基于基站協作的煤礦應急通信保障系統研究

王潤北

(鄭州賽金電氣有限公司，鄭州450016)

1． 概述

煤礦應急通信保障系統是基于工業以太網的有線/無線相結合的通信系統，通過統一的平臺，實現礦井的廣播通信、調度通信以及無線通信。系統將煤礦企業常用的通信系統進行了整合，使之能夠通過一個應急指揮中心進行管理，廣播電話可以用于皮帶巷、工作面等各種復雜場合。系統與人員定位系統互聯互通，并能夠通過自身的緊急呼叫/廣播功能觸發人員定位卡上的物理報警裝置。通過物聯網絡在礦井的應用，融合寬帶無線技術和傳感器技術，構建有線/無線混合結構的全覆蓋物聯網系統，解決現有煤礦井下信息傳輸存在監控盲區和不能實現全礦井的無縫全覆蓋監控等問題。

2． 系統開發設計

2．1 應急通信保障系統軟件平臺的開發

如圖1所示，煤礦各通信系統通過應急通信保障系統的軟件平臺實現聯絡通信功能，實現統一的管理。

建立一套涵蓋煤礦有線、無線相結合的應急通信保障系統。實現礦井通信全覆蓋，發生災難緊急情況具有一鍵通功能，一分鐘內快速通知井下所有礦工安全撤離。

本軟件平臺功能特點包括:

整合語音通信系統，統一界面，統一管理;

調度室直接對擴播、調度電話、手機各點進行緊急呼叫或廣播;

各分機點、線狀態顯示;

分級管理，分級監控;

一鍵通緊急廣播;

豐富靈活的軟件接口，支持定制開發。

圖1 煤礦應急通信保障系統的軟件平臺

2．2 基于IP的數字式全雙工煤礦擴播電話的開發

煤礦擴播電話用于生產局部區域的通信，可以實現廣播式全雙工通話。如果出現事故異常，可以通過擴播電話機給出聲光報警提示信號;系統將傳統的擴播電話及程控電話以數字電路和數字網絡理念重新設計，實現語音電話機數字化、信號傳輸數字化、基于現代工業以太網集中控制的全數字語音電話系統。

本擴播電話是一種通過IP技術的網絡來實現語音通信的一種全新的通訊設備。基于IP的煤礦擴播通信是純數字擴播系統，抗干擾性強，音質好，不但具有傳統的擴播電話系統的功能，還具備定時播報和背景音樂以及與地面調度臺互通等功能。除了集成調度電話功能，還支持以太網通信，可直接接入礦用調度電話系統。本產品中的IP擴播電話終端可以與調度電話交換機、普通電話交換機連接;可以更方便的實現背景音樂播放、觸點信號遙控功能;主機界面直觀友好，功能齊全，操作簡便，人機界面不僅具有形象逼真的動態畫面和全中文顯示，還具有急停報警監視、安全確認機制和數據記錄功能。

擴播話機通過接收從串口傳來的數據，經CPU輸出到A/D轉換模塊和編碼解碼器，最后經過功率放大器到擴音喇叭實現擴音廣播。來自IP擴播電話的轉換端口的數字語音信號通過芯片微處理器，拆包并提取語音數據送入VS1003B對其進行解壓與解碼再由芯片進行D/A轉換還原成語音模擬信號輸出。井下人的模擬語音信號通過芯片進行A/D轉換，得到的PCM信號，再由VS1003B進行壓縮編碼，壓 縮 后 數 據 輸 出 給 FPGA 芯 片。EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器除了提供系統所需的所有時序外，還對編碼后的數據進行處理和打包傳輸給IP擴播電話的轉換端口。

2．3 調度程控電話廣播裝置的開發

可以通過以太網口，就近接入井下工業以太網交換機，地面傳輸接口通過以太網上的交換機與井下本安廣播分站進行通訊，組成工業以太網+通信電纜的模式。

本系統話機帶有源音箱，在接收到電話呼叫后振鈴三聲以內摘機，則實現普通聽筒通話;若振鈴三聲未摘機，則電話機自動接通，并把接收到的語音轉接到有源音箱進行擴音播放。

2．4 基于Wi－Fi礦用無線通信

礦用無線通迅系統采用Wi－Fi與TCP/IP相結合的技術，在煤礦井下實現了語音信息的無線傳輸。專門根據煤礦井下環境和巷道電磁波的傳輸特性設計研制的礦用無線通信系統，系統采用全本安設計，可以在工作面、回風巷等高瓦斯環境中使用。通過無線信號進行空間覆蓋的礦井寬帶無線通訊系統，可與礦上行政電話系統、有線調度電話系統無縫銜接，利用礦用本安手機、固定電話等終端接入設備來實現群呼、組呼等功能，從而實現井上對井下的語音調度以及井下對井上的信息反饋，并真正實現了無線通信、調度通信和行政通信一體化、井下通信和井上通信一體化，使煤礦無線通訊技術躍上一個新的臺階，進而能夠更準確、實時、快速的進行生產指揮、調度、搶險救災、安全救護、安全監測、移動數據傳輸，是煤礦通信聯絡系統的理想選擇。基于Wi－Fi礦用無線通信系統是基于標準的工業以太網傳輸網絡、采用TCP/IP、Wi－Fi和SHDSL等協議開發的新一代礦用無線通信系統，它由IP調度交換系統、地面環網接入器、礦用環網接入器、礦用本安型DSL接口、礦用本安型無線基站、礦用本安型Wi－Fi手機、礦用攝像頭及其他配套設備組成，能實現礦區井上與井下的語音、數據、圖像傳輸功能。

