0 引言
近年来，国内外露天煤矿车辆采取了许多临近检测技术手段和措施，如超声波传感技术、雷达技术、GPS技术等，有效地减少了由于矿用卡车、工程车辆碰撞造成的致命和非致命事故[1-4]。然而，这类事故依然不可避免，特别是死亡事故时有发生。究其原因，除存在生产企业重生产、轻安全、 安全管理意识薄弱、 主体责任不落实、 安全监管不到位等突出问题外[2]，从技术上看，主要有2个方面的原因：一是矿用卡车、工程车辆体量大，司机视觉存在严重盲区；二是矿用卡车、工程车辆机动性差，避免碰撞响应时间过长。因此，露天煤矿临近车辆检测成为研究热点。其中，基于GPS的许多临近车辆检测技术因成本低、覆盖范围广、精度高受到密切关注[5-6]。基于GPS的临近车辆检测技术要求每辆车或每台装备均装备GPS设备，能同时给出临近车辆或装备的相对位置信息，并能发送自己的位置信息。从上述要求可看出，临近车辆或装备需要采用合适的无线通信技术实现定位数据的发送。如果采用固定基站或者长距离多跳的无线通信技术，首先要将临近车辆或装备的GPS数据发送到中央处理单元，然后，中央处理单元再向临近车辆或装备广播GPS数据，这既不满足临近车辆或装备的相对位置信息实时性高的要求，也不适合露天煤矿环境。而基于IEEE 802.11(WiFi)的短距离多跳无线技术，即ad hoc是很好的选择。
近年来许多重要的临近检测技术也受到关注，文献[7]研究了基于临近自适应HTTP的WiFi检测技术，文献[8]研究了基于双频带WiFi信号强度(RSS)的室内临近用户检测技术。但针对露天煤矿临近车辆检测应用及合适协议版本选择的研究并不多见。本文在分析现有临近车辆检测技术的基础上，结合露天煤矿现场实际，提出了一种基于IEEE 802.11协议的GPS集成ad hoc的露天煤矿临近车辆检测无线通信系统，以该系统为研究对象，通过模拟真实的露天煤矿场景和现场测试分析，优化选择适用于露天煤矿临近车辆检测的IEEE 802.11协议。
1 现有临近车辆检测技术
1.1 超声波传感技术
超声波传感技术工作频率为40～250 kHz。超声波碰到障碍物或分界面会产生显著反射，形成反射回波。通过测量回波时间，可估计障碍物的相对距离。但超声波衍射小，只能直视传播，工作距离不到10 m，并不适合大面积的露天煤矿临近车辆检测[9]。
1.2 脉冲雷达和激光探测技术
脉冲雷达和激光探测技术都是很有希望的临近车辆检测技术，其工作原理类似于超声波传感技术，但其测量距离更远、精度更高。然而这2种技术易受到检测路径中其他障碍物的影响，虚警概率大。例如，当碰到车辆轮胎或大型岩石时会出现虚警，而碰到路过的行人时，会出现漏检。此外，采用这些技术成本较高。露天煤矿临近车辆检测采用这2种技术将面临如何提高检测概率、降低虚警概率和漏检概率等许多难题[10-11]。
1.3 计算机视觉技术
先进的计算机视觉技术同样是非常有希望的临近车辆检测技术和目标识别技术。但是计算机视觉技术要求照相机要有足够的光源，在雾、尘埃等恶劣环境下，使用效果并不好。此外，当采用多个照相机时，要求可靠的模式识别技术。这些问题，使得只采用计算机视觉技术进行露天煤矿临近车辆检测同样面临许多挑战[12]。
1.4 RFID和电子标签技术
采用RFID和电子标签技术需要在车辆或装备上嵌入RFID和电子标签，需要周期发射电磁波。同时，这些嵌入设备还需感应接收其他车辆或设备发送的电磁信号。当车辆或设备靠近，感应到的信号强度足够大时，才能提示车辆或设备的临近。RFID和电子标签技术安装简单，部署容易，工作距离为12～18 m，但只能实现目标临近感知，不能精确定位和定向[13]。
1.5 GPS技术
GPS技术定位精度为3～4 m，所以，集成GPS和无线通信技术越来越广泛应用于车辆的临近检测[5，14]。但是，随着车辆越来越靠近，GPS技术的定位精度并不能满足要求，需要结合无线通信技术进一步提高定位精度。
2 GPS集成ad hoc的临近车辆检测无线通信系统
从第1节分析可见，目前临近车辆检测技术中，GPS集成无线通信技术是最合适的选择，可应用在露天煤矿车辆碰撞避免和重型卡车检测领域。
GPS集成无线通信技术基本思想：利用GPS接收机不断更新车辆或设备位置信息，并通过无线通信的手段将更新的位置信息发送给其他车辆。无线通信方式主要有2种：第1种是采用集中式通信基站或长距离通信方式将车辆定位数据发送给处理中心，再由处理中心将车辆定位数据以广播的方式发送给其他车辆；第2种是以p2p、分布式的方式将车辆GPS定位数据发送给周边车辆。第1种方式构建复杂，成本高，不适合露天煤矿应用环境。因此，本文将采用ad hoc的模式，构建一种GPS集成ad hoc的临近车辆检测无线通信系统，如图1所示。
