無線Mesh技術在煤礦井下應急通信系統中的應用

張 鋒,顧 偉

(中電廣通股份有限公司， 北京 100081)

煤炭是我國主要的能源支柱，我國的煤炭資源儲量雖然列全球首位，但是我國大部分煤炭資源賦存條件較差，埋藏深、高瓦斯、地質條件復雜。煤炭行業一直是我國安全事故頻發的高危行業。分析近年來發生的多起惡性的大型煤礦安全事故，我們可以看到，即使在國有的大型煤炭企業中，井下應急通信技術仍基本處于空白：災害發生后的及時全面地通知、應急預案的迅速下發、井下情況的及時上報、各部分之間的協同通訊等，均缺乏有效的通信技術手段與裝備。許多事故中，都有礦工并非死于災害的第一現場，而是死于回撤的途中或次生的災害中的悲劇發生。國家安監總局提出了到2015年中國所有煤礦，都將建立“監測監控”、“人員定位”、“緊急避險”、“壓風自救”、“供水施救”和“通信聯絡”等安全避險“六大系統”的要求。

1 現有應急通信技術研究

迄今為止，我國煤礦井下應急通信系統，主要以有線通信為主，無線通信為輔。

有線通信主要為礦用調度電話系統，其調度通信的功能與井下無源傳輸的特點，使其具備一定的應急通信能力。在許多災害的案例分析中，我們可以看到，有線通信仍是上報災害情況、部署應急處理措施與通知撤離的主要通訊手段。但是，調度電話系統在應急通信中，也存在一些不足：井下巷道長，而部署的電話機數量相對較少且位置固定，在災害場景下難以做到全面的通訊；通信線纜只在主井、大巷有環路冗余，而在災害多發的采面、掘進頭等位置均為星型連接，一旦災害發生導致線纜損毀，通信就會中斷。

目前，井下的無線通信方式，主要有漏泄通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、CDMA(大靈通)通信、以及無線以太網(WLAN)通信系統等。從應急通信功能的角度來看，這些技術或多或少均存在一些局限：

1.1 信道容量小

透地通信、漏泄通信、PHS(小靈通)通信均存在信道容量小的局限，難以適應災害發生時呼叫量的激增，其中透地通信為單向傳輸，僅能支持一些文本信息的廣播；而小靈通每個基站只有3個語音信道。

1.2 網絡缺乏冗余能力

漏泄通信、PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)系統組網均為星型或鏈型網絡拓撲，網絡不具備環路冗余能力，一旦連接井上井下的這根線纜受損，系統即陷入癱瘓。

1.3 對中心語音、認證或數據交換機的依賴

PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)以及基于瘦AP(Fit)架構的無線以太網(WLAN)系統，均嚴重依賴地面的中心語音或控制交換機，一旦災害導致井下基站與地面的中心設備的失聯或地面交換主機發生故障，系統將無法正常工作。

1.4 缺乏電源后備能力

漏泄通信、PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)系統，均不具備電源后備能力，災害導致的斷電或線纜損毀，災后的停電均會使系統癱瘓。

2 煤礦應急通信系統需解決的問題

煤礦應急通信系統除了滿足本安防爆、可靠實用等一般性要求外,還需解決以下核心問題:

2.1 應急調度問題

應急場景下的通信調度與常態應用是不同的，面對災后第一時間迅速通告的需求，面對災害發生后通信系統容易出現的呼叫量激增、多人同時呼叫同一調度號碼等導致的線路擁塞現象，應急通信系統需具備特有的應急調度功能。

2.2 網絡冗余問題

災害的發生極易對通信系統的線纜、通信基站等造成直接損毀，這就要求應急通信網絡，必須具備多路由的網絡冗余功能，確保網絡中單點的線纜或設備損毀不會導致整個系統的癱瘓。

2.3 電源冗余問題

許多災害的發生，容易對通信系統的供電線纜或供電設備造成損壞，而且根據煤礦安全操作規程，在火災、瓦斯等災害發生時，必須有相應的供電閉鎖乃至井下的整體停電，這就要求應急通信系統具備電源冗余功能。

