探討煤礦通信系統中無線以太網技術的應用

摘要：通過對煤礦較為復雜的生產環境以及移動的生產管理的通信需求特點，實現對了無線以太網技術的探討，并以當前無線以太網技術的發展介紹為基礎，具體探討了無線以太網技術在煤礦通信系統中的實際應用，從而構建了持續改進和發展著的煤礦通信系統。

關鍵詞：煤礦 通信系統 無線以太網 技術 應用

隨著社會的發展，人們對能源的需求量不斷加大，煤礦開采和生產將面臨著更加復雜的環境。同時，當今的煤礦的開采不僅僅限于傳統的永久性大巷，更需要根據煤礦開采和生產所面臨的外在環境而不斷改變，其中涉及到煤礦的采掘、支護、監控、通信、運輸以及檢測等工作。在煤礦井下巷道的掘進過程中，大量的機械設備需要搬遷，維護和移動，因此，對于進行煤礦企業的安全生產，提高生產效率的減員增效模式越來越受到人們的重視。此外，減員增效開采模式絕大部分屬于井供式開采，由此，具有較大的開采難度。煤礦開采中煤層的賦存條件較差、煤礦開采過程中的成本較高、煤礦生產環境中的巷道較長。在煤礦這一特殊的環境下要實現減員增效，是對煤礦通信系統的巨大挑戰。煤礦的生產面臨著作業人員較少、巷道距離較長的開采環境下，煤礦的通訊設備應更為小型化、便捷化、可移動，并將成為今后煤礦通信技術的首要選擇。

1 當前無線技術研究

調查顯示，有線通信方式是我國目前煤礦井下通信系統的主要方式，煤礦井下的生產監測監控、控制、人員定位系統以及工業電視等都是使用了有線的方式來進行傳輸的。但是，當前煤礦井下的無線通信仍然以低效率的語音通信為主，煤礦井下的多模式通訊體系依舊處于理論的研究階段。無線通信技術，具體有漏泄通信、透地通信、感應通信以及CDMA (大靈通) 通信系統等幾種模式。在無線通信技術中，由于感應通信以及透地通信存在較小的信道容量，難以抵御電磁侵擾，可靠性不高，從而不同程度地制約其應用。礦用小靈通技術則來源于公用通信網絡中的PHS系統，是井下與地面實現無線電通信的范疇。礦用大靈通(CDMA)是相對與小靈通而言的。大靈通的工作波段為450MHz，基于CD2MA2000技術。由于其具有抗干擾能力強、移動性好、通話清晰以及能夠支持無線高速分組數據業務等特征，克服了小靈通的一些缺陷。但其功能單一、協議標準化較差，并且容易受到自然災害的破壞。因而，并不適用于實現多功能煤礦井下無線通信。

煤礦通信系統的無線通信體系的構造中，通信頻率的選擇是其必不可少的一環節，根據當前的研究，井下巷道中無線電波的頻率與衰減特性如下圖所示。

如上圖所示，煤礦井下的傳播頻率，在800MHz之下的電磁波衰減幅度較大，難以適應煤礦生產環境下的通訊需要。隨著信息傳輸頻率的不斷提高，信號的損耗也在逐漸增加。由于巷道壁所引發的損耗較小，由此，在1000～3000MHz 區間整體的損耗逐漸縮小。

2 無線以太網(WLAN)技術

無線以太網(WLAN)通過IEEE802111 協議建立規范的定義體系，主要包括802111a 、802111b 、802111g 以及新的802111n 等，無線以太網的工作頻段可設定為2400MHz 以及5800MHz，無線以太網使用的技術包括有正交頻分復用技術(802111g)、直序列擴頻技術(802111b)和智能天線與頻道聚合技術(802111n) 。同時，無線以太網不僅擴展了有線以太網的使用范圍，還具有使用靈活、成本低、協議標準化好以及抗干擾強等優點，其傳輸吞吐率可達5Mbps (802111b) 、20Mbps(802111g) 、250Mbps (802111n) ，并且，無線以太網技術的通信系統可實現有效語音和視頻的傳輸。通常情況下，無線以太網在電子終端設備在醫療機構網絡以及企業的內部無線網絡等領域都得到了廣泛的應用。

