ANEKS nr 1. Zespół realizujący pomiary:

Transkrypt

1 ANEKS nr 1 Stan wiedzy na ten temat propagacji fal elektromagnetycznych w podziemnych korytarzach oparty na literaturze światowej i badaniach własnych. Zespół realizujący pomiary: Dr inż. Cezary Worek (adiunkt, kierownik pracowni bezprzewodowych sieci kontrolno-pomiarowych, Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie) Mgr inż. Michał Warzecha (asystent, Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie) Joanna Kożuch ( Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, prace edytorskie) Aby przybliżyć środowisko pracy górniczych urządzeniach radiowych należy stwierdzić, iż znajduje się ono głęboko pod ziemią (na poziomie od 50 do 1000 i więcej metrów) w korytarzach wyrobisk górniczych gdzie tłumienie trasy zawiera się standardowo w przedziale od 5dB/10m do 45dB/10m (od dziesięciu do czterdziestu pięciu decybeli na dziesięć metrów) [1-17]. Najczęściej szerokość przekroju poprzecznego tunelu podziemnego zawiera się w granicach od 2 do 10 metrów zaś wysokość od 1.5 do 6 metrów. Dodatkowo wszystkie te wyrobiska należą do zakładu górniczego i są strefą ściśle dozorowaną (każdy zjazd pod ziemię jest rejestrowany i odbywa się za specjalnym pozwoleniem) będącą w użytkowaniu wyłącznie jednego podmiotu. W literaturze światowej od wielu dziesięcioleci znajdują się doniesienia o badaniach propagacyjnych w podziemnych wyrobiskach górniczych [1-11]. Opracowywane są one często na zlecenie rządu lub też ośrodków naukowych ściśle związanych z przemysłem wydobywczym. Brak modeli teoretycznych oraz duża zmienność parametrów środowiska powoduje, że trzeba się zadowolić modelami behawioralnymi i praktycznie dla każdego konkretnego rodzaju tuneli podziemnych należy przeprowadzić oddzielne pomiary. Co więcej zmierzone parametry tłumienności trasy w podobnych warunkach różnią się znacznie w zależności od warunków geologicznych, uzbrojenia technicznego tunelu a nawet od mocy nadajnika oraz anten użyty podczas pomiarów? Jak się wydaje duże rozbieżności w doniesieniach przedstawiających parametr tłumienności trasy może w dużym stopniu wynikać z dominacji różnych modów propagacyjnych w zależności od odległości od anteny, co zostało zauważone w doniesieniach literaturowych [3,7] oraz w badaniach własnych przedstawionych w aneksie 1 [rys.5] i aneksie 3 [rys.3]. Z przeprowadzonych osobiście pomiarów wynika również, że tłumienie trasy w podziemiach kopalń jest silnie zależna od lokalnych specyficznych warunków tam występujących [12-17]. Praktycznie należy je wyznaczyć osobno dla konkretnego przypadku i konkretnej częstotliwości. Po wstępnych analizach i doświadczeniach przeprowadzonych w podziemnych korytarzach AGH (w kształcie litery L, o długości około 140m, przekrój 350x250cm) można było przyjąć do rachunków szacunkowych tłumienie 11dB/10m przy czym przy widoczności optycznej nie występuje tutaj silna zależność tłumienia od częstotliwości w zakresie MHz.

