孫繼平:現代化礦井通信技術與系統

時間：2014-10-17　來源：中國礦業大學（北京）　作者：孫繼平　點擊：次

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摘要：提出了由礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統和礦井救災通信系統等組成的煤礦井下通信技術體系。提出礦用調度通信系統應采用礦用有線調度通信系統。提出全礦井移動通信系統宜采用WiFi、3G、4G等通信技術。提出礦井廣播通信系統既可采用礦用有線調度通信系統遠程供電廣播技術，也可采用基于以太環網和無源光網絡的IP通信技術。提出礦井救災通信系統應采用無線多媒體通信技術，宜采用WiFi和MESH等通信技術。提出礦井移動通信系統應滿足手機脫網通信、基站脫網通信、無線自組織網絡、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺等要求。指出在手機脫網通信、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺、無線自組織網絡、礦用無線攝像機、基站脫網通信、多功能礦井移動通信系統、礦井無線寬帶傳輸等方面，WiFi優于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。提出多功能礦井移動通信系統和礦井無線寬帶傳輸宜采用WiFi。
    0 引言
    現代化煤礦的發展方向是機械化、信息化和自動化，其實現目標：（1）供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守，地面遠程控制；（2）綜采、綜放等采煤工作面少人作業，地面遠程控制；（3）減少煤礦井下作業人員，實現煤礦安全高效生產。要實現以上目標，不但需要具有地面遠程控制功能的礦井監控系統、視頻監視系統，還需要及時可靠的礦井通信系統。
    1 煤礦井下通信技術體系
    礦井通信系統是煤礦井下安全避險“六大系統”之一，在煤礦安全生產調度、安全避險和應急救援中發揮著重要作用。礦井通信系統包括礦用調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統、礦井救災通信系統等。
    1.1 礦用調度通信系統
    礦用調度通信系統應采用礦用有線調度通信系統。礦用有線調度通信系統中的本質安全型防爆電話，通過多芯礦用通信電纜中的2芯，經安全柵與地面調度交換機相連，不需要井下供電。瓦斯超限斷電或事故停電均不會影響系統正常工作。當井下發生事故時，只要電話不壞，電纜不斷，系統即可正常工作。因此，礦用有線調度通信系統是煤礦井下最可靠的通信系統，在生產調度、緊急避險和應急救援工作中發揮著重要作用。
    由于礦用有線調度通信系統中的本質安全型防爆電話是有線固定電話，存在著使用不方便、不能滿足煤礦井下移動工作的需求等問題。采煤工作面和掘進工作面等區域的作業人員要向調度室匯報情況，需行走較遠的距離，到裝有本質安全型防爆電話的地點。調度室人員要與井下作業人員通信，需由本質安全型防爆電話附近的人員轉告或呼叫。如果本質安全型防爆電話附近無人，將無法實現通話。特別是，當發生事故時，地面調度室人員不能及時通知井下作業人員，井下作業人員也不能將險情及時向調度室人員報告。
    礦用有線調度通信系統的交換設備宜選用程控數字交換機、IP網絡交換設備等，嚴禁采用礦用IP電話通信系統替代礦用有線調度通信系統。這是因為礦用IP電話通信系統中的礦用本質安全型防爆IP電話和礦用防爆交換機設置在井下，均需井下供電；當井下發生瓦斯超限停電或故障停電等時，會影響系統正常工作。礦用IP電話通信系統的可靠性遠不如不需井下供電的礦用有線調度通信系統。
    1.2 礦井移動通信系統
    礦井移動通信系統具有通信及時、便捷的優點，提高了井下流動人員通信的及時性，為及時下達調度指令、溝通生產信息、通報安全隱患、事故撤人和救援提供了通信手段，促進了煤礦安全生產，提高了生產效率。但由于礦井移動通信系統的基站等設備需井下供電，瓦斯超限斷電或事故停電會影響系統正常工作。雖然基站配有不小于2 h的備用電源，但其可靠性遠不如不需井下供電的礦用有線調度通信系統。因此，礦井移動通信系統是礦用有線調度通信系統的重要補充，但決不允許用礦井移動通信系統替代礦用有線調度通信系統。
