基于矿井电磁辐射安全的无线设备发射功率动态控制方法

1.本发明涉及一种具有矿井电磁安全保护要求的无线设备发射功率动态控制方法，属于隧道和矿井等地下受限空间电磁辐射安全和通信技术领域。
技术背景
2.对于存在瓦斯、粉尘等易燃易爆物质的煤矿等地下受限空间，无线设备在通信时辐射的电磁波是潜在的点爆因素。随着无线网络和电子技术的发展，被运用于煤矿井下等空间的无线设备数量迅速增加。这些无线设备支撑了智能矿山的建设和运营，但也导致了矿井内电磁辐射的风险空前提高。
3.矿井内潜在的电磁辐射风险与无线设备的通信负载量息息相关。当矿井中无线设备的并发通信数据较少时，矿井的电磁辐射功率较小，电磁辐射风险较低，在符合易燃易爆环境安全电磁辐射的前提下，参与通信的无线设备可根据通信服务质量的需要适当提高发射功率。反之，矿井的电磁辐射风险较高，参与通信的无线设备需要降低发射功率。
4.然而，现有的矿井无线设备发射功率控制方法往往不考虑潜在的电磁辐射风险，仅从网络服务需求的角度进行考虑。此外，矿井无线设备被允许的最大安全发射功率阈值通常是固定不变的。这种固化无线设备最大安全发射功率阈值的方法，导致矿井无线设备能够灵活配置的发射功率范围极为有限。当矿井内因空间狭窄、电磁反射、散射体较多等导致电磁信号衰落较大时，需要高发射功率支持的无线通信服务性能将无法得到最大发挥。此外，这种方法忽略了多台矿井无线设备并发电磁辐射对易燃易爆区域点爆风险的影响，当矿井无线设备部署密度足够大、并发通信数据足够多后，即便每个设备都以低功率发射，其并发电磁辐射所产生的叠加功率依然可能超过易燃易爆环境最低点火功率阈值，由此导致安全事故。


技术实现要素：

5.技术问题：针对现有技术的不足之处，提供一种基于矿井电磁辐射安全的无线设备发射功率动态控制方法，该方法不固化无线设备的最大发射功率门限，而是充分考虑了矿井电磁辐射功率分布动态变化的实际，提供矿井电磁辐射安全的空-时-频三域度量方法和无线设备最大发射功率阈值界定方法，该方法能够在保障电磁辐射安全的前提下，尽量避免发射功率限制对无线设备通信服务质量的影响，非常适用于以多台无线设备协作通信、海量数据传输的智能矿山场景。
6.技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于矿井电磁辐射安全的无线设备发射功率动态控制方法，在矿井电磁安全保护区段的两端各安装一个电磁辐射安防基站，两电磁辐射安防基站通过无线网络与覆盖范围内固定安装的无线设备进行通信，两电磁辐射安防基站之间通过有线方式通信；无线设备将自己的电磁辐射数据发送给电磁辐射安防基站，电磁辐射安防基站站对数据进行分析、评估与预测，得出对电磁安全保护区段有影响的无线设备最大发射允许功率，无线设备根据分析的结果调整自己的发射功率；无线设备发
射功率的分配控制包括四个阶段：电磁辐射数据收集阶段、空-时-频域电磁辐射安全评估阶段、所有无线设备最大发射功率安全阈值界定发布阶段、无线设备发射功率动态调整阶段；
7.无线设备发射功率的分配控制具体步骤如下：
8.步骤1，电磁辐射数据收集阶段：通过两个电磁辐射安防基站分别收集无线网络覆盖范围内与其无线连接的各个无线设备的电磁辐射数据，其中两个安防基站覆盖范围内大于电磁安全保护区段，同时，电磁安全保护区段内的电磁场也有可能是区段外的设备辐射过来的；
9.步骤2，空-时-频域电磁辐射安全评估阶段：两个电磁辐射安防基站通过有线通信共享彼此收到的数据，然后利用巨型有损介质壁多波模波导理论构建井下电磁波传播精确模型，并基于各个矿井无线设备的电磁辐射数据计算电磁安全保护区段内电磁波的空-时-频域分布功率，度量该区段中电磁辐射存在的引爆风险的区域、时间和频率在空-时-频域的五维分布参数；
10.步骤3，所有无线设备最大发射功率安全阈值界定发布阶段：电磁辐射安防基站构建矿井不安全电磁辐射设备域-时频域映射表，基于链路质量优先规则迭代评估并界定在不安全时间-频率辐射电磁波的无线设备最大安全发射功率，由于每台无线设备的安全阈值都不一样，建立覆盖范围内所有无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表，记载每台无线设备对应的安全配置信息，配置表根据预设要求在电磁辐射安防基站的安全功率配置信令中周期性刷新并广播；
