煤礦井下通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及趨勢

呂志強(qiáng)

（國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局通信信息中心，北京市東城區(qū)，100013）

煤礦井下通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及趨勢

呂志強(qiáng)

（國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局通信信息中心，北京市東城區(qū)，100013）

按照有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類型，分別對包括光纖環(huán)網(wǎng)、調(diào)度電話、礦井廣播、小靈通、3G等煤礦主要通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要作用、應(yīng)用場景進(jìn)行了介紹。結(jié)合當(dāng)前通信行業(yè)的研究熱點，簡要分析了煤礦井下通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。根據(jù)對煤礦通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及未來趨勢的分析，提出了煤礦通信系統(tǒng)選擇的依據(jù)。

煤礦 井下通信系統(tǒng) 技術(shù)進(jìn)展

通信技術(shù)的飛躍式發(fā)展已經(jīng)改變了我們的生活方式，也正在深刻影響著煤炭企業(yè)的管理模式和生產(chǎn)方式。對煤礦通信技術(shù)進(jìn)行必要的討論，有助于煤炭企業(yè)了解煤礦通信技術(shù)未來的發(fā)展方向，并對制定通信系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)也有一定的幫助。

煤礦通信技術(shù)所涵蓋的范圍相當(dāng)廣泛，從設(shè)備之間基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相互傳遞信號，到人與設(shè)備間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，再到人與人之間利用各種有線、無線系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度、管理，可以說煤礦通信技術(shù)涉及到了煤礦生產(chǎn)、生活的各個方面。這里將主要圍繞煤礦井下主要的有線通信和無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及未來趨勢進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)狀

1.1 有線通信

1.1.1 光纖環(huán)網(wǎng)

自2005年山東龍口礦業(yè)集團(tuán)北皂煤礦建成國內(nèi)第一個井下百兆工業(yè)以太網(wǎng)以來，工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)已經(jīng)逐漸成為煤礦井下主干數(shù)字通信的主流方式。2008年11月，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公布了煤炭行業(yè)的 《礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)，為礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)和檢驗提供了依據(jù)，進(jìn)一步推動了礦用光纖環(huán)網(wǎng)的發(fā)展。目前礦用工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)基本都提供了具有1000 Mbps傳輸速率的光纖接口，自愈時間普遍小于300 ms，單模光纖傳輸距離一般在10 km以上，并具備一定的網(wǎng)絡(luò)管理能力。

在實際建設(shè)過程中，煤礦光纖環(huán)網(wǎng)常常采用井上、井下統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一建設(shè)的方式，從而形成一個完整的服務(wù)于礦井生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。規(guī)模較大的煤礦規(guī)劃設(shè)計時常采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照業(yè)務(wù)量大小、重要程度等因素將各種業(yè)務(wù)部署在不同的環(huán)網(wǎng)中。規(guī)模較小的煤礦通常采用較為簡單的單環(huán)結(jié)構(gòu)，在滿足使用要求的同時可有效降低建設(shè)成本。

光纖環(huán)網(wǎng)較好解決了以往現(xiàn)場總線傳輸方式中不同協(xié)議之間的兼容性、通信傳輸速率低以及傳輸距離較短的問題，為提升礦井自動化生產(chǎn)水平提供了良好的基礎(chǔ)平臺。近年來，隨著VOIP及視頻編解碼技術(shù)的快速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的語音、視頻產(chǎn)品日漸豐富，伴隨而來的是礦井?dāng)?shù)字廣播、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速應(yīng)用。在解決設(shè)備層數(shù)據(jù)傳輸需要的同時，光纖環(huán)網(wǎng)所具有的響應(yīng)速度快、帶寬容量大、傳輸距離長、部署方便等特點，使其成為這些新生系統(tǒng)最合理的承載平臺。

從使用效果上來看，礦用光纖環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用簡化了施工和維護(hù)的復(fù)雜程度，滿足了煤礦高容量快速數(shù)字通信的要求，有力推動了礦井綜合自動化的發(fā)展，并為進(jìn)一步建設(shè)數(shù)字礦山、物聯(lián)網(wǎng)礦山等新型煤礦提供了有力的基礎(chǔ)保障。

