煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉俊濤

（平煤股份八礦 河南 平頂山 467012）

煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉俊濤

（平煤股份八礦 河南 平頂山 467012）

煤礦井下工況環(huán)境十分復(fù)雜，大小事故頻頻發(fā)生。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，如何迅速了解被困人員的位置情況并與之進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率顯得尤為重要。本項(xiàng)目建立了一套涵蓋煤礦有線、無(wú)線相結(jié)合的應(yīng)急調(diào)度通信保障系統(tǒng)，利用井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)通過(guò)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，在平時(shí)生產(chǎn)中，能夠?qū)崟r(shí)了解井下人員的準(zhǔn)確數(shù)量、流動(dòng)情況及分布情況，從而提高礦井的生產(chǎn)效率。

IP數(shù)字式全雙工擴(kuò)播通信裝置；應(yīng)急通信保障系統(tǒng)軟件平臺(tái)；工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源，約占一次能源70%，我國(guó)煤礦約95%是井工開(kāi)采，開(kāi)采條件復(fù)雜，而且隨著采掘深度增加，煤礦瓦斯、水患、沖擊地壓等災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重，很容易引起重大事故，如近年來(lái)河北唐山劉官屯煤礦“12.7”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡108人）、山西大同煤礦集團(tuán)焦家寨礦“11.5”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡 47人）、山西臨汾瑞之源煤礦“12.5”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡105人）、山西焦煤集團(tuán)屯蘭礦“2.22”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡78人）、河南平頂山市新華四礦“9.8”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡79人）等。2007年7月29日河南省陜縣支建煤礦發(fā)生透水事故，共有69人被困。被困人員通過(guò)電話及時(shí)將被困人數(shù)、位置和狀況向地面匯報(bào)，為救援提供了準(zhǔn)確信息，縮短了救援時(shí)間，同時(shí)通過(guò)該電話安撫被困人員，增強(qiáng)了被困人員生還信心，最終被困69人成功獲救。通過(guò)此次事件突出反映了煤礦通信在應(yīng)急救援中的重要作用。

1 研究目標(biāo)

1.1 本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的目的是建立一套涵蓋煤礦有線、無(wú)線相結(jié)合的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井通信全覆蓋，發(fā)生災(zāi)難緊急情況具有一鍵通功能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)30秒；

1.2 通過(guò)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，在平時(shí)生產(chǎn)中，具有擴(kuò)音、對(duì)講、打點(diǎn)等功能，可作為皮帶、水泵等自動(dòng)化系統(tǒng)的組成部分，還具備廣播、背景音樂(lè)播放功能，從而提高礦井的生產(chǎn)效率。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，單鍵操作便可調(diào)度所有通信節(jié)點(diǎn)。在災(zāi)前，可在一分鐘內(nèi)通知到井下各作業(yè)區(qū)的所有礦工。在災(zāi)后，為搶險(xiǎn)救援提供通信保障，可與井下救生艙實(shí)現(xiàn)對(duì)話，便于及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率；

1.3 研究應(yīng)急通信保障系統(tǒng)與礦井寬帶工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入技術(shù)，研發(fā)多種接入方式的礦用綜合接入網(wǎng)關(guān)；

1.4 基于IP的數(shù)字式全雙工擴(kuò)播電話的開(kāi)發(fā)，本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的擴(kuò)播電話及程控電話以數(shù)字電路和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)理念重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音電話機(jī)數(shù)字化、信號(hào)傳輸數(shù)字化、基于現(xiàn)代工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)集中控制的全數(shù)字語(yǔ)音電話系統(tǒng)。

2 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

2.1 應(yīng)急通信保障系統(tǒng)軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

煤礦各通信系統(tǒng)需要通過(guò)應(yīng)急通信保障系統(tǒng)的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理。建立一套涵蓋煤礦有線、無(wú)線相結(jié)合的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)礦井通信全覆蓋，發(fā)生災(zāi)難緊急情況具有一鍵通功能，一分鐘內(nèi)快速通知井下所有礦工安全撤離。

2.2 基于IP的數(shù)字式全雙工煤礦擴(kuò)播通信裝置的開(kāi)發(fā)

擴(kuò)播電話用于生產(chǎn)局部區(qū)域的通信，如皮帶沿線，每100米左右放置一套擴(kuò)播電話機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)廣播式全雙工通話。如果出現(xiàn)事故異常，可以通過(guò)擴(kuò)播電話機(jī)給出聲光報(bào)警提示信號(hào)；也可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)車前聲光預(yù)警提示。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的擴(kuò)播電話及程控電話以數(shù)字電路和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)理念重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音電話機(jī)數(shù)字化、信號(hào)傳輸數(shù)字化、基于現(xiàn)代工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)集中控制的全數(shù)字語(yǔ)音電話系統(tǒng)。

