UWB 技术在露天矿火灾安全巡检中的应用

常 琳

（安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013）

目前，我国的煤矿一般分为井工煤矿和露天煤矿，一般来说，单个露天煤矿的产量要多于单个井工煤矿的产量，在新的历史背景下，安全生产成为煤矿所有要预防及处理问题中的重中之重。露天煤矿的安全监测主要集中在机电、运输、穿爆、火灾及边坡等方面，其中火灾又是所有监测中的重点，露天煤矿的火灾主要包括内因火灾和外因火灾2 大类，主要发生在露天煤矿采坑内或采坑附近，内因火灾是煤经氧化产生热量而自然发火；外因火灾是外部热源引燃可燃物造成的发火，要保证露天煤矿持续的安全生产，对环境中的一氧化碳、乙烯、乙炔等由于燃烧所产生的气体要实时在线监测、预警、分析处理就成为了解决所有问题的关键，而在所有由于燃烧所产生的气体中又以一氧化碳气体的防治及监测尤为重要，并且在判断燃烧情况时一氧化碳气体是最具有代表性的[1]。

对于露天煤矿火灾一氧化碳的监测可分为固定式定点设备监测和便携式移动设备监测，固定式定点设备只可对特定位置区域进行监测及采集，无法实现全区域的监测；而便携式移动设备可以实现全区域的监测，但是无法实现当前位置精确定位。

如果可以将精确人员定位技术与一氧化碳移动检测技术相结合，对于安全巡检员是否按规定线路、规定时间、规定地点以及规定次数进行安全检查并做到具体的判知，不仅可以提高煤矿安全生产的管理水平，还使的火灾安全巡检过程变得简单可控[2]。

而目前现有的露天矿火灾安全巡检设计方案多采用的技术为电化学检测结合无线传输的方式，一般电化学探头用于移动监测设备中一氧化碳气体检测，Zigbee、wifi、RFID 等无线方式用于移动监测设备所采集到的一氧化碳浓度数据的传输，但是现有技术仅仅可以满足一氧化碳浓度的采集及上传，无法实现安全巡检员的定位追踪、人员管理、应急救援等功能，而基于UWB 激光一氧化碳火灾安全巡检技术的设计方案将UWB 精确定位技术、TDLAS 激光气体探测技术、无线自组网多跳技术3 种技术融为一体，不但可以实现现有一氧化碳巡检的基本功能，同时对巡检人员路线监控、巡检时间、应急指引、浓度检测等方面实现安全管理[3]。

1 UWB 激光气体巡检技术

1.1 UWB 精确定位技术

常用的UWB 精确定位方式分为2 种：TDOA 测量技术和TOF 测量技术。TDOA 测量技术是通过时间差的方式计算UWB 从信号发射端到信号接收端的时间进行定位的双曲线定位计算法，UWB 信号接收端可接收覆盖范围内所有信号发射端所发出的UWB 信号，而对于任意2 个信号接收端由于其所对应信号发射端的距离不同，那么所接收到的信号时间也不相同，根据双曲线焦点的数学逻辑推算，当已知4 个信号接收端固定位置的情况下，4 条双曲线的交点就为信号发射端的发射点，从而可以推算出UWB 信号发射端的确定位置[4-5]。

1.2 TDLAS 激光气体探测技术

TDLAS 激光气体探测技术为可调谐半导体激光光谱气体检测技术，当含有调制信号的激光穿射过一氧化碳气体时，由于不同一氧化碳气体的浓度会引起不同幅度的谐波振荡，而谐波振荡的幅度会与一氧化碳气体的浓度成正比，激光器所发出的光功率与接收器所接收的光功率符合比尔-朗伯定律，公式为：

式中：I(v)为光电接收器接收到的光功率，mW；S为光收集（耦合）效率，%；Io(v)为半导体激光器输出的光功率，mW；α(v)为在频率v 处，单位浓度、单位长度的介质对光的吸收系数；C 为被测气体的体积分数，%；L 为气体吸收光路的长度，cm。

