场矢量近似认为与轴向平行，此时可视反射系数R≈-1，在满足导行条件时，电磁波衰减很小，能够进行远距离传播，称这类模式为传输模[7]。波导的模式理论式可以用来对巷道中各传输模进行分析，同时有必要说明的是，因巷道壁侧面的不连续性即波导（巷道）介质的不连续性，会引起TMmn波与TEmn波之间的耦合。因此，在波导边界介质不连续的条件下，在二维限制场的TMmn波与TEmn波无法被单独分开，只能看作是混合的EH波和HE波。但是，电磁场的主要能量集中在巷道横截面内，可以用TEM模近似此时的传输波模[8]。分析TEM模时，只需求解两类场型即可，即传输模的横向电磁主分量是水平的，电磁场的主要分量是Ex、Hy，称为水平极化模；传输模的横向电磁主分量为垂直的，电磁场的主要分量是Ey、Hx，称为垂直极化模。关于此类场的求解，可采用马卡梯里近似分析法[10]，如图1所示。

图1 矩形波导截面的马卡梯里近似分析法

把波导截面划分成9个区域，对应的折射率常数分别为n1～n9。图1中，a、b分表代表波导的宽和高。对于空心介质波导，如果要对其场的分布进行求解，理论上应先分别求出波导界面被划分的各个区域的场函数，再结合各区域上与之相对应的边界条件，求解其对应的传播常数和场函数。但是，这样精确的求解过程很困难，需要将问题简化，并利用近似方法求解。根据马卡梯里近似理论[11]，波导的芯区是电磁场能量的主要分布所在，而射入到其他几个区域的能量很少，甚至可以忽略不计。马卡梯里认为，在光能量集中在芯区的情况下，可以用三层平板波导的结果求解传输模的场函数和传播常数。

根据上述理论，由麦克斯韦方程组、波动方程及巷道壁的切向电场和切向磁场边界条件，可以求解电磁场的各个分量，可得的各个场分量表达式：

式中kx、ky、kz分别表示 x、y、z轴方向上的传播常数，且满足色散条件：

2 巷道中电磁波衰减影响因素研究

2.1 频率对巷道电磁波衰减的影响

高次模的能量在近场区域经过若干次折射、反射后损耗非常大，几乎全部损耗完，因此在远场区域传输的电磁波主要以基模传输为主。取m=n=1，对水平极化波和垂直极化波的基模进行仿真。假定空直巷道的截面尺寸为宽4 m、高3 m，顶底板与两侧壁的介电常数ε1、ε2相同。对电磁波的衰减常数随频率的变化进行仿真模拟，得到电磁波的衰减常数随频率的变化曲线，如图2所示。

图2 频率对无线电波衰减率的影响

由图2可知，随着电磁波频率的增大，电磁波传输模衰减系数逐渐减小，即随着频率的增大，电磁波在传输过程中的衰减损耗逐渐减小，且在相同传输频率下，垂直极化波的衰减系数要大于水平极化波的衰减系数。

2.2 巷道横截面对电磁波衰减的影响

由损耗介质围成的实际巷道中，在巷道中传播的波模既非单纯的TEmn波模也非单纯的TMmn波，而是二者的线性组合。因此，巷道中某点所有模式的电场相叠加，即为该点的电场分布。由于巷道中电磁波的模式数量非常大，对所有的电磁波模式进行计算是不可能完成的也是完全没必要的。电磁波高次模在传输过程中的衰减很大，远小于低次模对电场分布的作用。因此，在对电磁波的场强进行仿真模拟研究时，只选取了（1，1）～（15，15）范围的模式，选取信源频率为1 000 MHz条件下，不同巷道截面尺寸对电磁波衰减的影响进行仿真，结果如图3、图4所示。

图3 不同巷道截面对电磁波衰减率影响（巷道宽3 m，高2 m）

图4 不同巷道截面对电磁波衰减率影响（巷道宽2 m，高3 m）

图3 和图4分别是巷道截面宽3 m、高2 m和巷道截面宽2 m、高3 m条件下的仿真结果。由图3可知，在宽3 m、高2 m即宽大于高的巷道中，垂直极化波的场强明显小于水平极化波的场强，而在宽2 m、高3 m的巷道中，情况刚好相反。图4中的水平极化曲线刚好是图3中的垂直极化曲线。这是因为巷道的高度和宽度对调，相应于水平极化和垂直极化的对调[12]。说明在宽小于高的巷道中，使用垂直极化天线能够获得比较理想的通信效果。同时，说明随着巷道截面尺寸的变化，电磁波场强的分布也会随之变化。图3和图4均表明，在距激励源较近的区域，强度的变化比较迅速；在远场区的变化则相对缓慢。这是因为在近场区高次模的衰减比较严重，而在远场区则以低次模传输为主。

图5 电场强度随巷道面积变化情况（巷道宽4 m，高3 m）

图5 是在发射频率1 000 MHz，巷道宽4 m、高3 m的条件下仿真的结果。对比图3、图4可知，在同等条件下，随着巷道面积的增加，电磁波的场强会增大，即电磁波的衰减会减小。

2.3 矿车对电磁波传输的影响

矿车是井下不可缺少的交通运输工具。实际生产中，经常会见到一列或两列矿车存在于巷道中。在矩形巷道中，将巷道和矿车都视为长直的良导体。巷道中含有列车时，根据所处环境的不同，可以使用以下两种不同的模型对其进行研究。一种是干燥的环境，如铁路隧道等巷道底面是用木质的枕木铺设而成的。这种环境下可以将列车的底面与巷道底面看作相绝缘，作用原理类似于同轴电缆。另一种是比较潮湿的环境，如煤矿巷道中铁轨经常浸泡在潮湿的环境中。这种环境下可以把列车的底面看作与巷道底面相通，将巷道和矿车视为一个整体异型波导[13]。图6是矩形巷道中仅有一辆列车时的截面示意图，采用二维平面直角坐标系，坐标原点选在巷道底面的正中间，要研究的问题为x-y平面的二维问题。

