矿井5G电磁波辐射能量安全性研究

煤矿井下无线射频设备发出的电磁波能量耦合到金属结构上的储能元件中,一旦金属结构存在断点并发生通断接触,积聚的电磁波能量产生的放电火花就可能引起瓦斯爆炸,5G采用大规模多输入多输出(MIMO)技术,存在多个发射天线之间的功率叠加问题,增大了点燃瓦斯气体的可能性。针对该问题,分析了电磁波辐射能量与金属结构的耦合过程,得出了金属负载谐振时放电火花点燃瓦斯气体的条件:如果放电火花在100μs内释放的能量超过0.28mJ,则能够点燃瓦斯气体。利用射线追踪法建立了巷道电磁波能量传播模型,通过电磁仿真软件Wireless insite在5G频段下对单天线和多天线射频设备进行仿真,结果表明:电磁波能量以辐射形式传播,工作频率在700 MHz以上的单天线射频设备发出的电磁波能量是本质安全的,而4T4R(4发4收)多天线射频设备与金属结构之间的最小安全距离为0.25m。     

井下金属结构等效接收天线的放电火花安全性研究

煤矿井下巷道内分布的金属结构可等效为接收天线吸收电磁波能量,并在特定条件下以放电火花形式释放能量,积聚的能量存在点燃爆炸性气体的风险。针对该问题,分析了金属结构等效为接收天线时放电火花点燃瓦斯气体的条件,推导出放电火花作为负载可吸收最大功率的计算表达式,得出瓦斯气体体积分数为8.5%时,金属结构等效为接收天线情况下放电火花不会点燃瓦斯气体的最大允许功率为2.8 W。通过Wireless Insite电磁仿真软件对射频设备不同工作条件下放电火花作为负载可吸收最大功率进行仿真,结果表明:射频设备输出功率越大、射频设备工作频率越小、金属结构距离射频设备越近,负载可吸收最大功率越大,放电火花点燃瓦斯气体的安全隐患越大;射频设备的发射天线与金属结构之间安全距离最小为0.1m时,金属结构在射频设备工作频率800MHz以下频段的射频电磁辐射能量下产生的放电火花存在点燃瓦斯气体的可能,金属结构在射频设备工作频率890MHz以上频段的射频电磁辐射能量下产生的放电火花是本质安全的,不会点燃瓦斯气体。     

煤矿井下无线电波对人体的影响

5G,WiFi6,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的较大功率无线电波会影响煤矿井下作业人员健康,因此,需要研究煤矿井下无线电波对人体的影响。研究了电磁辐射对人体的作用：人体不同部位对电磁辐射吸收能力不同,电磁辐射对人体头部的影响最大。无线电波发射功率限值包括职业暴露限值和公众暴露限值两大类。职业暴露是指作业人员在电磁辐射环境中暴露时间不大于8 h。煤矿井下作业人员的工作时间为每班工作8 h(3班倒)或每班工作6 h(4班倒),因此,煤矿井下无线电波发射功率限值应选择全身职业暴露无线电波发射功率最小的限值6.28 W。为防止煤矿井下无线电波发射引起瓦斯爆炸,GB/T3836.1-2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》规定煤矿井下无线电波发射功率不大于6 W。因此,取得防爆合格证和矿用安全标志准用证的5G,WiFi6,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等,在保证无线发射天线距固定岗位人员大于1 m的条件下,不会对煤矿井下作业人员造成伤害。     

矿用5G频段选择及天线优化设置研究

矿井无线通信和矿用5G移动通信技术是煤矿智能化关键技术之一。为提高煤矿井下无线传输距离、绕射能力及无线通信系统的稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量,研究了矿用5G工作频段和基站天线位置对无线传输损耗和传输距离的影响。主要结论如下:①煤矿井下无线发射功率受本质安全防爆限制,接收灵敏度受电磁噪声限制,天线增益受本质安全防爆和巷道空间限制。在煤矿井下无线发射功率、接收灵敏度、天线增益受限的情况下,应通过优选无线工作频段和优化天线设置位置,提高矿井无线传输距离和绕射能力,提高系统稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量。②矿用5G工作频段应优选700 MHz。煤矿井下700 MHz频段与现有5G其他工作频段2.6,3.5,4.9 GHz相比,具有无线传输损耗小、无线传输距离远、绕射能力强、基站用量少、组网成本低和维护工作量小等优点。③提出的传输损耗/位置变化率分析方法便于分析巷道横向不同区域位置变化引起的无线传输损耗变化情况。④无线基站天线应靠近巷帮设置,距巷帮不小于0.01 m,垂向位于巷道高度约2/5处。这样既不影响行人和行车、便于安装维护,也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求。⑤矿用手机、人员定位卡、便携式无线甲烷检测报警仪、多功能无线矿灯、便携式无线摄像机、便携式无线仪器设备、可穿戴无线设备、车辆定位卡、车载无线设备、无线摄像机、无线传感器、物联网设备等无线终端,在不影响使用的条件下应尽量靠近巷道中心,以提高无线传输距离。     

煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法

用于煤矿井下的5G通信系统必须取得安全标志证书。为更好地推动煤矿智能化建设和煤矿5G技术发展,让送审企业提前熟悉煤矿5G通信系统技术要求和检验要求,缩短送审周期,研究了煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法。从基本要求、组网要求、5G通信技术要求、防爆安全要求、抗干扰要求等方面论述了煤矿5G通信系统安全技术要求,并针对需重点关注的问题提出相关建议。针对煤矿5G通信系统,重点关注系统组网方式判别、核心网检验、抗干扰性能检验;针对5G基站和终端,重点关注5G技术指标的检验和防爆安全要求。对煤矿5G通信系统管理问题、5G基站多天线功率叠加后阈功率的计算问题、抗干扰技术难点、传输速率和时延的技术要求和检验方法、天线一体化基站的检验、矿用5G上下行带宽存在的问题进行了探讨。     

煤矿5G无线通信系统建设构想

提出了煤矿5G无线通信系统的基本架构:5G核心网、基带处理单元(BBU)、远端汇聚站(RHUB)及5G基站之间由5G承载网连接,实现各网元之间信令传输;井下采用5G基站及天线实现井下无线信号覆盖,基站通过RHUB进行汇聚后,与BBU相连并接入5G核心网。比较了用户面功能/移动边缘计算(UPF/MEC)下沉与独立专网2种5G核心网建设方案的优缺点;研究了5G核心网与BBU之间、BBU与RHUB之间、RHUB与5G基站之间的承载网,重点介绍了5G核心网与BBU之间承载网常用的光纤直连、切片分组网(SPN)及第五代固定网络(F5G)3种承载方式的特点及适用场景;给出了煤矿5G基站、5G终端及5G通信模组等设备的设计方案。结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,探讨了5G无线通信系统在煤矿的典型应用,如融合一体化通信、高带宽业务应用、智能工作面业务应用、矿山车辆远程控制或无人驾驶等。指出小型化行业5G核心网设计、矿用5G基站等设备的低功耗及本安化设计、700 MHz频段5G设备的井下应用以提升5G基站覆盖范围、矿用5G手机终端的定制及行业APP的开发、低功耗5G通信模组的开发、结合现场需求更多行业应用场景的深入挖掘等是煤矿5G无线通信系统进一步的优化方向。     

煤矿井下爆炸性环境下电磁波热效应的安全性研究

GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》规定爆炸性环境中射频设备的阈功率不得大于6 W,该规定限制了大功率射频设备在煤矿井下的应用,而现有针对爆炸性环境电磁安全性的相关研究缺乏完善的理论分析和实验验证。针对上述问题,推导了电磁波热效应方程,分析得出影响电磁波耦合瓦斯和煤尘混合气体产生热能的可控参数为电磁波耦合时间、电场强度和电磁波频率。以GB/T 3836.1—2021中可能堆积煤尘的电气设备表面温度最高不能超过150℃的规定为依据,采用多物理场仿真软件COMSOL对不同发射功率的电磁波耦合瓦斯和煤尘混合气体的热效应安全性进行了仿真实验,结果表明：满足温度不超过150℃的电磁波热效应安全阈发射功率为16.48 W;随着电磁波发射功率的增加,电磁波热效应安全时长（电磁波耦合瓦斯和煤尘混合气体产生的热能不会使环境温度超过150℃对应的时间段）逐渐减少,但只要在安全时长内,电磁波的发射功率不受限制。     

5G技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用

针对掘进工作面运输系统通信网络存在的接入能力不足、传输可靠性低、传输带宽不足等问题,探讨了5G技术在煤矿掘进工作面运输系统中应用的必要性和可行性：经过优化设计的矿用5G系统性能指标达到预期,完全能够满足当前煤矿智能化建设对无线通信系统的需求;矿用5G通信模组、5G客户终端设备（CPE）为掘进工作面各类设备及传感器接入5G网络提供了设备支持。介绍了5G设备的矿用化改造重点解决的问题：建立了矿用5G网络架构,以满足井下5G信号覆盖需求;针对5G设备功耗大的问题,对其结构进行了优化设计,并设计了散热装置;解决了5G基站多路射频输出与天线增益叠加后射频功率超标的问题。给出了掘进工作面运输系统5G网络架构及功能,借助5G网络大带宽、低时延、高可靠、广接入的特性,可实现掘进工作面运输系统各类传感设备的统一接入、各环节的高清视频监控、远程集中控制。     

煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值研究

为防止煤矿井下无线设备发射的无线电波引起瓦斯爆炸,需限制煤矿井下无线电波的功率和能量。介绍了不同标准中规定的连续无线电波防爆安全功率阈值：(1) GB/T 3836.1-2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》参考了欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的相关内容,省去了当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体(如起重机)时,I类环境(代表性气体为甲烷)中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W这一条款,并不加区分地规定I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W;(2)英国标准BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atm...     

基于无线射频通信的多功能瓦斯报警矿灯的研制

针对目前瓦斯报警矿灯的报警信号不能被监控中心获取及井下固定瓦斯探头检测范围小、移动性差的问题,文章提出了一种具有瓦斯超限信号无线传输功能的多功能瓦斯报警矿灯的设计方案,详细介绍了该矿灯的硬件与软件设计,给出了无线射频通信方案及其关键技术。现场试验表明,该矿灯在井下环境的无线通信距离可达160 m,弥补了定点瓦斯监测的不足,确保了煤矿安全生产。     

煤矿井下无线Mesh通信系统设计

针对目前无线通信技术在煤矿井下特殊空间及多变工作环境下无法同时满足高吞吐速率、远距离传输、组网灵活、安装部署简单等需求,设计了一种煤矿井下无线Mesh通信系统。给出了单一巷道的无线Mesh网络节点分布,介绍了系统软硬件设计方法。网络节点由基带板和射频前端构成。基带板主要实现数字波形生成、支持嵌入式系统管理信息交互、接收信号自动增益控制功能;射频前端主要实现将射频发送信号强度放大到目标功率。测试结果表明:(1)当射频前端发射增益17dB时,调整AD9361软件无线电模块的平均输出功率可使系统平均输出功率为37dBm;(2)射频前端发射的邻信道功率比-43dBc;(3)射频前端接收链路插入损耗1.8dB,收发切换时间1μs;(4)系统平均吞吐速率≥45Mbit/s,满足煤矿井下监控视频传输不卡顿的需求;(5)通话质量等级≥3,说明在大部分工作时段内通话比较清晰。     

基于漏泄电缆的井下CDMA无线覆盖技术

针对采用天线作为CDMA无线通信系统覆盖设备时存在信号绕射及穿透能力较差,在弯曲度及高低起伏大的巷道无法保证无线信号的覆盖距离及信号质量,无法随意增大矿用CDMA基站发射功率来满足无线覆盖要求的问题,提出了一种利用漏泄电缆进行井下CDMA无线信号覆盖的解决方案。该方案中,井下CDMA基站输出的射频信号通过二功分器连接到漏泄电缆,可实现巷道的无线信号覆盖。实际应用表明,采用该方案信号覆盖稳定,通信效果良好。     

一种新型的井下无线通信组网方式

介绍了一种适合煤矿井下工作特点的无线通信组网方式。组网采用小区制频率复用技术 ,每个小区的基站用 1个载频 ,小区半径为 5 0 0m ,小区基站有 3个话音信道、1个专用信令信道 ,多址采用TDMA方式。为改善呼损率和提高通信系统可靠性以防基站故障时出现盲区 ,设计了直通方式 ,使在 0 .5km距离内移动台之间的话音数据可以不通过基站 ,并且各自还能接收本小区基站的信令以响应高级别的呼叫     

基于ZigBee的井下人员精确定位方案及实现

针对矿井采用的传统RFID定位技术不能实现井下人员精确定位的问题,并根据矿井巷道的一维线性空间特点和井下人员的作业习惯,提出一套基于ZigBee的井下人员定位方案。方案将矿井巷道虚拟地划分为近基站区域和远基站区域,近基站区域采用RSSI定位算法,并利用高斯滤波模型对接收功率值滤波,实现精确定位;远基站区域采用V-T(Velocity-Time)算法进行定位。实验表明算法在近基站区域测量最大绝对误差为3m,远基站区域最大绝对误差为5m。     