图1 GPS集成ad hoc的临近车辆检测无线通信系统
Fig.1 Wireless communication system of proximity vehicle testing with GPS integrating ad hoc
只要相邻车辆处于通信距离范围内，车辆间便可以采用IEEE 802.11协议，以单跳或多跳的方式交换GPS定位数据。
3 IEEE 802.11协议选择
3.1 IEEE 802.11协议
IEEE 802.11协议是一系列、多版本的MAC层和物理层的技术规范，定义了不同的调制方式，是定义了ad hoc无线网络标准的无线局域网协议，规定了2.4，5，60 GHz等3个工作频段。结合露天煤矿临近车辆检测需要，本文主要分析IEEE 802.11a/b/p三个版本的协议,通过系统测试，以选择适合露天煤矿临近车辆检测的IEEE 802.11协议。
(1) IEEE 802.11a协议。是对最初的IEEE 802.11协议的修正，帧格式和链路层协议与最初的IEEE 802.11协议一样，但采用正交频分复用(OFDM)的调制方式，工作频段为5.8 GHz，避开了拥挤的2.4 GHz的ISM频段，具有较好的电磁兼容环境。
(2) IEEE 802.11b协议。也是对最初的IEEE 802.11协议的修正，帧格式和链路层协议与最初的IEEE 802.11协议一样，采用直接序列扩频方式，传输速率包括5.5，11 Mbit/s，工作频段为2.4 GHz的ISM频段。
(3) IEEE 802.11p协议。是由IEEE 802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载电子无线通信，符合智能交通系统的相关应用。采用5.9 GHz的工作频率和成熟的OFDM技术支持ITS(智能交通系统)路边基础设施。MAC层稍作修改，以支持专用短程通信系统。
3.2 有效通信距离测试
一般地，设计GPS集成ad hoc的无线通信系统时，关注更多的是信号接收强度。对于临近车辆检测来说，除要关注信号接收强度外，还要关注有效通信距离。有效通信距离可定义为数据包接收率大过某个阈值时所对应的通信距离，反映的是数据包接收率与传输距离的关系，与无线电波传输距离、传输环境、调制方式、接入方式等相关。
为测量有效通信距离，在贵州贵安新区某施工现场实地模拟露天煤矿环境，建立了有效通信距离测试场景，研究IEEE 802.11a/b/p三个版本的协议。模拟场景和测试系统组成分别如图2和图3所示。
图2 露天煤矿模拟场景
Fig.2 Simulation scene of open-pit coal mine
(1) BU353 GPS模块。采用SiRF Star III 芯片组加上内建的主动型陶瓷天线，使得定位更为精准，防滑底部容易运用在各种车辆上，差分定位精度为1～10 m。
图3 有效通信距离测试系统组成
Fig.3 Composition of testing system of effective communication distance
(2) Alix 1e 单板机。采用500 MHz的AMD CPU和256 MB的SDRAM，具有支持包括GPS模块等在内的无线板卡所需的迷你型PCI插槽。
(3) CM9-GP min PCI 无线模块。是迷你型PCI无线网卡，普遍用于工业级无线网桥，支持IEEE 802.11a/b/p等版本协议。
(4) 天线。CM9-GP min PCI无线模块采用2.4/5 GHz天线，天线增益为9 dBi。
(5) GPS数据处理模块。按5 Hz的频率周期读取GPS坐标数据，并采用套接字的编程方法，将GPS坐标数据发送给Alix 1e 单板机。
(6) 数据接收和广播模块。该模块利用ad hoc通信方式，在有效通信距离范围内接收其他车辆的GPS数据，广播自己的GPS数据。每个数据包都有自己的序列号和时戳，接收数据用来计算数据包的接收率和接收信号强度。
3.3 测试结果
露天煤矿地理环境十分复杂，既可能存在斜坡，又可能存在急转弯，导致车辆间无线电波不能直视。无线电波收发测试环境主要考虑如下4种情况：视距传输、非视距传输、接收机在斜坡底部和接收机在斜坡顶部。测试时，收发机距离按10 m间隔步进增加，发射数据频率为5 Hz，数据包大小为100 byte。此外，为保证测试结果的准确性，每个位置均测量10次，并取平均值计算。
在上述测试环境下，IEEE 802.11a/b/p三个版本协议的数据包接收率和接收信号强度测试结果如图4—图7所示，其中，点为测试平均值，线为测试平均值的拟合曲线。
