矿山物联网网络技术发展趋势与关键技术

总结了当前矿山网络现状;结合矿山物联网的发展目标及未来矿山在信息处理方式上的变化趋势,分析了矿山网络在网络容量、可管理性、密集接入、实时性、智能化、灾后应急通信等方面的发展需求及趋势;提出了扁平化、智能化、资源抽象化等矿山物联网网络设计原则,并对无线传输编码、软件定义网络、流量卸载、边缘计算、网络功能虚拟化、认知无线电、能量捕获、语义网络等关键技术在矿山物联网中的应用和发展需求进行了介绍。     

空间和频率分集联合的矿井无标签目标定位方法

传统的有源定位技术因井下环境复杂导致工作人员不便携带标签、作业途中丢失标签,在井下目标定位应用中受限,而现有的几何法、指纹法等无源定位技术因井下存在密集的多径干扰,导致定位精度低,不适合直接应用于井下。针对上述问题,提出了一种空间和频率分集联合的矿井无标签目标定位方法。该方法基于傅里叶域非均匀采样原理,通过对波数域中的目标回波信号进行傅里叶逆变换,恢复目标散射函数,实现目标定位;采用无源宽带谐波标签生成所需谐波信号,消除发射天线引入的基频干扰;利用谐波标签的空间多样性和谐波信号的频率多样性,融合多通道信息,实现空间和频率分集联合,解决采样信息不足导致的低定位精度问题;使用差分接收算法,消除下行链路多径干扰引起的相位误差,提高矿井无标签目标定位精度。仿真实验结果表明:该方法能够有效扩展波数域覆盖范围,抑制多径干扰,实现目标准确定位;在低信噪比条件下,定位精度可达分米级。     

矩形隧道中UHF频段电磁波场强的分布规律

利用几何光学模型,结合试验数据,探讨了矩形巷道中UHF电磁波场强的分布规律,得出了如下结论:发射天线在隧道截面的位置对隧道中电磁波的场强分布有很大影响,当发射天线的位置处于隧道截面的中心时,快衰落收敛最快,接收到的电磁波场强最大;电磁波的场强在隧道截面上近似于余弦分布,当发射天线的位置靠近隧道壁时,电磁波场强在隧道截面的分布相对均匀。该结论可用来预测隧道环境中电磁波的有效覆盖距离,对隧道微蜂窝个人移动通信网的设计和检测也很有用。     

矿山动态协同作业场景无线通信关键技术

随着智能化装备和工业机器人技术的发展,矿山开采过程逐渐趋向无人/少人化,亟需解决数据的高效连续传输问题,如矿山动态协同作业场景下大量的数据采集和传输、多样的用户设备接入以及低时延的控制操作等。深入剖析了矿山动态协同作业场景的通信技术需求、矿山无线通信技术的应用现状与发展趋势,分析了当前矿山无线通信的关键技术瓶颈、相关解决方案及其应用效果。得出分布式多源、多目标动态业务的激增及其并发式的传输是矿山高可靠、低时延多业务交互协同网络所面临的最大问题。如何利用矿山用户、设备群体的协同作业特点和对应的动态业务属性,有针对性地对通信网络的物理信道、物理资源进行管理和分配,则是从根本上有效优化网络可靠性,提高传输效率的关键。为此,提出了多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信模式:在提取矿山非高斯脉冲干扰特征及无线信道空-时-频域统计特性的基础上,面向作业场景深入挖掘业务特性与物理层传输的内在关联,利用超图匹配、图论、博弈论、非正交多址接入等方法,从信道-链路-业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互传输通信链路和信道的匹配、多跳用户链路匹配、多业务QoS要求与链路匹配等快速匹配问题。     

矿用天线在矩形巷道中应用的最佳波束指标

煤矿井巷中,如果天线的波束过宽,则难以有效抑制多径衰落、增大覆盖范围;反之,如果波束过窄,则容易使巷道的边缘区域得不到有效覆盖。利用多波模波导理论,讨论得出理想点源在巷道中的辐射场分布特性是制定矿用天线波束指标的理论依据。在此基础上,推导了井下理想点源的方向函数和半功率波瓣宽度。随后,统计计算结合相关仿真,讨论了巷道波导结构、介质壁电参数、载波频率和电磁波传播距离的影响。根据分析所得,结合相关推导与比较,给出了矿用天线的最佳波束指标:为明显改善巷道内的无线覆盖效果,矿用天线应辐射形状较扁的均值为π/2的Gaussian波束;且天线的半功率波瓣宽度至少要窄于理想点源辐射场在巷道第I,II传播区分界点处的波瓣宽度。     

煤矿井巷天线位置对辐射场分布的影响

采用基于介质波导理论的多波模模型,推导巷道中天线的耦合效率和方向函数。以水平极化半波偶极子天线为例,进行仿真分析,得出结论：天线在巷道截面中心最有利于波模的激励,天线耦合效率最大,且传输衰减率最小;除截面中心区域,天线在巷道截面横向对称轴的位置,如巷道侧壁中心,也较易激励波模,可有效激励70%以上的波模,天线耦合效率较大,传输衰减率也相对较小;当天线靠近巷道截面拐角时,最不利于波模的激励,只能有效激励30%左右的波模,天线耦合效率最小,传输衰减率最大,但此时天线的辐射方向性最强,信号起伏最为平缓。     

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。     

基于AMESim发动机油压测试系统设计分析

机油温度和压力测试是发动机冷测试环节中,检测发动机是否装配正常的一个重要参数。根据发动机冷测试原理,结合发动机机油压力系统的结构特点,分析主要单元结构,包括机油泵、管道、机油冷却器、滤清器等,对机油压力控制图进行选择设置;基于AMESim搭建机油压力测试分析模型,对发动机机油压力波动过低和过高情况进行分析,并与实际测试结果进行对比分析,并对机油压力过高或过低产生的质量问题原因进行分析,通过分析结果验证理论分析和模型分析的准确性。结果可知:利用控制图判断机油压力波动是否超过允许范围,可有效判断压力测试是否合格;机油压力波动过低和油压过高均会引起发动机故障,需要根据具体问题,分析出现故障的原因,提出解决办法;实际结果表明理论分析和模型的准确性与可靠性,为发动机机油压力测试提供参考。     

融合波模和射线理论的矿井电波传播模型

本文提出了电波在煤矿井巷内传播的融合模型:利用波导波模理论修正射线模型,确定巷道内源射线的个数及其离开发射机的方向;通过几何光学基本定律证明矩形巷道内射线传播路径投影的反射定律和夹角定律,推导出射线到达接收天线所在巷道截面的位置、经历的反射次数、路径长度等与射线离开角的关系,以改进主动射线跟踪法,简化计算;运用接收球原理判断各射线经反射后能否到达接收机.经仿真并与实测数据比较,验证了模型的正确性.     

矩形隧道中的多波模传播特性

分别推导出矩形隧道内多模式电磁波综合作用下的隧道壁反射衰减公式,以及由隧道壁粗糙度、倾斜度引起的散射衰减公式,建立了多波模传输理论。据此分析的电磁波传播特性显示:频率越高,高次模的影响越大,隧道壁粗糙度和倾斜度的影响亦随之增大;且水平极化波和垂直极化波的衰减值之差逐渐减小,收敛在稳定值。所得结论与传统只分析基模衰减公式的电磁波传输理论相比,更接近于实际测量数据和几何光学的仿真结果。