1.1.2 調(diào)度電話

調(diào)度電話作為保障礦山生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)安全的重要技術(shù)手段，被要求在所有煤礦中安裝。2011年3月，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合下發(fā)的 《煤礦井下安全避險 “六大系統(tǒng)”建設(shè)完善基本規(guī)范 （試行）》中明確提出 “煤礦應(yīng)安裝有線調(diào)度電話系統(tǒng)。”

礦用調(diào)度電話系統(tǒng)一般由礦用本質(zhì)安全型防爆電話、礦用程控調(diào)度交換機(jī)、調(diào)度臺、電源以及電纜等組成，通常具有豐富的用戶和中繼接口，并兼容多種信令和協(xié)議，能夠滿足與行政通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等多種系統(tǒng)的互聯(lián)要求。為保障井下發(fā)生瓦斯超限停電或故障停電時仍能進(jìn)行調(diào)度通信，調(diào)度通信主要采用獨(dú)立敷設(shè)線路方式，并嚴(yán)禁用礦用移動通信系統(tǒng)代替礦用調(diào)度通信系統(tǒng)。

1.1.3 礦井廣播

礦井廣播系統(tǒng)是近年來快速推廣的煤礦通信系統(tǒng)，特別是在2011年國家提出建設(shè)完善 “六大系統(tǒng)”之后，礦井廣播系統(tǒng)建設(shè)更加得到重視。

礦井廣播系統(tǒng)早期主要應(yīng)用在皮帶運(yùn)輸、斜巷運(yùn)輸?shù)染植繀^(qū)域，主要作用是在設(shè)備啟停、移動時發(fā)出告警信號，提醒周邊人員注意安全。隨著對廣播系統(tǒng)認(rèn)識的提升，礦井廣播系統(tǒng)已經(jīng)不再局限于原有的局部應(yīng)用，而成為發(fā)生災(zāi)害時指導(dǎo)井下礦工逃生的重要工具。目前礦井廣播系統(tǒng)多為基于IP的數(shù)字廣播系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、語音網(wǎng)關(guān)、廣播分站以及備用電源組成，大多具備全體廣播、區(qū)域廣播以及單獨(dú)廣播功能。

1.2 無線通信

礦用無線通信系統(tǒng)近年來發(fā)展非常迅速，從應(yīng)用角度上主要可分為日常管理型和應(yīng)急通信型，從技術(shù)角度上主要包括漏泄通信、透地通信、小靈通、WI-FI無線通信和3G通信。

1.2.1 漏泄通信

漏泄通信是較早應(yīng)用于煤礦井下的無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由基地中心站 （如地面主機(jī)、程控交換機(jī)等）、傳輸通道 （如漏泄同軸電纜、中繼放大器、分支器等）、移動終端或基地臺構(gòu)成。

漏泄通信系統(tǒng)的出現(xiàn)較好解決了井下流動作業(yè)人員管理以及井下機(jī)車聯(lián)絡(luò)等問題，為煤礦安全生產(chǎn)提供了一種方便、靈活的通信手段，但受到維護(hù)成本高、功能單一、信道數(shù)量較少、數(shù)字化進(jìn)展緩慢等因素的困擾應(yīng)用推廣范圍有限。

1.2.2 透地通信

透地通信采用極低頻信號，以大地為傳播介質(zhì)，具有較強(qiáng)的地層穿透能力。系統(tǒng)主要由地面電臺、地面天線和終端機(jī)構(gòu)成。由于系統(tǒng)安裝復(fù)雜、易受干擾且通信方式簡單 （文字、信號或半雙工語音）等原因，透地通信系統(tǒng)在國內(nèi)僅在少量礦井投入使用。透地通信系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其主要設(shè)備在地面，井下發(fā)生災(zāi)變時不影響系統(tǒng)主體的正常運(yùn)行，比較適于應(yīng)急救災(zāi)時使用。