同时利用锁相放大技术来提取接收器所接收到的含有一氧化碳浓度信号的各次谐波振荡所产生的谐波分量的幅度值：

由上述幅度值反推出一氧化碳气体浓度值：

式中：Sn为谐波幅值；K 为放大器增益；An为吸收系数的n 次傅立叶系数。

对于谐波分量的提取依据谐波分量次数与幅度成反比，及谐波对称性与幅值叠加变化的原则选取偶次谐波中的二次谐波分量进行检测（二次谐波分量产生谐波最大值），同时可利用二次谐波分量与一次谐波分量的比值计算的方式消除剩余幅度干扰及光功率波动，将弱电信号中的一氧化碳浓度信号进行提取检测[6]。

2 火灾安全巡检应用设计方案

基于UWB 的火灾安全巡检系统主要由火灾安全巡检监测单元（主/备机）、千兆环网交换机、多功能数据采集分站、数据传输定位基站、UWB 激光一氧化碳巡检仪等几个单元组成。

1）火灾安全巡检监测单元。主要用于多功能数据采集分站、数据传输定位基站、UWB 激光一氧化碳巡检仪数据交互及整个系统的管理，UWB 激光一氧化碳巡检仪将检测到的当前一氧化碳浓度值通过无线的方式传输给数据传输定位基站，同时UWB 激光一氧化碳巡检仪与数据传输定位基站通过TDOA的方式完成人员位置计算，定位信息及一氧化碳浓度信息通过CAN 总线的传输链路上传至多功能数据采集分站，各多功能数据采集分站将所汇总的信息上传至火灾安全巡检监测单元进行存储分析，火灾安全巡检监测单元通过对人员信息参数、巡检路线参数、一氧化碳浓度参数、位置位移参数等进行分析，首先实现对安全巡检员是否按规定线路、时间、地点以及次数进行安全检查，更重要的是实现人员考勤功能的管理、人员定位追踪功能的管理、违规报警功能的管理、求救报警及紧急撤离功能的管理[7]。

2）多功能数据采集分站。分站将基站采集到的定位数据、一氧化碳浓度数据、UWB 激光一氧化碳巡检仪本体数据等进行解析，数据采集分站通过DW1000 模块经过射频模块与数据传输定位基站进行无线数据交互，同时也可通过数据传输模块采用CAN/RS485/光纤进行有线数据交互，并且数据采集分站同时兼容CC2530 模块、WIFI6 模块等无线通讯功能单元。数据采集分站接收火灾安全巡检监测单元的指令，同时进行与数据传输定位基站的双向通讯，功能显示模块主要用于设备运行状态监测及功能展示，多功能数据采集分站设计方案如图1[8]。

图1 多功能数据采集分站设计方案

3）数据传输定位基站。数据传输定位基站与UWB激光一氧化碳巡检仪之间通过DW1000 模块进行无线数据交互，当已知4 个数据传输定位基站固定位置的情况下，4 个基站的覆盖半径根据接收到的UWB 激光一氧化碳巡检仪所发射出的信号会形成4 条双曲线的交点就为UWB 激光一氧化碳巡检仪的发射点，从而可以推算出其确定位置，各功能模块辅助完成与“上、下”链路之间的数据交互，数据传输定位基站设计方案如图2[9]。

图2 数据传输定位基站设计方案

4）UWB 激光一氧化碳巡检仪：主要功能实现当前位置的定位及当前环境中一氧化碳浓度的采集，通过DW1000 模块应用TDOA 的算法实现数据传输定位基站对UWB 激光一氧化碳巡检仪的定位，同时核心CPU 通过信号调制模块对激光器进行谐波调制，当含有调制信号的激光经过一氧化碳气体的吸收后经接收器通过锁相放大模块将含有一氧化碳浓度参数的信号发送到核心CPU 中，判断出当前环境中的一氧化碳浓度值，UWB 激光一氧化碳巡检仪设计方案如图3[10]。

图3 UWB 激光一氧化碳巡检仪设计方案

3 结语

从理论层面深入的探讨了UWB 激光一氧化碳巡检技术，通过对UWB 精确定位及TDLAS 激光气体探测方式的分析设计出露天矿火灾安全巡检技术应用方案，将火灾安全巡检系统与矿用人员管理系统、安全监控系统、语音广播通讯系统相结合对安全巡检工作进行全面的管理，通过“定人、点、时”的方式避免人为因素的影响，对巡检过程中的路线、时间、浓度检测方式进行规划，大幅度的提升了应急救援措施在事故发生后的施救效率，为露天矿的火灾安全巡检提供了更便利的条件，同时为未来煤矿安全监测提供了一个有效的路径及指导方向。