    礦井移動通信系統分為全礦井移動通信系統和局部移動通信系統。全礦井移動通信系統可以覆蓋煤礦井下巷道、硐室和采掘工作面等作業地點,宜采用WiFi、3G、4G等通信技術。
    礦井局部移動通信系統主要用于未裝備全礦井移動通信系統的煤礦，實現電機車調度通信等，與全礦井移動通信系統相比，其系統投入較少。礦井局部移動通信系統宜采用WiFi通信技術，也可采用漏泄通信等技術。
    1.3 礦井廣播通信系統
    礦井廣播通信系統能及時將調度指令、撤人信息等通過防爆喇叭和顯示屏通知井下作業人員，是煤礦井下緊急避險的重要工具之一。但由于礦井廣播通信系統的防爆喇叭等設備需井下供電，瓦斯超限斷電或事故停電會影響系統正常工作。雖然井下配有不小于2 h的備用電源，但其可靠性遠不如不需煤礦井下供電的礦用有線調度通信系統。因此，礦井廣播通信系統是礦用有線調度通信系統的重要補充，但決不允許用礦井廣播通信系統替代礦用有線調度通信系統。
    礦井廣播通信系統除應具有語音廣播和顯示功能外，還宜具有井下緊急呼叫地面、雙向語音通信等功能。廣播通信系統除作為事故撤人和報警通信外，在正常生產時，還可作為生產調度廣播通信。這樣既提高了設備利用率，又保證應急通信時設備完好，做到“平戰結合”。
    礦井廣播通信系統既可采用礦用有線調度通信系統遠程供電廣播技術、也可采用基于以太環網和無源光網絡的IP通信技術。
    1.4 礦井救災通信系統
    礦井救災通信系統主要由礦山救護隊配備，用于救護隊員與井下救援基地和地面救援指揮中心通信聯絡。礦井救災通信系統除應具有語音通信功能外，還宜具有圖像監視功能，CH4、CO、O2、溫度等環境監測功能，救護隊員心跳、體溫、姿態等監測功能。
    礦井救災通信系統分有線系統和無線系統。礦井有線救災通信系統將通信電纜兼做探險繩。礦井無線救災通信系統又分為語音救災通信系統和多媒體救災通信系統。早期的礦井無線救災語音通信系統主要采用感應通信等技術,新近研制成功的多媒體礦井無線救災通信系統主要采用WiFi和MESH等通信技術。
    為滿足煤礦井下應急救援對圖像監視、環境監測、語音通信的需求和方便快捷的要求，礦井救災通信系統應是多媒體無線通信系統，宜采用WiFi和MESH等通信技術。
    1.5 礦井應急通信系統
    礦井應急通信系統主要用于事故報警、人員撤離、被困人員通信聯絡、搶險救災、臨時施工等。礦井應急通信系統除上述用于搶險救災的礦井救災通信系統、用于事故報警和人員撤離的礦井廣播通信系統外，還有用于被困人員通信聯絡和臨時施工的通信系統等。
    1.5.1 用于被困人員的礦井通信系統
    煤礦井下發生的瓦斯爆炸等事故會造成線纜斷纜、設備損毀、供電中斷等，因此，礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統和礦井廣播通信系統均難以保障事故被困人員的通信聯絡。參考文獻[1]提出電纜埋入的方法，以減少瓦斯爆炸等事故對通信系統的影響，但這只適用于礦壓和底鼓不嚴重的礦井。MESH技術可以根據正常工作的節點自組織網絡，但當節點被瓦斯爆炸等事故連片摧毀時，也不能保障被困人員的通信。
    透地通信系統具有受瓦斯爆炸等事故影響小等優點，但其傳輸帶寬窄，只能傳輸短信和指令，不能傳輸語音和圖像，常用于地面向井下單向通信。用于被困人員通信聯絡的通信系統，不但要指揮被困人員緊急避險（即地面向井下通信），還要了解被困人員位置、人數、現狀和需求等信息（即井下向地面通信）。因此，需要在煤礦井下避難硐室內設置發射機和天線，實現避難硐室內雙向透地通信，這對于開采深度較深的礦井是比較困難的。
    適宜地面鉆孔的避難硐室，應優選地面鉆孔，通過在鉆孔內敷設通信、監測、供風和供水管線，實現被困人員與地面的雙向通信等。礦壓和底鼓不嚴重的礦井，可采用通信、監測、供風和供水管線埋入的方法，減少瓦斯爆炸等事故對通信等系統的影響。
    1.5.2 用于臨時施工的礦井通信系統
