TDSCDMA無線通信系統(tǒng)煤礦應(yīng)用研究

摘 要：基于TDSCDMA無線通信系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)集成和改進(jìn)，實現(xiàn)煤礦數(shù)字礦山專用通信調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面基站、交換控制設(shè)備、調(diào)度模塊、井下基站和多種手持終端組成，實現(xiàn)井上下語音通話、數(shù)據(jù)傳輸和指揮調(diào)度等功能，利用定向天線和功率控制，結(jié)合泄漏電纜實現(xiàn)井下信號全覆蓋，經(jīng)實際應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

關(guān)鍵詞：TDSCDMA；無線；通信系統(tǒng)

1 前言

根據(jù)國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局《關(guān)于建設(shè)完善煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的通知》（安監(jiān)總煤裝〔2010〕146號文）精神及要求，“煤礦和非煤礦山要制定和實施生產(chǎn)技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)，安裝監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、緊急避險系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)等技術(shù)裝備，并于3年之內(nèi)完成”。對于建設(shè)完善礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)方面的要求為：煤礦企業(yè)必須按照《煤礦安全規(guī)程》的要求，建設(shè)井下通信系統(tǒng)，并按照在災(zāi)變期間能夠及時通知人員撤離和實現(xiàn)與避險人員通話的要求，進(jìn)一步建設(shè)完善通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)；在主副井絞車房、井底車場、運輸調(diào)度室、采區(qū)變電所、水泵房等主要機(jī)電設(shè)備硐室和采掘工作面以及采區(qū)、水平最高點，應(yīng)安設(shè)電話；井下避難硐室（救生艙）、井下主要水泵房、井下中央變電所和突出煤層采掘工作面、爆破時撤離人員集中地點等，必須設(shè)有直通礦調(diào)度室的電話；要積極推廣使用井下無線通訊系統(tǒng)、井下廣播系統(tǒng)；發(fā)生險情時，要及時通知井下人員撤離。綠水洞煤礦通過技術(shù)升級改造后采用KTJ4I型網(wǎng)絡(luò)調(diào)度通訊系統(tǒng)在井下采掘頭面或工作區(qū)域敷設(shè)光纜和安裝KTH3型井下本安電話實現(xiàn)地面與井下有線通訊，未實現(xiàn)無線通訊，當(dāng)井下發(fā)生緊急狀況或險情時，無法在第一時間迅速傳達(dá)指令，不利于礦井生產(chǎn)調(diào)度和搶險救災(zāi)工作。工信部明確要求所有1900～1920MHz頻段無線接入系統(tǒng)2011年底前完成清頻退網(wǎng)工作，以確保不對1880～1900MHz頻段TDSCDMA系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，標(biāo)志著礦井中目前使用的小靈通無線調(diào)度通信系統(tǒng)將伴隨著小靈通（PHS）無線市話網(wǎng)絡(luò)的整體退網(wǎng)在一年后停止使用。

2 TDSCDMA無線通信系統(tǒng)集成與改進(jìn)

綠水洞煤礦與天地（常州）合作，研究開發(fā)基于TDSCDMA技術(shù)的應(yīng)用于煤礦井下的無線通信系統(tǒng)，主要由交換調(diào)度機(jī)、綜合網(wǎng)絡(luò)控制器、本安型基站、室外型基站和不同種類的終端組成，該系統(tǒng)具有高話質(zhì)、高帶寬數(shù)據(jù)能力、優(yōu)良的無線特性，使得礦用移動通信和調(diào)度系統(tǒng)功能更加完善。

2.1 基于SIP技術(shù)的軟交換模塊和TDSCDMA無線接入網(wǎng)之間接口模塊研究：SIP（Session Initiation Protocol）是一個應(yīng)用層的信令控制協(xié)議，基于IP協(xié)議，利用了IP網(wǎng)絡(luò)；TDSCDMA無線通信系統(tǒng)需要采用核心網(wǎng)交換機(jī)，價格較高；研究SIP與綜合網(wǎng)絡(luò)控制器的接口模塊極大降低了設(shè)備成本，同時通過SIP交換模塊開發(fā)出適應(yīng)于煤礦生產(chǎn)的調(diào)度通信功能。

2.2 井下本安型基站的開發(fā)及TD無線電波在井下傳播特性研究：煤礦井下是一個特殊的工作環(huán)境，因此礦井無線通信系統(tǒng)不同于一般地面移動通信系統(tǒng)，應(yīng)具有本安型電氣設(shè)備、設(shè)備體積小、發(fā)射功率小、抗干擾能力強(qiáng)、防護(hù)性能好、電源電壓波動適應(yīng)能力強(qiáng)、抗故障能力強(qiáng)、信道容量大等特點；井下基站開發(fā)中主要完成了設(shè)備本安化處理、功率控制、防護(hù)處理（防水、防塵、防碰撞）等工作；其中設(shè)備本安化處理主要完成電源板的設(shè)計工作，通過延時和分步供電等解決大電流啟動問題，由于系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程升級程序，當(dāng)升級完成后需要基站斷電重啟，電源自復(fù)位電路完成電源自復(fù)位功能；TDSCDMA無線通信系統(tǒng)的工作頻率在1880～1920MHz，通過對該頻段信號的測試和研究得出結(jié)論：基站在大巷覆蓋距離為800m左右，在人行輔助器等中間有金屬屏蔽的巷道覆蓋距離為600m左右。