11.步骤4，无线设备发射功率动态调整阶段：各无线设备根据接收的无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表，在不同的时间和频率范围内按规定的安全功率范围内动态调整各自的发射功率。
12.进一步，所述步骤1具体如下：
13.步骤1.1、两个电磁辐射安防基站通过无线广播的方式向发无线设备送安全功率配置信令，信令定义了即将发布的无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表的有效时间；
14.步骤1.2、收到信令的无线设备向电磁辐射安防基站反馈各自的电磁辐射数据表，电磁辐射数据表的内容包括无线设备的id号、发射功率可调值、绝对位置坐标、有效时间内计划发射电磁信号的频率、花费的绝对时间长度信息；
15.步骤1.3、两电磁辐射安防基站以有线方式分享彼此收到的无线设备电磁辐射数据表。
16.进一步，所述步骤2具体如下：
17.步骤2.1、电磁辐射安防基站基于步骤1收集的无线设备电磁辐射数据和矿井三维地图地质数据，利用巨型有损介质壁多波模波导理论构建井下电磁波传播功率模型，估算各台无线设备以最大功率发射信号时在矿井电磁安全保护区段内各个无线设备的电磁辐射复功率：其中，序号i与第i台无线设备的id号对应；矿井内部空间采用笛卡尔坐标系，(x,y,z)、f和t分别表示矿井内的绝对位置坐标值、频率和时间；所述矿井三维地图地质数据包括矿井内详细的测绘地图数据、地质数据，巷道的几何结构与尺寸、巷道壁岩石的粗糙度、倾斜度、弯曲度和岩石介质电参数；
18.步骤2.2、利用下式估算矿井内电磁波空-时-频域分布功率
[0019][0020]
步骤2.3、根据易燃易爆环境的最短点火时间δt和对应的最低点火平均功率阈值p
threshold
，估算矿井电磁波在时间点为t，频率为f，坐标为(x,y,z)处辐射的电磁波功率的安全系数s(f,t,x,y,z)，s(f,t,x,y,z)计算公式如下：
[0021][0022]
步骤2.4、利用时域、空域对电磁波功率安全系数s(f,t,x,y,z)进行插值处理，当s(f,t,x,y,z)≥1时，表示此时电磁辐射存在风险，建立矿井不安全电磁辐射空-时-频域五维分布参数表，将存在风险的s(f,t,x,y,z)所对应的(f,t,x,y,z)参数记录在矿井不安全电磁辐射空-时-频域五维分布参数表中，表中利用其三维质心坐标和区域半径进行描述；所述五维分布参数表格式如下：
[0023][0024]
进一步，所述步骤3具体如下：
[0025]
步骤3.1：基于步骤1和步骤2.4，建立矿井不安全电磁辐射设备域-时频域映射表，以此排查在不安全时间-频率辐射电磁波的无线设备，并将利用电磁辐射带权匹配值dan对风险无线设备进行标注，所述设备域-时频域映射表格式如下：
[0026][0027]
表中的不安全时间范围[ts,to]和不安全频率范围[fd,fu]为矿井不安全电磁辐射空-时-频域五维分布参数表中的时间、频率范围；如果无线设备的工作时间满足ts≤t≤to内，同时在不安全频段fd≤f≤fu辐射电磁波，即可判定为风险设备，设别标注的dan取值为1，反之，则为安全设备，dan取值为0；
[0028]
步骤3.2：建立并初始化无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表：表包含无线设备的id号、矿井不安全电磁辐射时间、频率、无线设备最大发射功率安全阈值，格式如下：
[0029]
无线设备id号时间范围频率最大发射功率安全阈值
[0030]
最大发射功率安全阈值时频配置表中时间范围和频率的初始值按如下方式设定，若无线设备始终为安全设备，其值为安全功率配置信令规定的最长有效时间范围和无线设备所能工作的频率；反之，该无线设备的时间范围和频率为矿井不安全电磁辐射设备域-时频域映射表对应的时间范围、频率，所述评估表中最大发射功率安全阈值的初始值为该无线设备的最大发射功率；
[0031]
步骤3.3：由于电磁波空间分布不均匀，电磁安全保护区段中电磁场强的区域相对危险，电磁场弱的区域相对安全，因此分别比较各不安全时间-频率辐射电磁波的各风险设