2.4 通信終端的應急通信問題

從許多成功救援的礦難案例中我們可以看到,災后井下被困人員的有組織自救至關重要。但是，災害中通信系統往往容易同時受損，如線纜中斷、設備損毀、供電停止等均易導致災害發生區域與地面調度中心的通信中斷，這就需要通信終端在這種災害場景下具備應急脫網通信功能。

2.5 系統容量

面對災害發生后通信系統容易出現的呼叫量激增導致的線路擁塞現象，應急通信系統中通信基站的信道容量，必須具備足夠的冗余。例如，礦用小靈通系統的一臺通信基站，只有3路話音信道，基本可以滿足正常生產場景下的通訊，但對于應急通信來講是不夠的。

在上述的應急通信系統面臨的五個核心問題中，較難實現的是采面與掘進面的網絡冗余與通信終端的應急通信功能，但隨著基于無線以太網(WLAN)的無線自組網(Mesh)技術與Vo-WLAN技術在煤礦通信中的應用，使得這些功能的實現成為可能。

3 基于無線Mesh 技術的煤礦應急通信系統

Mesh網絡，即“無線網格網絡”,它是一個無線多跳網絡，是由對等網絡(ad hoc)網絡發展而來，是一個動態的可以不斷擴展的網絡架構,任意的兩個設備均可以保持無線互聯。

Mesh WLAN網絡要比單跳網絡更加穩定,這是因為在數據通信中,網絡性能的發揮并不是僅依靠某個節點。在傳統的鏈型或星型網絡中,如果固定的節點或線路發生故障,那么該節點下所有的無線設備都不能進行通信。而在Mesh WLAN網絡中,如果某個節點發生故障,可以重新再選擇另一個節點進行通信,數據仍然可以高速地到達目的地。Mesh WLAN技術使無線節點具有自動配置網絡,并使網絡效率最優化的特性。提供自我組織、自我修復、更新動態網絡連接,確保網絡安全等等功能。

胖AP(Fat)架構的無線以太網(WLAN)的無線通信技術，基于VoWLAN的通信機制，通信系統中的各基站之間、各通信終端之間的通信，均可以不依賴地面中心交換或控制設備，即使與地面中心端設備失連后，系統內部仍可以互相通信，實現脫網通信的功能，使得災后被困人員可以實施組織自救；該系統可以架構在工業以太環網之上，從而具備環網冗余的功能，系統中單點或單邊的設備、線纜損毀不影響整個系統的正常工作，在救災應急通信方面表現出獨特的優勢。

將基于胖AP(Fat)架構的無線以太網(WLAN)通信技術與無線Mesh 技術相結合，可以很好地解決煤礦應急通信系統急需解決的問題：

3.1 采面無線組環

煤礦的主副大巷容易形成冗余網絡，通信系統的可靠性較高,但煤礦中災害集中多發的采面與掘進面由于受到巷道布置方式與采面回撤的限制，一直無法形成冗余網絡：煤礦掘進面往往是一條死胡同，缺少網絡冗余的回路路由，煤礦采面雖然兩側均有巷道，物理上具備形成冗余回路的路由，但由于采面處于不斷移動的回采作業過程中，且采面環境惡劣，大型機電設備集中，采煤過程中支架的不斷移動、飛濺的煤塊等，使通信設備與線纜在采面很容易被損壞,但使用采面無線組環方式,可以解決上述問題。

在采區兩側的主輔順槽內，采用通信基站間有線傳輸+無線覆蓋的方案，在采面的兩側通信基站之間，采用無線傳輸+無線覆蓋的通信方式，實現在環境復雜，設備、線纜易損的采面，使用Mesh WLAN或無線網橋的方式實現無線覆蓋與傳輸，在采面上實現主/輔順槽通信網絡的環形連接。

采面環網形成的意義不僅在于應急通信系統，采面是煤礦生產的核心區域之一，各種設備集中，采面環網的形成對采面工業自動化出傳輸網絡與監測監控網絡的冗余性能的提升，也具重要意義。