基于5G和UWB融合基站的井下系统应用分析

针对井下作业的安全保障问题,提出来一种基于5G+UWB融合基站的井下定位优化方法。通过结合基于Taylor加权最小二分法与卡尔曼滤波算法,优化基于TOA的井下定位方式,并通过5G+UWB融合基站的无线网络通信定位,实现井下定位系统的优化设计。仿真实验证明,引入卡尔曼滤波的定位算法得到的定位坐标,相较于没有没有引入卡尔曼滤波算法得到的定位坐标,与真实位置的距离更近,仿真定位误差和均方根误差相较于没有引入卡尔曼滤波的定位算法分别下降了23.55和6.44,下降幅度明显。最终,基于5G+UWB融合基站的井下定位优化系统,在真实的井下挖掘环境中,测试的总体定位误差为0.794,定位精度在1 m之内,符合井下工作对人员定位技术的工程要求。     

基于改进RBF数据融合算法的煤矿井下安全监控研究

为了解决煤矿井下施工安全性低的问题,利用改进RBF数据融合算法优化设计煤矿井下安全监控方法。在煤矿井下环境下安装瓦斯、温湿度等传感器设备,将其安装在确定的测点位置上。利用改进RBF数据融合算法采集并处理传感数据,根据数据融合结果,考虑瓦斯浓度、温湿度、矿压等环境参数,得出煤矿井下安全性的监测结果。考虑煤矿井下人员实时位置,确定井下安全监控方向,在安全性监测结果的驱动下,利用设计的安全监控器,实现煤矿井下安全监控工作。通过效果测试实验得出结论：与传统监控方法相比,优化设计方法的瓦斯与温度监控误差分别降低了1.005mg/m3和5.65℃,同时安全监控范围得到明显扩大。     

矿井无线电波防爆安全发射功率研究

5G,5.5G,WiFi6,WiFi7,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的大功率无线电波有点燃瓦斯和煤尘的风险。因此,需要合理设置防爆无线电设备发射的无线电波防爆安全功率阈值,限制防爆无线电设备发射的无线电波功率。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定了爆炸性气体环境中无线电波防爆安全接收点火功率阈值,但缺少无线电波防爆安全发射功率阈值的内容。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》虽然有无线电波防爆安全发射功率阈值的相关规定,但错误地将欧洲标准CLC/TR 50427:2004中的无线电波防爆安全接收点火功率阈值修改为无线电波防爆安全发射功率阈值,大大降低了爆...     

5G通信技术及其在煤矿的应用构想

近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术,随着煤矿智能化建设的发展,现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术,阐述了第五代移动通信技术(5G)关键技术及其性能优势;给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式;结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,提出了5G通信技术在煤矿的应用场景,如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等;指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善,且由于5G网络对承载网要求较高,煤矿应预估部署成本,结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。     

煤矿井巷无线信道相干带宽的计算

基于矿井巷道电磁波传播多波模理论和射线传播理论,建立了煤矿井巷中无线信号的信道模型。综合考虑传播距离、巷道截面尺寸、载波频率、天线极化、天线位置、介质电参数等影响信道相干带宽的重要参数,推导了煤矿井巷中无线信道相干带宽的公式。在宽为4m、高为3m的矩形巷道仿真上述参数对相干带宽的影响,得出了如下结论:煤矿井巷内的相干带宽与频率成正比,与传播距离、巷道截面尺寸和介质电参数成反比,改变天线在巷道截面的位置对相干带宽影响不大。     

煤矿井下无线通信技术演进

矿井通信是煤矿智能化发展不可或缺的一环。分析了煤矿井下无线通信不同发展阶段不同通信制式和技术的优缺点,得出目前5G、WiFi6在传输速率、时延、可靠性及用户容量方面具有较大技术优势及较好的适用性,是近阶段矿用无线通信技术的主流解决方案。探讨了井下无线通信系统建设面临的问题及对应的发展方向：(1)技术融合问题。不同场景对带宽、时延、功耗、可靠性有不同要求,单一的通信技术难以满足煤矿所有应用场景的需求,必须根据实际应用情况,选择适合的通信技术来满足应用需求,不同技术通过协议转换器、网关等设备实现融合,形成井上下多技术融合的一体化通信网络平台。(2)系统融合问题。由于各系统由不同厂家提供,通信协议及硬件接口不一致,难以真正实现矿井各系统数据共享,应提供标准接口、开放的网络架构、统一的用户数据,为监控、应急、生产等系统提供互联互通功能,并进一步提供统一数据报文,让数据在各系统内低延时、高并发、实时、同步地流通。(3)设备功耗问题。现有矿用5G基站等由于设备本身功耗大,只能做成功能单一的隔爆型产品,设备笨重、体积大,安装维护困难,制约了5G技术在矿井的普及推广,可从主芯片、射频模块、功率放大模块...