备在不安全区域的平均辐射功率pj，其中，j表示风险设备的id号；然后基于链路质量优先规则评估界定风险设备的最大发射功率安全阈值，
[0032]
pj的计算方式如下：
[0033][0034]
表示第j台风险设备的电磁辐射复功率，按照步骤2.1的方法计算，初始值为第j台风险设备以最大功率发射所产生的值；
[0035]
所述基于链路质量优先规则的风险设备最大安全功率阈值界定方法如下：
[0036]
步骤3.3.1、按上式计算并根据风险设备平均辐射功率pj由大至小的顺序，对风险设备进行排序，pj最大的设备拥有最优的链路质量。
[0037]
步骤3.3.2、根据步骤1收集的数据，查询链路质量最优的风险设备的发射功率可调值，将其发射功率下调一档，并刷新无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表中的发射功率安全阈值；
[0038]
步骤3.3.3、利用步骤2.1-步骤2.3的建模与度量计算方法，所有无线设备的发射参数按照无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表数据设置，迭代评估矿井不安全时间-频率-区域下的电磁波辐射安全系数s(f,t,x,y,z)；
[0039]
步骤3.3.4、如果s(f,t,x,y,z)≥1，则按当前无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表数据，重新执行步骤3.3.1-步骤3.3.3，直至所有连接的无线设别均满足s(f,t,x,y,z)＜1，即电磁辐射风险消失。
[0040]
有益效果。1)本方法使矿井无线设备的最大发射功率安全阈值根据实际的电磁辐射情况界定，相比现有技术更为科学合理；2)本方法能够有效避免多台无线设备在矿井中并发通信所产生的电磁辐射风险，进一步提升了矿井的电磁辐射安全保障；3)本方法根据通信负载需求和电磁辐射风险评估机制，对各无线设备的最大发射功率安全阈值进行动态配置，使得无线设备在矿井不仅本安防爆，同时最大化地满足了无线通信的功率需求，维护了无线设备的通信链路质量和工作性能。
附图说明
[0041]
图1是本发明基于矿井电磁辐射安全的无线设备发射功率动态控制方法的流程图；
[0042]
图2是本发明实施例基于矿井电磁辐射安全的无线设备发射功率动态控制系统图；
[0043]
图3是本发明基于链路质量优先规则的风险设备最大安全功率阈值界定方法流程图。
[0044]
具体实现方式
[0045]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，所描述实施例旨在对本发明的理解，而不起限定作用：
[0046]
如图1和图2所示，本发明的一种基于矿井电磁辐射安全的无线设备发射功率动态
控制方法，在矿井电磁安全保护区段的两端各安装一个电磁辐射安防基站。当矿井横截面的最大尺寸为w、矿井内电磁安全保护区段的长度为d、可以将电磁波辐射到电磁安全保护区段的无线设备的最大通信半径为r
wireless
时，电磁辐射安防基站的无线通信半径r需满足条件两电磁辐射安防基站以有线方式通信，并与无线设备相互配合。无线设备发射功率的分配控制包括四个阶段：电磁辐射数据收集阶段、空-时-频域电磁辐射安全评估阶段、无线设备最大发射功率安全阈值界定发布阶段、无线设备发射功率动态调整阶段。
[0047]
具体步骤如下：
[0048]
步骤1，电磁辐射数据收集阶段。电磁辐射安防基站收集矿井无线设备电磁辐射数据。
[0049]
步骤2，空-时-频域电磁辐射安全评估阶段。电磁辐射安防基站利用巨型有损介质壁多波模波导理论构建井下电磁波传播精确模型，并基于步骤1的数据计算电磁安全保护区段内电磁波的空-时-频域分布功率，度量该区段中不安全电磁辐射在空-时-频域的五维分布参数。
[0050]
步骤3，无线设备最大发射功率安全阈值界定发布阶段。电磁辐射安防基站构建矿井不安全电磁辐射设备域-时频域映射表，基于链路质量优先规则迭代评估并界定在不安全时间-频率辐射电磁波的无线设备最大安全发射功率，建立无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表，并以无线广播的方式发布出去。
[0051]
