详谈基于无线射频的矿井爆破智能化方案

爆破解决方案公司Davey Bickford Enaex在法国研究中心CEA Leti的帮助下，开发了一种无线双向通信系统，用于远程控制矿井中的电子雷管。这套解决方案利用了专有的有源射频协议，使爆破控制器能够在触发每个爆破装置之前与数千个雷管进行通信。

该方案的开发目的是为了取消采矿现场地面布线的需要，并通过无线方式实现从安全的单一位置对多个电子雷管的双向控制，从而降低爆破过程的风险，提高效率。Davey Bickford公司的产品营销经理艾默里克·德努埃尔（Aymeric Denuelle）说，将无线技术集成到其爆破系统中一直是公司发展策略的核心，“始终提供更安全的解决方案，使我们的客户能够从远程发射点触发更多的爆破作业”。

这两家公司开发的系统包括安装在电子雷管中的Davey Bickford无线电模块，以及一个爆破控制器，该控制器向每个单独的雷管发送指令，并要求每个装置在引爆前作出适当反应。这套系统可以传输数公里，使其能够适应数字爆破系统与露天矿区实际爆破点之间相对较长的距离。

爆破作业历来对采矿环境构成威胁。采矿公司员工会在开始爆破前手动检查爆破条件并确保周边环境的安全，这一过程被称为“起爆排查”。排查时间有限，若发生人为错误也会有风险。此外，一旦开始清理爆破后产生的渣土堆，负责爆破的工作人员必须避免可能引发的失火。但主要问题是，工作人员无法确定是否有雷管未能引爆。

上世纪90年代末，一些爆破产品主要供应商率先推出了新一代雷管，里面装有电子元件。电子芯片使这些装置能够在爆破前后与发射人员通信，直到爆破触发前的最后时刻。德努埃尔说，这为连接所有雷管和爆破机的电线实现了基本的安全功能，但这也是该系统的一个致命弱点，在实施复杂性和网络漏电方面。

Davey Bickford公司为地表和地下采矿、采石、建筑和勘探应用提供各种爆破系统，服务于欧洲、亚洲、澳大利亚、新西兰以及北美洲、南美洲和中美洲。在与法国CEA-Leti会面时，该公司试图为客户开发一种解决方案，在爆破发生前为雷管提供无线双向通信。所有雷管直到最后一刻都保持正常工作，等待“起爆”指令。最终的解决方案被称为DaveyTronic Edge。

CEA Leti位于法国格勒诺布尔，是一家专注于电子和信息技术的研究机构，为无线解决方案提供微电子方面的应用研究，例如纺织品制造商生产的RFID纱线用于服装零售业以及某些不适合粘贴标签的工业领域，法国手球队训练时使用的可穿戴RFID传感器等。

2014年，CEA Leti实验室首次与Davey Bickford进行了对话。实验室业务开发经理杰罗姆（Swan Gerome）说：“这次对话的主题是拆除控制单元和雷管之间的电线。”他指出，虽然电子雷管并不新鲜，但用于计时的无线连接是最近才有的创新。

杰罗姆回忆说，“当我们准备开发时，发现无线系统很少。”那些正在使用的系统也是单向的，换句话说，引爆信号可以发送到雷管，但无法接收到雷管的任何响应。

CEA Leti智能对象通信实验室负责人文森特？伯格（Vincent Berg）表示，公司在新的无线系统上有两个目标。其一是提高引爆过程的效率，他指出矿场的重点是采矿，而不是引爆。“在这个行业，时间就是金钱。矿区需要花费更多的时间来采矿，而不是进行爆破。”

其二是双向通信。“为了正确控制引爆，用户需要有关雷管状态的反馈，需要非常精确地对引爆进行计时和协调，这样冲击波才能同步。”该系统开发工作始于2017年。

在新系统中，无线雷管有一个内置的圆柱形装置，包括LoRa无线电和基于LPWAN协议的天线。该模块可以接收在指定时间内引爆的指令，但在真正引爆之前，需要监控雷管的状态。例如，如果雷管未能正确响应，操作人员可以取消爆破并更换不工作或不稳定的装置。每个电池供电的雷管中的装置都有自己独特的标识，它在雷管和爆破控制器之间发送和接收数据，距离可长达几公里。

控制器有两种模式，一种用于编程，另一种用于爆破。要设置起爆时，用户可以访问编程模式，为每个雷管选择爆破参数。然后，该装置收到每个雷管的回应，确认其指令。一旦确认每个雷管都做出了适当的反应，用户就可以切换到爆破模式进行爆破。

雷管在爆破后会化为粉末，因此当雷管在引爆后再被询问时，雷管不应作出回应。杰罗姆说，该解决方案利用了基于LoRa的专有协议，而CEA Leti设计的天线使用专有协议，以符合户外采矿环境特有的规范。

在开发解决方案时，研究团队考虑了许多无线网络协议，但受到采矿业要求的限制。他们需要一个长期的方案，并希望专注于一个双向的选择。他们还要求传输速度要快，因为在发送持久触发器时，每个雷管都要有相同的爆破起始时间基准，这一点至关重要。爆破指令数据全部在控制器设备上管理，不保存。

2019年12月，该系统在智利安托法加斯塔地区的采矿场成功演示，涉及约200枚雷管。随后爆破公司和法国实验室签署无线爆破系统的联合协议，将继续进行进一步的开发，并计划将该技术商业化。正在开发的工作将在法国半导体器件和通信技术研发财团IRT Nanoelec的协助下进行。

德努埃尔说：“这个解决方案致力于使采矿人性化，并为客户提供更好的安全和更高的效率。”这项技术减轻了员工的作业负担，确保了爆破作业按时进行，出错率低，同时保持了双向通信，符合安全标准。“拆除表面电线和非接触定时有助于雷管的部署，同时故障排除变得更容易，爆破规模不再受所需电线数量等电气因素的限制。”
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