从图4可看出，IEEE 802.11a/b/p三个版本协议随着传输距离的增加，数据包接收率和接收信号强度都下降;尽管IEEE 802.11a/b协议接收信号强度差不多，但是IEEE 802.11b协议比IEEE 802.11a/p协议下降得更慢，即有效传输距离更长些。
(a) 数据包接收率与传输距离之间的关系曲线
(b) 接收信号强度与传输距离之间的关系曲线
图4 视距场景下IEEE 802.11a/b/p协议的传输性能和传输距离之间的关系曲线
Fig.4 Relation curve between transmission performance and distance of IEEE 802.11a/b/p protocol under scene of line of sight
(a) 数据包接收率与传输距离之间的关系曲线
(b) 接收信号强度与传输距离之间的关系曲线
图5 接收机在斜坡顶部场景下IEEE 802.11a/b/p协议的传输性能和传输距离之间的关系曲线
Fig.5 Relation curve between transmission performance and distance of IEEE 802.11a/b/p protocol under scene of receiver being at top of slope
从图5和图6可看出，随着传输距离的增加，IEEE 802.11b协议的数据包接收率比IEEE 802.11a/p协议下降慢得多，而IEEE 802.11a协议和IEEE 802.11p协议则差不多。
从图7可看出，非视距场景下，由于岩石或其他障碍物的遮挡，随着传输距离的增加，与前述3种场景相比，数据包接收率和接收信号强度下降得更快，但IEEE 802.11b协议相对要好一些。
(a) 数据包接收率与传输距离之间的关系曲线
(b) 接收信号强度与传输距离之间的关系曲线
图6 接收机在斜坡底部场景下IEEE 802.11a/b/p协议的传输性能和传输距离之间的关系曲线
Fig.6 Relation curve between transmission performance and distance of IEEE 802.11a/b/p protocol under scene of receiver being at bottom of slope
(a) 数据包接收率与传输距离之间的关系曲线
(b) 接收信号强度与传输距离之间的关系曲线
图7 非视距场景下IEEE 802.11a/b/p协议的传输性能和传输距离之间的关系曲线
Fig.7 Relation curve between transmission performance and distance of IEEE 802.11a/b/p protocol under scene of non-line of sight
根据以上测试结果，给定数据包接收率阈值为75%，则4种场景下，3个版本的通信协议对应的有效通信距离见表1。从表1可看出，尽管IEEE 802.11p协议是为车联网推出的，但有效通信距离短,并不适合露天煤矿应用，而IEEE 802.11b协议更适合，因为更长的有效通信距离将有助于提高临近车辆检测的反应速度，并且IEEE 802.11b协议采用的2.4 GHz频率不会对矿山其他设备造成严重的电磁干扰。
表1 4种场景下IEEE 802.11a/b/p协议对应的有效通信距离
Table 1 Effective communication distance of IEEE 802.11a/b/p under the four conditions
4 结语
结合露天煤矿现场实际，提出了一种基于IEEE 802.11协议的GPS集成ad hoc的露天煤矿临近车辆检测无线通信系统框架。从提高临近车辆检测的反应速度的角度出发，通过引入有效通信距离的概念，测试分析了IEEE 802.11a/b/p协议在视距传输、非视距传输、接收机在斜坡底部和接收机在斜坡顶部4种不同场景下接收信号强度和数据包接收率。分析测试结果表明，IEEE 802.11b协议的数据包接收率、有效通信距离等性能更好，优于专用于车联网的IEEE 802.11p协议和IEEE 802.11a协议，更适合用于露天煤矿临近车辆检测，为GPS集成ad hoc的露天煤矿临近车辆检测无线通信系统的设计和优化提供了重要依据。
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