步骤4，无线设备发射功率动态调整阶段。无线设备根据收到的无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表，动态调整各自的发射功率。
[0052]
根据权利要求1所述的一种基于矿井电磁辐射安全的无线设备动态功率控制方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：
[0053]
步骤1.1电磁辐射安防基站通过无线广播的方式发起安全功率配置信令。信令定义了本次即将发布的无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表的有效时间。
[0054]
步骤1.2收到信令的无线设备以单跳或多跳传输的方式上报各自的电磁辐射数据表。电磁辐射数据表的内容包括无线设备的id号、发射功率可调值、绝对位置坐标、有效时间内计划发射电磁信号的频率、花费的绝对时间长度等信息。电磁辐射数据表格式如下：
[0055][0056]
步骤1.3两电磁辐射安防基站以有线方式分享彼此收到的无线设备电磁辐射数据表。根据权利要求1所述的一种基于矿井电磁辐射安全的无线设备动态功率控制方法，其特征在于：所述步骤2具体如下：
[0057]
步骤2.1：电磁辐射安防基站基于步骤1收集的无线设备电磁辐射数据和矿井三维地图地质数据，利用巨型有损介质壁多波模波导理论构建井下电磁波传播功率模型，估算各台无线设备以最大功率发射信号时在矿井电磁安全保护区段内的电磁辐射复功率其中，序号i与第i台无线设备的id号对应；矿井内部空间采用笛卡尔坐标系，(x,y,z)、f和t分别表示矿井内的绝对位置坐标值、频率和时间。所述矿井三维地图地质
数据包括矿井内巷道的几何结构与尺寸、巷道壁岩石的粗糙度、倾斜度、弯曲度和岩石介质电参数等。
[0058]
步骤2.2：估算矿井内电磁波空-时-频域分布功率计算公式为：
[0059][0060]
步骤2.3：根据易燃易爆环境的最短点火时间δt和对应的最低点火平均功率阈值p
threshold
，估算矿井电磁波在时间点为t，频率为f，坐标为(x,y,z)处辐射的电磁波功率的安全系数s(f,t,x,y,z)，s(f,t,x,y,z)计算公式如下：
[0061][0062]
步骤2.4：在时域、空域对电磁波功率安全系数s(f,t,x,y,z)进行插值处理。经插值处理后的(f,t,x,y,z)为连续值。当矿井内某区域在ts≤t≤to时间段，fd≤f≤fu频段上s(f,t,x,y,z)≥1时，表示此时电磁辐射存在风险，将此时的(f,t,x,y,z)参数记录在矿井不安全电磁辐射空-时-频域五维分布参数表中。ts,to分别是矿井不安全电磁辐射起始时间和结束时间，fd,fu分别是矿井不安全电磁辐射最低频率和最高频率。表中不安全电磁辐射区域用其三维质心坐标(x0,y0,z0)和区域半径r
rad
描述。所述五维分布参数表格式如下：
[0063][0064]
根据权利要求1所述的一种基于矿井电磁辐射安全的无线设备动态功率控制方法，其特征在于：所述步骤3具体如下：
[0065]
步骤3.1：基于步骤1和步骤2.4，建立矿井不安全电磁辐射设备域-时频域映射表，以此排查在不安全时间-频率辐射电磁波的无线设备，利用电磁辐射带权匹配值dan将其标注为风险设备。所述设备域-时频域映射表格式如下：
[0066][0067]
表中的时间范围[ts,to]和频率范围[fd,fu]为矿井不安全电磁辐射空-时-频域五维分布参数表中的时间、频率范围。如果设备在ts≤t≤to，不安全频段fd≤f≤fu辐射电磁波，则为风险设备，dan取值为1，反之，则为安全设备，dan取值为0。
[0068]
假设本实施例无线设备电磁辐射数据表中有6台设备，对照矿井不安全电磁辐射空-时-频域五维分布参数表，在不安全辐射时间段[t
s1
,t
o1
]和频率段[f
d1
,f
u1
]，id1、id2、id5设备发射信号，为风险设备；在不安全辐射时间段[t
s2
,t
o2
]和频率段[f
d2
,f
u2
]，id2、id3、id6设备发射信号，为风险设备；则设备域-时频域映射表如下：
[0069][0070]
步骤3.2：建立并初始化无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表。所述评估表包含无线设备id号、矿井不安全电磁辐射时间、频率、无线设备最大发射功率安全阈值，格式如下：