2．5 無線視頻監控

系統基于當前先進的視頻采集、數據壓縮還原、網絡傳輸等技術設計而成。系統采用單對雙絞線數字傳輸、Wi－Fi無線通信取代原有的光纖傳輸方式，采用固定與移動音、視頻監控模式，填補了國內市場空白。視頻監控系統包括視頻監控終端、網絡傳輸平臺、監控中心等部分。根據監控傳輸方式的不同，還可以分為有線監控和無線監控。隔爆攝像儀通過有線方式連接。本安攝像儀既可以通過有線連接，也可以通過無線連接。

3． 關鍵科學技術

3．1 與礦井人員定位系統互聯互通關鍵技術的研究

本系統的軟件平臺將煤礦人員定位系統與通信聯絡系統進行了互聯，在平時生產中能夠實時了解井下人員的準確數量、流動情況及分布情況，從而提高礦井的生產效率。當事故發生時，井下人員通過人員定位卡上的緊急按鈕實現對井上調度室的緊急呼叫，救援人員可根據井下人員定位系統所提供的數據，迅速了解有關人員的位置情況并與之進行有效的通信聯絡，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。

3．2 與礦井工業以太網綜合接入關鍵技術的研究

本項目組研發了多種接入方式的礦用綜合IP語音接入網關，本IP電話語音網關系統采用先進數字語音通信技術，基于IP通信，支持靜態、動態IP地址和IP地址智能學習功能。

IP語音網關將從調度臺由工業以太網傳來的網絡信號進行數據格式轉換成適合RS485傳輸的數據，發送到各個擴播電話機，以便在井下擴播。其接口如圖2所示。

圖2 語音網關接口圖

為確保礦用綜合接入網關的實時性和可靠性，使用嵌入式實時操作系統，采用改進TCP/IP協議。系統擴展各種現場總線接口，完成需要的協議轉換功能，確保互聯互通，提高系統的兼容性，系統硬件結構原理圖如圖3所示。系統軟件需要完成各種協議轉換功能，修改TCP/IP協議。系統主要由系統接口、網絡模塊、現場總線協議轉換模塊和人機接口幾個主要部分組成。

圖3 系統硬件結構原理圖

IP電話語音網關用于礦井擴播對講系統中。其主要目的是在保留礦井老式模擬話機投資的基礎上將語音傳輸IP化，從而改善井下布線的安全性，提高傳輸距離，方便調度控制，并為井下通信系統的進一步升級改造打好基礎。

3．3 與現有擴播電話互聯互通關鍵技術的研究

本系統設計的專用轉換器能夠實現與其他各種廠家型號擴音電話和以太網之間的通信轉換。

擴播系統接口:該接口連通四芯電纜，其中兩條是電源線，兩條是信號線。

IP網絡接口:該網絡接口是RJ45接口，用于與工業以太網交換機連接，收發數據。

每條皮帶機擴音線路只需要配備一臺數字化轉換器即可，它的接口如圖4所示。

圖4 與現有擴播電話的互聯

轉換器模擬接口滿足各種型號的擴音電話接口要求，能驅動最多25部擴音電話或KB轉換器，最大傳輸距離達25Km。KB轉換器以太網接口是10/100MHZ自適應的，符合標準IEEE802．3/IEEE802．3U標準。

3．4 與現有無線通信系統(Wi－Fi、小靈通等設備)互聯互通關鍵技術的研究

礦區使用的Wi－Fi手機和本安型小靈通能夠實現井上井下之間的雙向通信。Wi－Fi手機和小靈通可通過中繼網關設備接入礦用應急廣播通信系統，作為應急廣播通信的信息發布手段之一，與其他既有及新建通信系統協同工作，最大限度地滿足井下通信和廣播需要。

4． 結語

煤礦應急通信保障系統對各個環節以及各部分系統進行有機的整合，形成聯動機制，從而大大提高各類事故的防范能力和緊急情況下的處置能力。該系統的廣泛應用，將進一步解決目前各煤礦沒有覆蓋全礦區的“一鍵”緊急廣播通信手段、系統彼此相對獨立、不具備協同工作能力、聯動性差等問題，為煤炭安全生產管理水平的進一步提高提供有力的技術保障。

［1］李學來，胡敬東．煤礦應急救援技術的研究及應用現狀［J］．煤炭工程，2005(4)．

［2］王平津．煤礦瓦斯安全多級監管中的信息技術［J］．煤炭科學技術，2004(4)．

［3］沈成權．淺談煤礦安全監控系統的細化應用［J］．煤礦安全，2005(2)．

［4］［美］庫奇．數字與模擬通信系統［J］．通信技術，2007(11)．

［5］樊昌信．現代通信原理［J］．通信技術，2009(10)．

［6］李文峰，李華．礦山無線通信技術研究［J］．煤碳科學技術，2008(7)．