2.3本安型手持電話機(jī)開發(fā)：主要解決了鋰電池保護(hù)和手機(jī)防水等問題，針對不同人員開發(fā)了基本型本安手機(jī)、智能型本安手機(jī)。

2.4通過對TDJ-1915AM-30、TDJ-9012AM-65FT0、小靈通蘑菇天線等三種天線的測試分析，確定了天線的選型。選用定向天線，頻率范圍1890～1920MHz，對天線現(xiàn)場試驗，主要測試TDSCDMA系統(tǒng)的巷道內(nèi)場強(qiáng)覆蓋、巷道內(nèi)通話效果、基站切換等，單基站無線覆蓋范圍在直巷內(nèi)無遮擋情況下最多可達(dá)700m（單方向），場強(qiáng)達(dá)到-85 dBm，能夠正常通話，距離單基站同樣距離處，巷道邊緣和中心部分RSSI指標(biāo)大約相差10～15dBm，有無人體遮擋大約相差10～15dBm，在巷道邊緣的避風(fēng)硐室中，RSSI指標(biāo)較同樣距離的巷道處大約低10～20dBm，測試結(jié)果完全符合設(shè)計要求；在樣機(jī)制造過程中主要解決了天線背板和天線電纜太硬導(dǎo)致安裝困難問題。

3 井下應(yīng)用分析

井下覆蓋區(qū)域巷道有平硐、工作面、機(jī)巷、風(fēng)巷、運輸大巷、掘進(jìn)巷道、變電所硐室多種區(qū)域：有環(huán)境較好的平硐，有粉塵大、潮濕、瓦斯?jié)舛雀叩木蜻M(jìn)巷，有液壓支架密集、金屬物密集的采煤工作面，有電器設(shè)備集中、干擾大的變電所。井下基站通過2個定向天線來覆蓋井下巷道，天線一邊可以覆蓋400m，一個基站可以覆蓋800m巷道。通過對定向天線合理安裝設(shè)置及固定方式確定，在主要平巷基站信號覆蓋距離最長可達(dá)1100m。TDSCDMA無線通信系統(tǒng)在綠水洞煤礦5141采煤工作面和3111機(jī)巷掘進(jìn)工作面安裝、運行和使用，對井下沿途主要大巷使用定向天線和泄漏電纜（巷道連續(xù)拐彎段）進(jìn)行無線信號覆蓋，在528主平硐1800m處、528主平硐2600m處、511分區(qū)變電所、512大巷岔口、561岔口1600m處、528主平硐800m處、528大巷3850m處、311軌道上山上車場、3111掘進(jìn)機(jī)巷頭、512大巷3850m處、5141機(jī)巷機(jī)頭處、5141機(jī)巷400m處、314總風(fēng)巷道拐彎處、5141機(jī)巷4680m處、5141機(jī)巷工作面頭、614大巷3500m裝車站處、514大巷4000m風(fēng)巷絞車處、5141風(fēng)巷三站650m處安裝基站、天線、電源等設(shè)備。采煤工作面無線信號覆蓋見圖2，掘進(jìn)工作面無線信號覆蓋見圖3。交換調(diào)度機(jī)、綜合接入控制設(shè)備、地面基站的供電采用220V市電并配48V備用電源，設(shè)備之間通訊采用電纜連接；井下本安基站采用660V電源供電（配有不小于4h的備用電源），電源箱必須接地，使用單模、單芯光纜與地面主機(jī)通訊，基站與基站之間使用光纜通訊，最多只能級聯(lián)5次；每個基站接兩個定向天線。

4 結(jié)束語

4.1 基于TDSCDMA無線通信系統(tǒng)，進(jìn)行技術(shù)集成和改進(jìn)，實現(xiàn)了煤礦數(shù)字化礦山專用通信調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)由地面基站、交換控制設(shè)備、調(diào)度模塊、井下基站和多種手持終端組成，實現(xiàn)井上下語音通話、數(shù)據(jù)傳輸和指揮調(diào)度等功能，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于煤礦井下采煤工作面和掘進(jìn)工作面。

4.2 基于SIP技術(shù)實現(xiàn)了專用系統(tǒng)的調(diào)度通訊功能，掌握了不同巷道環(huán)境下，如轉(zhuǎn)彎巷道、金屬架料巷道、電器設(shè)備多與無電器設(shè)備巷道等基站安設(shè)位置，合理利用信號反射來增加信號覆蓋面積，所選取的巷道具有代表性。利用定向天線和功率控制，結(jié)合泄漏電纜實現(xiàn)井下信號全覆蓋。對井下基站、手持終端進(jìn)行了本安型改造，滿足井下安全通信使用。實現(xiàn)井上下無線通信聯(lián)絡(luò)、移動語音通信及與調(diào)度通訊系統(tǒng)無縫數(shù)據(jù)中繼連接。通過對基站及定向天線的合理設(shè)置與布設(shè)，信號覆蓋距離直徑800m范圍，在主要平巷基站信號覆蓋距離最長可達(dá)1100m。

4.3 TDSCDMA無線通信系統(tǒng)在煤礦井下的成功研究與應(yīng)用使礦井通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)如虎添翼，該技術(shù)成果在同行業(yè)內(nèi)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，推廣應(yīng)用前景廣泛。

作者簡介：周忠國（1985-），男，四川資中人，大學(xué)本科，管理學(xué)學(xué)士，采礦助理工程師，綠水洞煤礦科技中心副主任，從事礦井生產(chǎn)和科技管理工作。