3 煤礦通信系統中無線以太網技術的應用

3.1 移動通信 無線以太網的技術作為煤礦的語音移動通信設備已經有比較長的使用歷史。研究表明，目前已經開發成功的通信系統已到達數十套。通過采用Vo IP的通信技術體制，結合以太網的使用環境，并隨著Vo IP在無線以太網中的應用技術的不斷完善和進步，并在煤礦通信系統中得到了廣泛的應用。然而，新一代的綜合通信技術建立了行政生產一體化的調度通信，并且實現了無線有線的一體化，如下圖所示。

3.2 系統組網 在傳統的煤礦通信系統使用中，都是以鏈形或星形的網絡拓撲結構為主，其子系統自成網絡，帶寬利用率低下、系統的可靠性不高、運行維護難度大以及抗災性能較差。煤礦井下無線以太網技術的不斷應用和技術的提高，無線通訊系統的可靠度逐漸提高，但當前的工業以太網技術均采用有線傳輸的方式，對于復雜、惡劣的井下作業環境，必須確保通信系統的網絡應在環境的布置中要相對較好，并且由于通訊系統的組網施工、通訊系統維護相對困難、通訊設備常常搬遷等原因，無線通訊系統安裝在生產層面不能形成環網，同時移動設備的搬遷工作量較大，而Mesh 組網技術、無線網橋技術，是充分保證煤礦無線通訊系統組環的重要技術。無線以太網與有線網絡的連接標準一致，可以形成對工業以太網的無縫連接，無線以太網可作為工業以太環網的接入點，采用已建好的工業以太環網實現數據的傳輸，有效利用當前資源，此外，還可將無線以太網擴展到煤礦生產的采掘工作層以及掘進工作層，由此保證煤礦通訊系統的靈活和簡便等特性。

3.3 工業自動化 隨著工業技術的不斷更新和發展推動了通訊系統的持續進步，煤礦通訊系統逐漸向自動化以及復雜化的方向發展，子系統的數量、類型在發展中不斷增加，而現有子系統連接方式均以星形或是鏈形為主干拓撲結構，選擇有線的通信網絡方式容易受到位置以及生產環境的限制，同時煤礦的通信系統的設置還應架設通信系統電纜，不便于移動，同時也將導致線路冗余的缺少，導致信號“一碰就斷”。而煤礦作業層面采用無線以太網技術，接入適配設備，同時還將無線以太網接入了井下工業以太環網。從而能建立以設備以及子系統為對象的網絡，同時為煤礦無線以太網以及無線以太網的通信以及系統的總線通信和串行通信提供了多種層次的接口。煤礦無線通信系統中的以太網與適配設備的自動接入，致使網絡的子系統或是設備的接入不再受到線纜的約束，建立了簡單而快速的接入方式，以太網通訊系統的自動化接入還能構建無線-有線或無線Mesh的多鏈路冗余傳輸模式，有效提高了煤礦無線通信系統的可靠度。

3.4 應急通信 在煤礦的井下開采中，由于其生產和作業的高危險性，出現緊急或是災害的現象或概率較大，由此，穩定的通信設備和通信系統是十分必要的求援保障。目前，煤礦的通信系統多為礦用小靈通和大靈通，而這些通訊設備的運行與地面的局端交換設備的狀況密切相關。當煤礦災害發生時，整個煤礦的通信線路遭到損壞，或是井下通訊設備斷電時，將導致整個網絡通信系統設備失效。一旦與地面的局端設備失去連接，通信系統就將崩潰，從而難以發揮其在應急救援中的通信作用。無線以太網是基于VoIP 通信，各無線通訊系統基站以及用戶手中的通訊器都能脫網通信，即使與地面的局端設備失去連接，無線通信系統的各個節點之間依舊能持續通信。煤礦無線以太網通信系統還具有環網冗余的功能，就其用途而言是系統中一個節點或一條通信線路的損壞將不對整個通信系統的通信功能造成影響。

3.5 視頻監控 隨著不斷提高的煤礦井下生產自動化設備的采用，煤礦企業對工業現場的視頻監控要求逐漸提高。煤礦通信系統中的無線視頻監控功能，在地面的石油、電力以及公安等相關領域也得到了廣泛應用，煤礦通信系統中的無線以太網技術還能實現多路視頻傳輸功能，能應用于煤礦井下的開采作業中。具有無線傳輸功能的攝像機，能輕松移動，可作為煤礦生產和開采作業中電視傳輸視頻系統的有效補充。

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