2 Rys. 1. Widok podziemnego korytarza AGH długości około 70m, przekrój 350x250cm. Przykładowe pomiary wykonane w podziemnych korytarzach AGH przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Przykładowe pomiary natężenia pola o częstotliwości 434MHz i 869MH zrealizowane przy mocy nadajnika 5dBm, antenach o zysku -2dB, zrealizowane w pod podziemnych korytarzach AGH na długości około 60m przy przekroju korytarza 350x250cm. Pomiary natężenia pola wykonano przy pomocy analizatora widma HM firmy Hameg. [3,4] Odległość pomiędzy antenami Poziom [dbm] dla Poziom [dbm] dla nadajnika i odbiornika [m] częstotliwości 434MHz częstotliwości 869,5MHz Największe tłumienie na częstotliwości 434MHz odnotowano na ścianie wydobywczej w kopalni Ziemowit gdzie w obecności dużych mas metalowych (10-15ton na metr bieżący ściany) i wymiarach korytarza 1.7x2.0m tłumienie trasy wynosiło około 45dB/10m. Z kolei w poziomych i prostych korytarzach kopalni miedzi Lubin w kształcie półkola o średnicy 4-6m tłumienie trasy wynosiło już tylko 10dB/10m. Interesujące wyniki otrzymano podczas także testów przeprowadzonych dla instalacji, mający na celu sprawdzenie możliwości wykorzystania urządzeń standardu IEE b/g do realizacji komunikacji głosowej pomiędzy stanowiskiem dyspozytora i operatorami kolejek podziemnych przy mocy nadawczej 10mW ERP. Projekt został zrealizowany zgodnie z dokumentacją Techniczną Punktu dostępowego AP01-2 oraz z dokumentacją techniczną zatwierdzoną przez służby kopalniane. Elementy systemu zostały zamontowane w pomieszczeniu dysponenta oraz w przekopie E-1 na poziomie 500m w kopalni KWK Ziemowit. Widok punktu dostępowego zamontowanego na ociosie chodnika przedstawiono na rys. 2. W pomieszczeniu dysponenta przewozu na poziomie 500m umieszczono komputer dyspozytorski oraz moduł media konwertera wraz odpowiednim zasilaczem. Z dyspozytorni wyprowadzono przewód światłowodowy w kierunku przekopu E1, który łączono z pierwszym urządzeniem dostępowym zamontowanym na ścianie chodnika. Kolejne urządzenia dostępowe połączono za pomocą odpowiednich odcinków przewodu światłowodowego zawieszonego na ociosie przekopu E-1. Pierwszy punkt dostępowy zamontowano w odległości około 50m od pomieszczenia dysponenta. Kolejny punkt dostępowy został umieszczony w odległości około 200m, a następny w odległości około 300m od drugiego. Odległość pomiędzy pierwszym i ostatnim urządzeniem dostępowym wynosi około 512m. Schemat poglądowy testowanej instalacji przedstawiono na rys. 3.

3 Zarówno urządzenia dostępowe jak i anteny zamontowano na ociosach chodnika za pomocą odpowiednich konstrukcji mocujących. Położenie anten systemu nie było specjalnie dobierane. Wszystkie urządzenia systemu były zasilone z kopalnianej sieci energetycznej poprzez przygotowane do tego celu przyłącza. Schemat rozmieszczenia instalacji w przekopie przedstawiono na rys. 4. Rys. 2. Punkt dostępowy typu AP01-2 zawieszony na ociosie chodnika Rys. 3. Schemat poglądowy testowanej sieci 1 pomieszczenie dysponenta, 2 komputer dyspozytorski, 3 media konwerter, 4 kabel światłowodowy, 5 punkt dostępowy typu AP01-2, 6 komputer przenośny i.roc 610 Ex lub i.pac

4 Rys. 4. Schemat rozmieszczenia punktów dostępowych w przekopie E1 na poz. 500 Poziom sygnału z AP01 dbm Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunku 5. Dość interesująco przedstawia się tłumienie trasy dla 2.4GHz. Dla pierwszych 100m tłumienie wynosi około 75-80dB ale już na następne metry nie podlegają tej uproszczonej regule i daje się zauważyć inny mod propagacyjny (falowodowy) z tłumieniem około 10-15dB na 100m [3,7]. Jednak tłumienie pierwszych 100 metrów jest na tyle duże, że zwykłe urządzenia dostępowe mają już kłopoty z poprawną detekcją sygnałów na tak niskim poziomie. Attentuation Odległość [m] Rys. 5. Punkt dostępowy typu AP01-2 działał przy mocy nadawczej 10mW ERP. Poziom sygnału zmierzony urządzeniem PDA typu i.roc 610 Ex w odległości x od urządzenia dostępowego nr 3 dla poszczególnych urządzeń dostępowych. - poziom sygnału urządzenia dostępowego nr1, - poziom sygnału urządzenia dostępowego nr 2, - poziom sygnału urządzenia dostępowego nr 3. Podsumowując rozważania te temat propagacji w podziemnych tunelach wyrobisk górniczych można stwierdzić że: tłumienie trasy w podziemiach kopalń jest silnie zależna od lokalnych specyficznych warunków zawiera się standardowo w przedziale od 5dB/10m do 45dB/10m (od dziesięciu do czterdziestu pięciu decybeli na dziesięć metrów), wartość tłumienia i długości tuneli podziemnych (wiele kilometrów) praktycznie wykluczają możliwość zakłócania naziemnych urządzeń radiowych wyjątek może tu stanowić wyłącznie radiowa łączność w szybach kopalnianych,