图6 含一辆矿车时矩形巷道

图7 是巷道中存在一辆矿车时，距激励源50 m处电磁波的场强分布模拟曲线图。

图7 巷道含一辆矿车时电磁波场强随频率变化情况

巷道中矿车的存在相当于减小了巷道的实际面积，从而改变了电磁波场强的分布。由图7可知，当电磁波的工作频率低于300 MHz时，电磁波两种波模的衰减都相当明显，不利于电磁波的传输，远距离通信无法达到好的通信效果；当其工作频率达到400 MHz以上时，水平极化波和垂直极化波的衰减随着频率的增加都没有太大变化，电磁波的场强逐渐趋于平稳。说明对于频率低于300 MHz的电磁波，矿车的存在明显加速了电磁波衰减，但对于频率在450 MHz以上的电磁波，矿车的存在对电磁波衰减的影响将不再明显。

3 现场试验

3.1 井下无线传输测试系统及测试方案

井下无线传输测试系统前期研究的是基于矿灯的无线瓦斯收发系统[14]。该系统主要由无线瓦斯报警矿灯和无线接收分站组成，如图8所示。系统工作在433/868/915 MHz 3个频道。测试过程中，设备的无线发射系统功率始终为0.5 W，天线的增益为5 dB，接收的灵敏度为100 dB。实验过程中，采用模拟瓦斯超限，超限信号的发射由程序控制，信号发射间隔设置为开启后每3 s发射一次。此次现场测试以可靠传输距离来衡量传输效果。设定每次测试时间为90 s，发射30次信号，以能接收到信号不低于27次的距离作为判定依据，反之为不可靠。

图8 井下无线传输测试系统

3.2 频率对传输的影响

设定3套无线传输装置的通信频率为433 MHz、868 MHz、915 MHz，每个频率在同一巷道中选取五个不同的测试点，分别测出每个测试点的最大可靠传输距离，并求其平均值作为最终参考。测试地点在龙煤集团双鸭山分公司东荣二矿的运输大巷，巷道宽4.2 m、高3.5 m。该组实验分为井上和井下两组，测试结果如表1、表2所示。

表1 不同频率下井上空旷地测试结果

表2 巷道中不同频率对传输距离的影响

对比表1和表2可知，当发射频率为433 MHz时，井下的传输距离急剧减小，大约只有井上距离的1/4，而频率为868 MHz和915 MHz时，其井下的传输距离也有较大缩减，只有井上距离的一半多，说明井下的传输环境要比井上的传输环境复杂，电磁波的传输会受到多种因素的干扰。由表2可知，当频率为868 MHz和915 MHz时，传输距离要远大于频率为433 MHz时的传输距离，而915 MHz时的传输距离最大，说明频率越高，电磁波传输过程中的衰减越小，与模拟所得结果相一致。

3.3 巷道截面对传输的影响

测试方法与测试频率对传输的影响相同，测试地点分别在运输大巷（宽4.2 m，高3.5 m）、回风巷（宽3 m，高2.7 m）和掘进巷道（宽4 m，高3 m）。不同频率下的测试结果分别如表3、表4和表5所示。

由表3到表5可知，随着巷道截面的减小，三种频率下的可靠传输距离都有所减小，说明巷道截面尺寸会对电磁波的传输造成影响。截面尺寸越小，越不利于电磁波的传输。三种频率下，以433 MHz随巷道尺寸减小而减小的最为明显，也说明在井下巷道中宜选择高频电磁波。

3.4 矿车对传输的影响

测试方法与测试频率对传输的影响相同，测试地点分别在运输大巷（宽4.2 m，高3.5 m），不同频率下的测试结果分别如表6、表7和表8所示。

表3 433 MHz下的可靠传输距离

表4 868 MHz下的可靠传输距离

表5 915 MHz下的可靠传输距离

表6 433 MHz条件下的可靠传输距离

表7 868 MHz条件下的可靠传输距离

表8 915 MHz条件下的可靠传输距离

由表6、表7和表8可知，矿车的存在使得3种频率下的可靠传输距离都有所减小，433 MHz减小的较明显，其他两种频率下减小的均不明显。

4 结 语

基于马卡梯里（Marcatili)）近似分析法，采用MATLAB仿真和现场测试，研究了井下受限空间中频率、巷道断面和矿车3个因素对无线传输能量损耗的影响规律，得到如下结论：

（1）电磁波的衰减损耗大小与频率成反比。随着频率的增大，电磁波在传输过程中的衰减损耗逐渐减小，且在相同传输频率下，垂直极化波的衰减系数要大于水平极化波的衰减系数。

（2）巷道断面大小和电磁波的衰减量成反比。在同等条件下，随着巷道面积的增加，电磁波的场强会增大，电磁波的衰减会减小。在宽大于高的巷道中，垂直极化波的场强明显小于水平极化波的场强。

（3）矿车对电磁波的衰减作用和工作频率相关。当频率低于300 MHz的电磁波时，矿车的存在明显加速了电磁波的衰减；当频率大于450 MHz时，矿车的存在对电磁波衰减的影响不明显。

（4）现场试验结果与模拟所得结果基本一致，说明该模拟方法和结果可以指导煤矿井下泛无线传输网络的现场设计与应用。

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