3.2 光纖/無線互為備份

無線Mesh 技術的應用，可以實現無線通信基站之間光纖/無線互為備份組環的功能。通信基站之間以光纖通信為主鏈路，在光纖鏈路中斷后，自動切換到無線Mesh的備份鏈路。與圖1相比，通信基站之間的通信增加了一條無線Mesh備份鏈路；也可以實現擺脫光纖的全無線組網傳輸，即通信基站之間采用無線Mesh技術實現組網與覆蓋，省去了光纖鏈路的建設與維護。因為采區環境下光纖的施工與維護較為困難，這樣就可以實現全無線Mesh的采區傳輸而非僅僅是無線采面。

其帶來的益處是：雙鏈路備份使得在災害導致的環網多點光纖故障或多點基站故障的場景下，仍可以保障通信鏈路的傳輸，進一步提高了系統的冗災性能。無線備份傳輸鏈路的增加，由于WLAN無線通信具備的縫隙傳輸、空間傳輸的特點，使得系統在冒頂、水災(非沒頂)等災害場景下的無線通信仍存在可能，系統冗災通信能力進一步提高。

3.3 Wi-Fi手機脫網通信

Wi-Fi手機脫網通信功能是指井下的手機或通信基站，在與地面的調度交換機或控制器失聯后，手機之間仍然可以直接或通過井下的通信基站實現相互通信。避免因為井上、井下系統失聯導致系統的癱瘓，使災后被困井下人員之間仍然可以互相通信，以便發現、組織被困人員向安全區域撤離、提示使用自救器、進入逃生艙等自救工作。目前的移動通信技術體制中,只有基于VoWLAN技術的Wi-Fi手機可以實現該功能。

3.4 后備電源

基于無線Mesh 技術的煤礦應急通信系統基站，每臺均單獨配置后備電源與電池，確保在災后救援的黃金時間內，基站工作不受井下停電或供電線纜損毀的影響。

3.5 應急調度

基于無線Mesh 技術的煤礦應急通信系統的調度系統，具備對有線電話與無線通信話路的強插、強拆功能，以避免共同呼叫導致的擁塞；具備廣播、組播、會議、輪詢、群發緊急通知短信、群發應急預案等功能，以實現災后通信的及時有效。

綜上所述，基于無線Mesh 技術的煤礦應急通信系統采用了無線/有線一體化，生產/行政一體化的融合調度通信主機，采用具備無線Mesh功能的胖AP(Fat)架構的無線以太網(WLAN)技術，架構在工業以太環網平臺之上，各基站均配置后備電源，使用具備脫網通信功能的移動終端，即能滿足煤礦企業正常生產、管理的需要，又大幅提高了系統的冗災與應急通信能力。

4 結束語

煤礦作為高危險行業，井下出現緊急或災害情況概率遠大于其他工業環境。而在應對緊急或災害情況的時候，可靠的通信是非常重要的救援保障。煤礦井下應急通信系統，多年來一直是行業的難點與空白，現有的礦用小靈通、大靈通以及瘦AP架構(Fit)的無線以太網等無線通信系統，均難以在應急救援通信系統中起到應有的作用。無線Mesh WLAN通信技術以其具有的無線傳輸、自動配置、自我修復、自我優化等功能特點，提高了煤礦應急救援通信系統的冗災性能與冗災類別，將成為煤礦井下應急通信系統乃至煤礦井下無線通信系統的首選技術。

[1] 孫繼平，蘇勇，乜京月. 礦井調度無線通信交換機的研究[J]. 煤炭工程，2002.

[2] 孫繼平. 礦井無線通信的特點及現有系統分析[J]. 煤礦自動化,1997.

[3] Ekram Hossain，Kin K.Leung.無線Mesh 網絡架構與協議[M]. 北京：機械工業出版社,2009.

[4] 孫紹峰,張四海,衛國,等.無線mesh骨干網絡的路由與調度聯合優化算法[J]. 中國科學技術大學學報,2009.