1.2.3 小靈通

礦用小靈通系統(tǒng)是在公共通信系統(tǒng)——小靈通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在按照國家有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、改造后，移植、延伸到煤礦等易燃易爆區(qū)域的無線通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)采用數(shù)字傳輸體系和基于PHS標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸技術(shù)，為煤礦井下通信提供了較好的無線移動通信解決方案。

自2003年小靈通系統(tǒng)被引進(jìn)到煤礦井下，煤礦無線通信迎來了快速發(fā)展的時代。礦用小靈通系統(tǒng)主要由局端設(shè)備、地面基站控制器、地面大功率基站、礦用隔爆基站控制器、礦用隔爆兼本安基站、本安手機(jī)和網(wǎng)管系統(tǒng)等組成。

礦用小靈通接口齊全、功能豐富，不但可實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的無線通信、無線調(diào)度、通話錄音等功能，同時能與礦調(diào)度電話、行政電話對接，從而形成一個由固話、移動電話構(gòu)成的井上、井下統(tǒng)一的礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。從實際應(yīng)用效果看，礦用小靈通系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、通話質(zhì)量較以往有了明顯的提高，基本滿足了煤礦無線通話的要求，這也是該系統(tǒng)能夠迅速得到廣泛推廣的主要原因。礦用小靈通是地面公共通信系統(tǒng)在煤礦應(yīng)用的一個十分成功的案例，為其后3G通信引入煤礦起到了很好的示范作用。

礦用小靈通所面臨的主要問題是2011年小靈通退市后煤礦用戶產(chǎn)生對后續(xù)供貨以及維護(hù)的擔(dān)憂。雖然仍有部分礦用小靈通生產(chǎn)廠商宣稱將繼續(xù)為用戶提供全面的設(shè)備供應(yīng)和維護(hù)工作，但仍難以打消煤礦企業(yè)對系統(tǒng)建成后運(yùn)行維護(hù)的顧慮。此外，隨著煤礦生產(chǎn)自動化水平以及安全生產(chǎn)要求的提升，越來越多的數(shù)字化裝備被應(yīng)用于礦山，不具備數(shù)據(jù)傳輸能力也成為礦用小靈通的一個短板。

1.2.4 WI－FI無線通信

WI-FI是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，是有線網(wǎng)絡(luò)的延伸和擴(kuò)展，其廣闊的應(yīng)用前景使得眾多煤礦產(chǎn)品研發(fā)機(jī)構(gòu)迅速投入相關(guān)的技術(shù)研究。2004年德國石煤股份有限公司以及多家科研機(jī)構(gòu)開始研發(fā)基于WI-FI的井下無線局域網(wǎng)系統(tǒng)，期望利用該系統(tǒng)實現(xiàn)井下視頻、語音、數(shù)據(jù)的綜合傳輸。2007年我國已有WI-FI設(shè)備通過國家安標(biāo)認(rèn)證。

在煤礦井下主要采用從有線工業(yè)以太網(wǎng)上接出WI-FI無線分站的方式為各種設(shè)備提供無線接入環(huán)境。

目前，基于WI-FI的礦用系統(tǒng)主要集中在語音和視頻兩個方面。

基于WI-FI的礦用語音通訊系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，可實現(xiàn)井上井下通訊一體化，具備礦井日常管理所需的各種調(diào)度功能以及群組調(diào)度功能，基本滿足了礦井日常移動通訊的需要。對于已經(jīng)建設(shè)礦用工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦，采用基于WI-FI的礦用語音通訊系統(tǒng)還可有效節(jié)約線路敷設(shè)費(fèi)用，降低施工難度。此外，基于WIFI的礦用語音通訊系統(tǒng)多具有脫網(wǎng)通訊的能力，可在不通過地面語音交換設(shè)備的情況下實現(xiàn)互聯(lián)基站間的手機(jī)對講功能。在煤礦事故導(dǎo)致主干光纜、電纜斷纜、設(shè)備損毀、供電中斷等情況發(fā)生時，基于WI-FI的礦用語音通訊系統(tǒng)可實現(xiàn)被困人員與救援人員、被困人員之間的通訊聯(lián)系，為應(yīng)急救援工作提供了較好的通訊聯(lián)絡(luò)手段。

