建設礦山“三網合一”網絡的技術探討

王清和，項光輝，李文靜，王 茜

（1.江西省煤炭工業科學研究所，江西 南昌330029；2.江西省礦山安全工程技術研究中心，江西 南昌330029）

礦山安全“六大系統”中的監測監控系統、人員定位系統、通信聯絡系統由于礦山安全規程對上述設施要求是在逐步完善，故在現場在建設時間上亦有先后，造成了三套系統的獨立建設，在技術上形成了不盡合理的局面，導致了資源得不到合理利用，給三網的維護造成了困難，使井下網絡系統復雜化。為了簡化井下三網建設，合理利用網絡資源，將三網合而為一是十分必要的。特別是對起步較晚的非煤礦山建設監測監控系統、人員定位系統、通訊聯絡系統的三網合一的井下網絡系統是十分適宜的。現有獨立建設監測監控系統、人員定位系統、通信聯絡系統的系統，需要在每個系統獨自鋪設一條通信電纜到井下巷道中去，這樣既不利于管理又重復鋪設了電纜，而采用三網合一的系統，將只需一條光纜直接布置到井下，這既節省了電纜，又大大提高了防雷等安全的性能，有效利用了網絡資源。

1 監測監控系統、人員定位系統、通訊聯絡系統三網合一的實現方法

三網合一的實現方法：地面監控機房與井底車場、井下變電所等主要場所建設多臺環網交換機，通過通信光纖將所有環網交換機組成一個工業以太環網，監測監控系統的環境監控、人員定位系統通過串口服務器接入環網交換機將井下的監控分站數據上傳到地面監控機房；監測監控系統的視頻監控通過網絡視頻服務器接入環網交換機從而把井下視頻信號傳輸到監控機房；通訊聯絡的有線通訊系統通過語音網關接入環網交換機從而實現井底電話與地面監控機房的通信，無線通訊通過無線AP接入環網交換機從而實現井下電話與地面監控機房的通信。三網合一的核心是組建工業以太環網，其原理見圖1。

圖1 三網合一的系統

2 工業以太環網優點

工業環網具有如下的優點：

1）鏈路自動冗余備份。在工業環網中，它能自動冗余備份，能自動協商到達最近節點的路徑，如果一處線路損壞，網絡拓撲重新配置，達到正常網絡狀態只需300毫秒。

2）較長的傳輸距離。環型結構采用光纖介質類型，在傳輸中有低損耗的特性，使得傳輸線路的無中繼傳輸距離變長，相鄰站之間最大長度多模光纖可達2km，單模光纖可達40～60km，最大覆蓋范圍為100km。

3）具有較大的帶寬。環網傳輸帶寬可以為100Mbps、1000Mbps，同時采用新的多數據處理技術，使得網絡在重負荷情況下，仍能保持很高的帶寬。

3 監測監控系統以太環網的接入

3.1 安全監控系統的接入

傳統的安全監控系統的工作模式如下：瓦斯、一氧化碳、氧氣等傳感器通過通信電纜連接監控分站（多臺監控分站可以通過通信電纜并聯起來），監控分站通過通信電纜連接信息傳輸接口，信息傳輸接口通過串口線連接監控機房安全監控系統的監控主機。在上面的工作模式中安全監控系統是無法接入工業以太環網。安全監控系統要想接入工業以太環網有兩種辦法：① 通過光纖接入；② 通過網線接入。通過光線接入的方式在現有的技術條件下不容易實現，因此不能采用光纖的方式將安全監控系統接入工業以太環網。采用網線的方式將安全監控系統接入工業環網的方式卻很容易實現。在這里需要解決的一個問題是如何把傳統的485／232信號轉換成網絡信號？針對這個問題必須使用一種信號轉換設備來解決這個問題，串口服務器就是為了解決這個問題而設計出的網絡設備。串口服務器提供串口轉網絡功能，串口服務器能夠將RS－232／485／422串口轉換成TCP／IP網絡接口，實現RS－232／485／422串 口與TCP／IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP／IP網絡接口功能，連接網絡進行數據通信，極大的擴展串口設備的通信距離。利用串口服務器接入以太環網的安全監控系統的工作模式如下：瓦斯、CO、氧氣等傳感器通過通信電纜連接監控分站（多臺監控分站可以通過通信電纜并聯起來），監控分站通過通信電纜連接串口服務器，串口服務器通過網線連接環網交換機，監控機房安全監控系統的監控主機通過網線連接環網交換機，監控主機通過網絡信號來收／發監控分站的通訊信號。