    為提高工作效率，保障安全生產，煤礦井下臨時施工需要布設方便快捷、使用方便的通信系統。礦用有線調度通信系統和礦井移動通信系統故障期間，也需要布設方便快捷、使用方便的通信系統。因此，用于煤礦井下臨時施工等的通信系統宜采用WiFi和MESH技術或WiFi技術。
    1.6 礦井通信系統技術體系
    通過上面分析，不難看出，礦井通信系統應由礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統和礦井救災通信系統等組成。充分發揮礦井有線調度通信系統的可靠性、礦井移動通信系統的實時性、礦井廣播通信系統的及時性、礦井救災通信系統的便捷性等優點，共同滿足煤礦安全生產和應急救援對礦井通信系統的需求。
    救災通信系統由礦山救護隊配備，礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統由煤礦企業裝備。用于臨時施工的通信系統不需要單獨設置，既可以采用具有手機和基站脫網通信功能的礦井移動通信系統，也可以采用具有無線自組織網絡及手機和基站脫網通信功能的礦井移動通信系統，還可以采用基于WiFi和MESH的多媒體礦井救災通信系統。
    當然，隨著礦井通信技術的發展，礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統將會融合為全礦井綜合通信系統，并進一步融合為全礦井綜合監控、監視與通信系統，以便于用戶裝備、使用與維護。
    2 礦井移動通信特殊要求
    煤礦瓦斯、水、火、頂板等事故威脅著煤礦安全生產，也影響著礦井移動系統的正常工作。因此，礦井移動通信系統不但要考慮煤礦井下無線傳輸的特點，還要考慮瓦斯爆炸等事故對系統的影響。這就要求礦井移動通信系統具有手機脫網通信功能、基站脫網通信功能、可接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺、便于無線自組織網絡等。
    2.1 手機脫網通信
    瓦斯爆炸等事故會造成光纜和電纜斷纜、設備損毀、供電中斷等，使礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統無法正常工作。如果礦井移動通信系統的手機具有脫網通信功能，在手機無線覆蓋范圍內，就能滿足被困人員與救援人員、被困人員與被困人員之間的通信聯絡；還可用于災后遇險人員搜救和煤礦井下臨時施工通信。
    基于WiFi的礦井移動通信系統較易實現手機脫網通信功能，而基于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的礦井移動通信系統則難以實現手機脫網通信功能。
    2.2 接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺
    煤礦井下工作面至地面距離長達10余千米，但煤礦井下無線傳輸衰減大，一般無中繼無線傳輸距離為數百米。因此，煤礦井下遠距離寬帶傳輸應采用光纜等有線傳輸，宜采用基于TCP/IP協議的以太環網或無源光網絡。
    WiFi采用TCP/IP協議，因此，接入基于TCP/IP協議的以太環網或無源光網絡十分方便，但WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA接入基于TCP/IP協議的以太環網或無源光網絡需進行協議轉換。
    2.3 無線自組織網絡
    煤礦井下無線傳輸衰減大。為延長煤礦井下無線通信距離，需無線中繼。為減少無線中繼器因瓦斯超限停電、故障和損壞對系統的影響，宜采用MESH技術實現剩余的正常工作的中繼節點的自動重組。
    在WiFi礦井移動通信系統中，采用MESH技術十分方便。但在WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 礦井移動通信系統中，采用MESH技術卻異常困難。
    2.4 礦用無線攝像機
    現代化煤礦要實現：供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守，地面遠程控制；綜采、綜放等采煤工作面少人作業，地面遠程控制等。要實現以上目標，不但需要具有地面遠程控制功能的礦井監控系統和礦井通信系統，還需要視頻監視系統，其中無線攝像機是必不可少的。