本擴(kuò)播電話是一種通過(guò)以太網(wǎng)或其他使用IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的一種全新的通訊設(shè)備。基于IP的煤礦擴(kuò)播通信是純數(shù)字?jǐn)U播系統(tǒng)，音質(zhì)好，抗干擾性強(qiáng)，不但具有傳統(tǒng)的擴(kuò)播電話系統(tǒng)的擴(kuò)音、對(duì)講、打點(diǎn)等功能，還具備定時(shí)播報(bào)、背景音樂(lè)、與地面調(diào)度臺(tái)互通等擴(kuò)展功能。除了支持以太網(wǎng)通信，還集成調(diào)度電話功能，可直接接入礦用調(diào)度電話系統(tǒng)。本產(chǎn)品中的IP擴(kuò)播電話終端既可以與普通電話交換機(jī)連接，也可以與調(diào)度指令電話交換機(jī)連接；可以更方便的實(shí)現(xiàn)背景音樂(lè)播放、觸點(diǎn)信號(hào)遙控和急停按鈕的功能；主機(jī)界面直觀友好，操作簡(jiǎn)便，功能齊全，人機(jī)界面不僅具有形象逼真的動(dòng)態(tài)畫(huà)面和全中文顯示，還具有急停報(bào)警監(jiān)視、安全確認(rèn)機(jī)制和數(shù)據(jù)記錄功能。

擴(kuò)播話機(jī)通過(guò)接收從串口傳來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU處理后輸出到A/D轉(zhuǎn)換模塊和編碼解碼器MC14LC5480，最后經(jīng)過(guò)功率放大器到擴(kuò)音喇叭實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音廣播。

來(lái)自IP擴(kuò)播電話的轉(zhuǎn)換端口的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器，拆包并提取語(yǔ)音數(shù)據(jù)送入VS1003B對(duì)其進(jìn)行解壓與解碼再由MC14LC5480芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換還原成語(yǔ)音模擬信號(hào)輸出。井下人的模擬語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)MC14LC5480芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的PCM信號(hào)，再由VS1003B進(jìn)行壓縮編碼，壓縮后數(shù)據(jù)輸出給EP2C8Q208C8型的FPGA芯片。EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器除了提供系統(tǒng)所需的所有時(shí)序外，還對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和打包傳輸給IP擴(kuò)播電話的轉(zhuǎn)換端口。

2.3 調(diào)度程控電話廣播裝置的開(kāi)發(fā)

原有的程控話機(jī)只能實(shí)現(xiàn)聽(tīng)筒通話功能，在煤礦環(huán)境嘈雜的地區(qū)，井下人員很有可能聽(tīng)不到電話的振鈴聲，所以我們對(duì)程控電話進(jìn)行了改造。本系統(tǒng)話機(jī)帶有源音箱，在接收到電話呼叫后振鈴三聲以內(nèi)摘機(jī)，則實(shí)現(xiàn)普通聽(tīng)筒通話；若振鈴三聲未摘機(jī)，則電話機(jī)則自動(dòng)接通，并把接收到的語(yǔ)音轉(zhuǎn)接到有源音箱進(jìn)行擴(kuò)音播放。

2.4 與礦井工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入關(guān)鍵技術(shù)的研究

本項(xiàng)目組研發(fā)了多種接入方式的礦用綜合IP語(yǔ)音接入網(wǎng)關(guān)，本IP電話語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用先進(jìn)數(shù)字語(yǔ)音通信技術(shù)，基于IP通信，支持靜態(tài)、動(dòng)態(tài)IP地址及IP地址智能學(xué)習(xí)功能；而且支持SIP協(xié)議或是H323協(xié)議，語(yǔ)音編碼支持G.711，G723.1，G.729A，語(yǔ)音清晰、QoS語(yǔ)音保證，適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

IP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)將從調(diào)度臺(tái)由工業(yè)以太網(wǎng)傳來(lái)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成適合RS485傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，發(fā)送到各個(gè)擴(kuò)播電話機(jī)，以便在井下擴(kuò)播。

為確保礦用綜合接入網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)性和可靠性，系統(tǒng)使用32位嵌入式微處理器，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用改進(jìn)TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)擴(kuò)展各種現(xiàn)場(chǎng)總線接口，完成需要的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，確保互聯(lián)互通，提高系統(tǒng)的兼容性。

系統(tǒng)軟件需要完成各種協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，修改TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)主要由工業(yè)級(jí)ARM微控制器，網(wǎng)絡(luò)模塊、系統(tǒng)接口（KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95）、現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和人機(jī)接口、報(bào)警幾個(gè)主要部分組成，使用WindRiver公司的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWORKS，兼容TCP/IP協(xié)議IPV4，具有遠(yuǎn)程web瀏覽管理和在線系統(tǒng)升級(jí)的功能。