但WI-FI作為一種短距離無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在語音通訊方面仍需要克服一些不足：WI-FI屬于突發(fā)方式傳輸技術(shù)，本身不提供嚴(yán)格的同步機(jī)制，在通話質(zhì)量上與3G仍有一定差距；WI-FI系統(tǒng)主要采用載波偵聽多路訪問／沖突避免機(jī)制在多個競爭的用戶之間選擇和分配信道資源，為避免用戶過多導(dǎo)致頻繁發(fā)生沖突，一般將每個基站的接入用戶數(shù)控制在16個左右；WI-FI手機(jī)終端在基站之間漫游切換時間較長，容易出現(xiàn)通話斷續(xù)甚至掉線現(xiàn)象；WI-FI未考慮設(shè)備的功率控制問題，手機(jī)終端待機(jī)時間以及通話時間較短。

基于WI-FI的礦用視頻系統(tǒng)相對于其它視頻系統(tǒng)具有安裝布設(shè)簡單、傳輸速率高、設(shè)備功耗低等優(yōu)點，主要應(yīng)用于斜巷運(yùn)輸、無級繩絞車、主副井提升、瓦斯鉆場、采掘工作面的視頻監(jiān)控。

WI-FI無線通信在煤礦應(yīng)用方面的進(jìn)展主要得益于在傳輸帶寬、建設(shè)成本以及技術(shù)復(fù)雜度上的平衡。相對于有線網(wǎng)絡(luò)，WI-FI安裝布設(shè)靈活、使用方便；相對于小靈通，WI-FI可承載更多樣的業(yè)務(wù)；相對于3 G，不但在傳輸帶寬方面具有明顯的優(yōu)勢，在建設(shè)成本上也相對低廉。

1.2.5 3G通信

2009年1月7日，工信部正式批準(zhǔn)國內(nèi)三大運(yùn)營商的3 G業(yè)務(wù)經(jīng)營許可，中國移動采用TDSCDMA技術(shù)制式，中國電信采用CDMA2000技術(shù)制式，中國聯(lián)通采用WCDMA技術(shù)制式，從而揭開我國3 G通信商用的序幕。2011年2月，3 G無線網(wǎng)絡(luò)首次成功應(yīng)用于翟鎮(zhèn)煤礦之后，三種3 G通信技術(shù)陸續(xù)實現(xiàn)在煤礦的應(yīng)用，推動了我國煤礦無線通信技術(shù)的發(fā)展。從3 G通信的目標(biāo)來看，三種技術(shù)均實現(xiàn)了提供較高數(shù)字傳輸能力的要求，相較之前的礦用無線通信系統(tǒng)，3 G無線通信技術(shù)無疑極大拓展了無線通信所能夠承載的業(yè)務(wù)范圍。

目前已經(jīng)實施的3 G礦用無線通信系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要可分為采用分布式基站進(jìn)行礦井覆蓋和采用基于微微蜂窩或飛蜂窩的基站進(jìn)行礦井覆蓋。

3 G礦用無線通信系統(tǒng)基本上都可通過標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)與礦井調(diào)度電話、行政電話互聯(lián)互通，而且也都具備強(qiáng)拆、強(qiáng)插、組呼、群呼等調(diào)度功能以及可視電話功能。然而，3G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢并不在于單純的技術(shù)先進(jìn)或功能完備方面，而在于圍繞3G所形成的龐大產(chǎn)業(yè)鏈所擁有的巨大潛力，主要體現(xiàn)在：支持廠商多，可選擇余地大；核心技術(shù)和產(chǎn)品可靠；周邊產(chǎn)品豐富，易于轉(zhuǎn)化到煤炭企業(yè)使用；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和演進(jìn)方向明確；政策支持。