    為提高性價比，礦用無線攝像機宜采用WiFi技術。
    2.5 基站脫網通信
    為減少瓦斯爆炸等事故的影響，礦井移動通信系統宜具有基站脫網通信功能。具有基站脫網通信功能的系統，當發生斷纜等故障時，沒有損壞的基站，在其備用電源有電的時間內，可提供基站無線覆蓋范圍內的手機通信。
    基于WiFi的礦井移動通信系統較易實現基站脫網通信功能，而基于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的礦井移動通信系統要實現基站脫網通信功能，需在基站中增加軟交換功能。
    2.6 多功能礦井移動通信系統
    WiFi手機和基站均具有脫網通信功能，WiFi技術便于通過無線中繼提高傳輸距離。因此，WiFi除可用于全礦井移動通信系統外，還可用于多媒體礦井救災通信系統、臨時施工通信和局部通信等。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA可用于礦井移動通信系統，但不宜用于多媒體礦井救災通信系統、臨時施工通信和局部通信等。因此，多功能礦井移動通信系統宜采用WiFi。
    2.7 礦井無線寬帶傳輸
    WiFi傳輸速率達54 Mbit/s或更高,無線傳輸距離達300 m；具有傳輸帶寬寬、便于接入有線寬帶網絡、設備體積小、發射功率小等優點，可滿足監控數據、語音和圖像等多種信息實時傳輸的要求。在當今技術條件下，建設煤礦井下一體化無線寬帶傳輸平臺宜采用WiFi。
    WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等第3代移動通信系統的數據傳輸速率分別為2 Mbit/s(室內)、384 kbit/s（室外）和144 kbit/s（行車），能夠同時傳輸聲音和數據。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA是3個不同的標準，并存在著難以實現手機脫網通信、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺需進行協議轉換、采用MESH技術困難、傳輸帶寬較窄等問題。因此，不宜用作礦井無線寬帶傳輸技術。
    2.8 越區切換
    煤礦井下由斜井（或立井、平硐）、大巷、上下山、順槽、工作面等多個巷道構成，工作面至地面距離可達10余千米。煤礦井下無線傳輸距離近，一般為數百米。因此，全礦井移動通信需在煤礦井下布置大量的基站。手機等移動終端在井下移動通信，有時需跨越基站的無線覆蓋區域。要保證手機等移動終端跨越基站無線覆蓋區域時，仍能正常通信，這就需要越區切換技術。
    WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是移動通信技術，因此具有良好的越區切換性能。
    WiFi是無線接入技術，因此越區性能不如WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。但煤礦井下人員移動速度較慢，即使乘坐膠輪車、人車、電機車、乘人膠帶等運輸工具，其移動速度也遠不及地面高速公路上的小汽車的移動速度。因此，WiFi礦井移動通信系統越區性能差的問題，并不影響WiFi礦井移動通信系統在煤礦井下使用，這已被大量的現場使用所證明。
    3 結語
    現代化煤礦安全生產迫切需要可靠、及時和便捷的礦井通信系統。礦井通信系統應由礦用有線調度通信系統、礦井移動通信系統、礦井廣播通信系統和礦井救災通信系統等組成。WiFi在手機脫網通信、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺、無線自組織網絡、礦用無線攝像機、基站脫網通信、多功能礦井移動通信系統、礦井無線寬帶傳輸等方面，優于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。因此，多功能礦井移動通信系統和全礦井綜合監控、通信和監視系統的無線傳輸技術宜選用WiFi。