3.2 視頻監控系統的接入

在傳輸距離比較長的情況下，傳統的視頻監控系統的工作模式如下：多臺攝像頭通過視頻信號線連接多路的視頻光端機的發射機，視頻光端機的發射機通過光纖連接視頻光端機的接收機（發射機和接收機必須配對使用），接收機通過視頻信號線連接到硬盤錄像機，硬盤錄像機通過VGA連接線連接顯示器來顯示視頻畫面。在上面的工作模式中，視頻監控也無法接入以太環網。雖然在上面的工作模式中利用了光纖，但是現有的設備沒有辦法直接從光纖中獲取視頻信號，因此必須將視頻信號轉換成網絡信號才能將視頻信號接入以太環網。在這里可以使用視頻服務器來解決這一問題。通過視頻服務器可以很方便的接入環網交換機從而接入環網。使用視頻服務器接入以太網的視頻監控系統的工作模式如下：多臺攝像頭通過視頻信號線連接到視頻服務器，視頻服務器通過網線連接到環網交換機，監控機房視頻監控系統的監控主機通過網線接入環網交換機，監控主機通過網絡信號來接收攝像機的視頻信號并通過顯示器來顯示視頻畫面。

4 人員定位系統以太環網的接入

傳統的安全監控系統的工作模式如下：人員識別卡與讀卡分站通過無線網絡通信，讀卡分站通過通信電纜連接定位分站（多臺定位分站可以通過通信電纜并聯起來），定位分站通過通信電纜連接信息傳輸接口，信息傳輸接口通過串口線連接監控機房人員定位系統的監控主機。人員定位系統接入工業環網的解決辦法也是使用串口服務器，通過串口服務器將485信號轉換成網絡信號，然后串口服務器通過網線接入環網交換機即可。通過串口服務器接入工業環網的人員定位系統的工作模式如下：人員識別卡與讀卡分站通過無線網絡通信，讀卡分站通過通信電纜連接定位分站（多臺定位分站可以通過通信電纜并聯起來），定位分站通過通信電纜連接串口服務器，串口服務器通過網線連接環網交換機，監控機房人員定位系統的監控主機通過網線連接環網交換機，監控主機通過網絡信號來收／發定位分站的通訊信號。

5 通訊聯絡系統以太環網的接入

通訊聯絡系統包括有線通信聯絡系統和無線通信聯絡系統。《金屬非金屬地下礦山通信聯絡系統建設規范》（AQ2036－2011）中要求：金屬非金屬地下礦山應根據安全避險的實際需要，建設完善有線通信聯絡系統；宜建設無線通信聯絡系統，作為有線通信聯絡系統的補充。因此，通訊聯絡系統接入以太環網的實現就包括兩部分內容：有線通信聯絡系統的接入和無線通信聯絡系統的接入。

5.1 有線通信聯絡系統的接入

傳統的煤礦通信聯絡系統的工作模式如下：井下防爆電話和地面辦公電話通過大對數通信線纜連接數字程控調度交換機，數字程控調度交換機通過網線連接調度室操作平臺。在這種模式下，地面數字程控調度交換機與井下防爆電話直接是通過大對數電話線進行通信，整個通信系統沒有接入光纖以太環網，沒有充分利用主通信光纜作為骨干網高速傳輸的作用。針對這一問題，可以在系統中使用語音網關來解決。語音網關類似于普通的電腦交換機，它具備路由器和交換機的功能，后者的作用是將網絡資源輸出給多臺電腦，而前者則是用來連接電話機用的，它可以將您家里或辦公室里面的電話機、傳真機或PBX與上網設備連接，也就是將公用電話交換網PSTN與IP網絡連接起來，從而實現通過Internet網絡進行語音通話的功能。使用語音網關接入光纖以太環網的工作模式如下：井下防爆電話和地面辦公電話通過通信電纜連接語音網關，語音網關通過網線連接環網交換機，數字程控調度交換機和調度平臺通過網線連接環網交換機，數字程控調度交換機和調度平臺通過網絡信號來與井下防爆電話和地面辦公電話保持通信。

5.2 無線通信聯絡系統的接入

現階段國內煤礦無線通信系統主要為：“小靈通”無 線通信系統；WIFI礦用寬帶通信系統；礦用CDMA礦用通信系統這三大類〔1〕。綜合考慮到礦用無線通信系統在技術先進性、可操作性、可靠性、實用性等方面要求，采用WIFI無線通信系統來接入以太環網。

WIFI無線通信系統的工作模式如下：礦用本安WIFI手機與礦用本安無線基站通過WIFI網絡通信，礦用本安無線基站通過網線接入環網交換機，監控機房通信調度系統的數字調度主機通過網線連接環網交換機，數字調度主機通過網絡信號來保持與礦用本安WIFI手機之間的通信。

6 結語

根據礦山的實際情況，在進行三網合一網絡系統建設時必須與主體工程同時設計、同時施工、同時投人生產和使用。在這種情況下非常適合使用以太環網技術將監測監控系統、人員定位系統、通信聯絡系統有效的融合在一起，實現礦山“六大系統”建設的三網合一，這樣既為企業節省鋪設多條通信線纜的費用，又減少了企業在后期維護過程的工作量。從目前的技術及成本上來看，采用以太環網技術實現監測監控系統、人員定位系統、通信聯絡系統的多網合一，是未來數字化礦山的發展方向。

〔1〕孫 維 .基于WIFI技術的礦井無線通信系統的設計與應用.煤礦安全，2010（4）.