5 blisko anteny można zauważyć wielomodowy tryb propagacji (mody falowodowe wysokiego i niskiego rzędu) charakteryzujący się silnym tłumieniem oraz w zależności od częstotliwości i od rozmiarów tunelu w niektórych przypadkach drugi tryb zawierający mody falowodowe niższego rzędu charakteryzujący się dużo mniejszym tłumieniem. Literatura: 1. Collins Radio Company, Research and Development Contract for Coal Mine Communication System, Prepared for Department of Interior Bureau of Mines Washington, D. C. USBM Contract No. H , November 1974 A. G. Emslie, R. Lagace, P. F. Strong, Theory of the Propagation of UHF Radio Waves in Coal Mine Tunnels, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. ap-23, no. 2, March 1975 Y. P. Zhang, G. X. Zheng, and J. H. Sheng, Radio Propagation at 900 MHz in Underground Coal Mines, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 49, no. 5, May 2001 Y. P. Zhang, Y. Hwang, J. H. Sheng, Propagation Characteristics of UHF Simulcast Signals in Tunnel Environments, Communication Technology Proceedings, ICCTapos;96., 1996 International Conference on Volume, Issue, 5-7 May 1996 Page(s): vol.1 Y. P. Zhang and H. J. Hong, Ray-Optical Modeling of Simulcast Radio Propagation Channels in Tunnels, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 53, NO. 6, NOVEMBER 2004 Dana T. Updyke, Wayne C. Muhler, Howard C. Turnage, AN EVALUATION OF LEAKY FEEDER COMMUNICATION IN UNDERGROUND MINES, United States Department of the Interior Bureau of Mines Contract No.: JO , June 1980 Fernando Martí Pallarés, Francisco J. Ponce Juan, Leandro Juan-Lláce, Analysis of Path Loss and Delay Spread at 900 MHz and 2.1 GHz While Entering Tunnels, IEEE IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 50, NO. 3, MAY T.S. Cory, Propagation of EM Signals in Underground Metalinon-Metal Mines, U.S. Department of the Interior Bureau of Mines 4800 forbes avenue Pittsburgh, Pennsylvania Martine Liénard and Pierre Degauque, Natural Wave Propagation in Mine Environments, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, no. 9, September 2000 S. Chow, Propagation of Radio Waves in Potash Mine Tunnels and its Implication on Radio Systems Performance, Communications Research Centre (CRC) Department of Communications (DOC), Government of Canada, Singapore ICCS/ISITA '92 Y. Serhan, H. Arslan, Statistical Wireless Channel Propagation Characteristics in Underground Mines at 900MHz, Military Communications Conference, 2007, MILCOM IEEE, p.1-7, Oct Krzysztof Fitowski, Jacek Stankiewicz, Andrzej Zagańczyk, Henryk Jankowski, Andrzej Kułak, Cezary Worek, "Remote radio link for underground communication at coal mine circumstances", III INTERNATIONAL SYMPOSIUM, "New electrical and electronic technologies and their industrial implementation", Zakopane, May 13-16, 2003, p Cezary Worek, Jacek Stankiewicz, Tomasz Kruszec, Cyfrowa łączność radiowa w wyrobiskach ścianowych i drogach transportowych z wykorzystaniem promienującego kabla wraz z monitoringiem na powierzchni kopalni, III Sympozim Naukowo-Techniczne pt. Łączność i automatyzacja w górnictwie-2004, Ustroń, październik 2004, Materiały konferencyjne, tom 1, 48-55s. Grzegorz Bomersbach, Marcin Szczurkowski, Michał Warzecha, Cezary Worek, "Radiowa łączność cyfrowa dla potrzeb automatyzacji pionowego transportu linowego w szybach kopalnianych", Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłowo, czerwiec 2005, Materiały konferencyjne, tom 1, s. Grzegorz Bomersbach, Marcin Szczurkowski, Michał Warzecha, Cezary Worek, "Radiowa łączność cyfrowa w pionowych szybach kopalnianych", X Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne, Poznań, 8-9 grudnia 2005, Materiały konferencyjne, s. Krzysztof Fitowski, Henryk Jankowski, Marek Jaszczuk, Dariusz Jenczmyk, Łukasz Krzak, Edward Pieczora, Jacek Stankiewicz, Marcin Szczurkowski, Joanna Rogala, Michał Warzecha, Cezary Worek, "RFID - nowa metoda identyfikacji elementów w podziemiach kopalń", Napędy i sterowania, 2 (82) (2006) Jankowski H., Krzak Ł., Szczurkowski M., Warzecha M., Worek C., Technologia radiowej identyfikacji obiektów RFID Wiadomości Elektrotechniczne, Numer 9/2006, strony: 8-14

6