IP電話語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)用于礦井?dāng)U播對(duì)講系統(tǒng)中。其主要目的是在保留礦井老式模擬話機(jī)投資的基礎(chǔ)上將語(yǔ)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(diào)度控制，并為井下通信系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)改造打好基礎(chǔ)。

2.5 與現(xiàn)有擴(kuò)播電話互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)的研究

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)天津華寧擴(kuò)音電話及常州聯(lián)力KTT3型擴(kuò)音電話和以太網(wǎng)之間的通信轉(zhuǎn)換。它有三個(gè)外部接口：

擴(kuò)播系統(tǒng)接口：該接口連通四芯電纜，其中兩條是電源線，兩條是信號(hào)線。信號(hào)線上包括語(yǔ)音信號(hào)、打點(diǎn)信號(hào)和占線信號(hào)。

IP網(wǎng)絡(luò)接口：該網(wǎng)絡(luò)接口是RJ45接口，用于與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接，收發(fā)數(shù)據(jù)。

橋接口：交換機(jī)組環(huán)端口，不受轉(zhuǎn)換器影響。每條皮帶機(jī)擴(kuò)音線路只需要配備一臺(tái)數(shù)字化轉(zhuǎn)換器即可。

KB-LL-KTT3轉(zhuǎn)換器模擬接口滿足常州聯(lián)力KTT3型擴(kuò)音電話接口要求，能驅(qū)動(dòng)最多25部擴(kuò)音電話或KB轉(zhuǎn)換器，最大傳輸距離達(dá)25km。KB轉(zhuǎn)換器以太網(wǎng)接口是10/100MHZ自適應(yīng)的，符合標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3/IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)，使用5類網(wǎng)線時(shí)最大傳輸距離達(dá)100m。

3 效益分析

該項(xiàng)目在平煤八礦井下戊二、己三采區(qū)投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，功能符合設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行正常。其經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)如下：

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

由于項(xiàng)目該屬于應(yīng)急通訊保障系統(tǒng)，在煤礦安全保障方面占有舉足輕重的地位，其直接經(jīng)濟(jì)效益不明顯。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

（1）提升主煤流運(yùn)輸能力：系統(tǒng)投運(yùn)前，全礦月故障影響時(shí)間平均在30小時(shí)左右。投運(yùn)后，由于通信保障，加強(qiáng)了與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)溝通，減少了處理故障時(shí)間，縮短了故障影響時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)時(shí)間。月故障時(shí)間平均為28小時(shí)，按設(shè)備每天運(yùn)行20小時(shí)、每小時(shí)出煤量為500T、原煤價(jià)格按500元/T、噸煤成本270元/T計(jì)算，3-9月效益：（30-28）t×500T×（500元/T-270元/T）×6月=138萬(wàn)元。

（2）主要表現(xiàn)在減少現(xiàn)場(chǎng)崗位人員：通信系統(tǒng)安裝完善后，部分生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，目前階段已將部分原崗位工種人員調(diào)整到機(jī)電設(shè)備維護(hù)工種。

按目前試運(yùn)行階段的井下戊二、己四皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)及煤樓運(yùn)輸系統(tǒng)為例：

投運(yùn)前，井下皮帶集控系統(tǒng)每班所需崗位20人，目前所需崗位15人，減少崗位5人；煤樓運(yùn)輸系統(tǒng)每班所需崗位22人，目前所需崗位15人，減少崗位7人。

3-9月效益為 （每人月平均工資按3500元計(jì)算）：（5＋7）人×3班×3500元/人×6月=75.6萬(wàn)元。

3.3 其它方面的經(jīng)濟(jì)效益

礦井應(yīng)急通信保障平臺(tái)的順利實(shí)施，結(jié)合礦井綜合自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)功能，中央水泵房、井下變電所可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，煤樓運(yùn)輸系統(tǒng)、井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、地面通風(fēng)系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)及自動(dòng)化采面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)崗位工種也可大為縮減。屆時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益大為可觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

“煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目的成功實(shí)施，為平煤股份公司的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)提供一個(gè)科學(xué)的、完備的、系統(tǒng)的、可操作的實(shí)施模式和技術(shù)指導(dǎo)參考，為其它兄弟煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)提供通用化、實(shí)用化案例、建設(shè)方案和實(shí)施依據(jù)，提高平煤股份公司礦井安全建設(shè)以及“六大系統(tǒng)”建設(shè)的科學(xué)性和效率，加快煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)的進(jìn)度和步伐。

劉俊濤（1974—），河南許昌人，助理工程師，長(zhǎng)期從事煤礦基層技術(shù)工作，近年來(lái)參與完成了多項(xiàng)技術(shù)革新項(xiàng)目。

王靜］