在看到3 G巨大優(yōu)勢的同時，必需理解3 G仍是一個以語音通信為主的技術(shù)，它所能提供的無線數(shù)字帶寬仍然十分有限，雖然可基本滿足設(shè)備集控、瓦斯監(jiān)測等小數(shù)據(jù)量的需要，但對于工業(yè)電視這種需要高帶寬的系統(tǒng)，3 G并不具備替代WIFI無線通信的能力。

2 趨勢

討論礦用通信系統(tǒng)將會是什么形態(tài)具有很大的風(fēng)險，但當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀和研究熱點還是能夠提供一點可以追尋的跡象。

得益于通信產(chǎn)業(yè)對傳輸能力永無止境的追求，無論是在無線通信方面還是在有線通信方面礦用通信系統(tǒng)將具有更高的傳輸能力。無線通信方面，已經(jīng)進(jìn)入商用的4 G系統(tǒng)所能提供的數(shù)字傳輸能力將10倍于3 G，更有分析人士認(rèn)為有望在2020年進(jìn)行部署的5 G將提供100 Mbps端到端的通信速率。有線通信方面，100 Gbps傳輸設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入實用階段，400 Gbps標(biāo)準(zhǔn)有望在2017年制定。根據(jù)以往地面系統(tǒng)成熟后迅速被引入煤礦井下的經(jīng)驗，礦用通信系統(tǒng)也將在傳輸能力上得到極大提升。

礦用通信系統(tǒng)發(fā)展的另一個趨勢是融合。語音通信將僅僅是一種基本應(yīng)用，數(shù)據(jù)、圖像乃至多媒體應(yīng)用將更加便捷地融合在統(tǒng)一的通信平臺中。這種融合既包括網(wǎng)絡(luò)融合也包括終端融合。

煤礦生產(chǎn)環(huán)境具有特殊性，生產(chǎn)過程中不但需要對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，同樣需要對生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測。隨著近距離通信技術(shù)、Mesh技術(shù)等熱點技術(shù)進(jìn)一步的研究以及相關(guān)產(chǎn)品的行業(yè)轉(zhuǎn)化，價格低廉、部署靈活、覆蓋廣泛的無線通信手段將越來越多地服務(wù)于礦井安全生產(chǎn)的各個方面。

3 結(jié)論

煤礦通信技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，為煤礦生產(chǎn)提供了很多適用、好用的優(yōu)秀產(chǎn)品。隨著整體通信行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，傳輸能力更加強(qiáng)大、覆蓋能力更加廣泛、使用方式更加靈活的礦井通信系統(tǒng)必將越來越多地呈現(xiàn)在決策者面前。面對日趨多樣化的礦井通信系統(tǒng)，煤礦作為實際的使用者不應(yīng)把技術(shù)先進(jìn)性作為產(chǎn)品選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)以企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略為基礎(chǔ)，立足于自身特點，通盤考慮資金預(yù)算、技術(shù)保障能力以及未來通信發(fā)展趨勢等因素，才能真正選出適用于自身需要好產(chǎn)品。

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Status and trend of underground communication system in coal mine

Lv Zhiqiang
（Communication Information Center，State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100013，China）

According to 2 types of wired communication system and wireless communication system，the paper respectively introduces the system structure，main function，application scenarios of main communication systems in mine including optical fiber ring network，dispatching telephone device，PHS，mine radio and 3G，etc.Combining with the hot research in current communication industry，the paper gives a brief analysis on the development trend of the underground communication system coal in mine.According to the analysis of the status and future trend of the coal mine communication system，it proposes the basis for selecting the coal mine communication system.

coal mine，underground communication system，technology development

TD665

A

呂志強(qiáng) （1975-），男，福建省晉江縣人，工程師，本科學(xué)位，就職于國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局通信信息中心，主要從事礦井自動化及礦井通信方面的研究。

（責(zé)任編輯 張大鵬）