[0071]
无线设备id号时间范围频率最大发射功率安全阈值
[0072]
所述评估表中时间范围和频率的初始值按如下方式设定，若无线设备始终为安全设备，其值为安全功率配置信令规定的最长有效时间范围和设备所能工作的频率。反之，该设备的时间范围和频率为矿井不安全电磁辐射设备域-时频域映射表对应的时间范围、频率。所述评估表中最大发射功率安全阈值的初始值为该设备的最大发射功率。
[0073]
假设本实施例安全功率配置信令规定的最长有效时间范围为t
ps
≤t≤t
po
，第i台设备在该时段工作的频率为fi，可调发射功率值由小至大依次为0、和其在无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表中的初始值如下：
[0074][0075]
步骤3.3：分别比较各不安全时间-频率辐射电磁波的风险设备在各不安全区域的平均辐射功率pj，其中，j表示第j台风险设备，与设备id号唯一对应。随后，基于链路质量优先规则评估风险设备的最大安全功率。
[0076]
pj的计算方式如下：
[0077][0078]
表示第j台风险设备的电磁辐射复功率。按照步骤2.1的方法计算。初始值为第j台风险设备以最大功率发射所产生的值。
[0079]
如图3所示，所述基于链路质量优先规则的风险设备最大安全功率阈值界定方法按下列步骤执行：
[0080]
a1.按上式计算并根据风险设备平均辐射功率pj由大至小的顺序，对风险设备进行排序。pj最大的设备拥有最优的链路质量。
[0081]
a2.根据步骤1收集的数据，查询链路质量最优的风险设备的发射功率可调值，将其发射功率下调一档，并刷新无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表中的发射功率安全阈值。
[0082]
假设本实施例，在不安全辐射时间段[t
s1
,t
o1
]和频率段[f
d1
,f
u1
]，id1、id2、id5设
备发射信号，根据计算id1、id2、id5设备的平均辐射功率如下：p1＞p5＞p2,则id1拥有最优的链路质量。根据本实施例假设，刷新id1在无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表中的取值：
[0083][0084]
表中，f1为id1在[t
s1
,t
o1
]时间范围的工作频率，其值位于[f
d1
,f
u1
]区间内。
[0085]
a3.利用步骤2.1-2.3的建模与度量计算方法，所有无线设备的发射参数按照无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表数据设置，迭代评估矿井不安全时间-频率-区域的电磁波辐射安全系数s(f,t,x,y,z)。
[0086]
a4.如果s(f,t,x,y,z)≥1，则按当前无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表数据，重新执行步骤a1-a3，直至s(f,t,x,y,z)＜1，即电磁辐射风险消失。
[0087]
假设本实施例，经过步骤a3后，计算得出s(f,t,x,y,z)≥1，则应重新执行步骤a1-a3，其中，id1的发射功率按新值计算。
[0088]
如果经过步骤a1计算后，在不安全辐射时间段[t
s1
,t
o1
]和频段[f
d1
,f
u1
]，id1、id2、id5设备的新平均辐射功率排序如下：p5＞p1＞p2,则id5拥有最优的链路质量。
[0089]
在步骤a2中，刷新id5在无线设备最大发射功率安全阈值时频配置表中的取值：
[0090][0091]
在步骤a3中，计算s(f,t,x,y,z)，其中，id1的发射功率按新值计算，id5的发射功率按新值计算。如果s(f,t,x,y,z)＜1，则该不安全辐射时间段[t
s1
,t
o1
]、频段[f
d1
,f
u1
]的电磁辐射风险消失，无线设备的最大发射功率安全阈值界定结束，不然，则继续执行a1-a3。
[0092]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。