礦山應急救援指揮綜合通信系統設計

鄭萬波，　吳燕清

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶　400037；

2.重慶大學 光電工程學院， 重慶　400044；

3.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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礦山應急救援指揮綜合通信系統設計

鄭萬波1,2,3，吳燕清1,3

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶400037；

2.重慶大學 光電工程學院， 重慶400044；

3.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039)

摘要：以礦山應急救援指揮通信系統發展趨勢為設計需求，結合三級指揮信息傳輸模型，提出了一種結合有線SHDSL、無線WiFi和衛星通信技術的礦山應急救援指揮綜合通信系統設計方案。測試結果表明，該系統傳輸速率高，通信距離長，滿足井下語音、視頻、環境監測參數和人員生命體征參數等多種實時數據融合通信的需要。

關鍵詞：應急救援通信； 三級指揮； 有線通信； 無線通信； 衛星通信

0引言

國內礦山應急救援指揮通信系統主要發展趨勢：① 能夠穿越復雜的深部礦井災害環境，建立有線覆蓋距離大于10 km[1]、無線覆蓋距離大于2 km網絡，能長距離、快速、準確、可靠地實現對災害事故指揮和專家輔助決策；② 建立井下可靠通信網絡，傳輸災區全方位信息數據(語音、視頻、環境監測參數、人員生命體征參數)[2]，采用有線、無線、衛星等通信方式，實現天、地、井一體化快速組網[3]；③ 應急救援指揮通信系統層次化[4-6]、單元化和標準化[7]，各種應急救援指揮通信系統之間以及應急救援指揮通信系統與井下生產調度、地面辦公系統應兼容[8]；④ 符合應急救援反復性、持久性的特點，救援設備能夠多次、長時間工作；⑤ 應急救援指揮通信系統自供電[9]，即井下電網遭到破壞或需停電處理時，有電池或其他方式供電；⑥ 提高應急指揮信息的真實性、可靠性和傳遞性[10-11]。本文以上述發展趨勢為設計需求，提出了一種結合有線SHDSL、無線WiFi和衛星通信技術的礦山應急救援指揮綜合通信系統設計方案。

1三級指揮信息傳輸模型

事故救援時，必須保證搶險指揮部與地面基地、井下基地，井下基地與災區救護隊，救護隊隊員之間通信正常[12]，因此，礦山應急救援指揮綜合通信系統宜采用三級指揮。三級指揮信息傳輸模型如圖1所示。指揮信息在井下指揮基地、井上指揮中心和遠程指揮中心之間雙向傳輸；現場信息單向傳輸到井下指揮基地、井上指揮中心和遠程指揮中心；井下指揮基地根據現場信息指揮事故現場的救護隊隊員進行救援工作。

2系統組成及功能

礦山應急救援指揮綜合通信系統分為有線通信系統和無線通信系統，如圖2所示。有線通信系統由地面基地主機、地面基站、有線耳機、有線攝像頭、避雷器、井下基站和有線SHDSL終端組成，可以傳輸語音、視頻、環境監測參數、人員生命體征參數等數據，有線通信方式可解決無線覆蓋距離短、帶寬衰減快、可靠性低的問題。無線通信系統分為地面衛星通信系統和井下無線通信系統兩部分：地面衛星通信系統主要由動中通衛星站(移動指揮部)、靜中通便攜式衛星站(地面指揮中心)、遠程衛星中心站(國家(省)救援指揮中心)組成；井下無線通信系統主要由WiFi基站、WiFi中繼器、WiFi手機、WiFi攝像頭、WiFi環境偵測器和WiFi人員監測器組成。無線通信可實現作業范圍的高帶寬覆蓋，克服有線通信移動性差、作業困難的缺點。井下設備采用可更換備用電源，具有休眠喚醒功能，滿足應急救援多次、長時間工作的需求。有線通信系統、地面衛星通信系統和井下無線通信系統之間采用TCP/IP傳輸協議實現高帶寬配接，可兼容工業以太網、辦公局域網和互聯網，充分發揮有線SHDSL、無線WiFi和衛星通信的優點。

圖1　三級指揮信息傳輸模型

圖2　礦山應急救援指揮綜合通信系統組成

3系統測試

在地面和礦井模擬巷道(巷道長約700 m，具有常用礦用設備和照明電網)對礦山應急救援指揮綜合通信系統進行測試。

3.1有線SHDSL通信

采用線纜串接的方式(線纜參數：線芯直徑為0.8 mm(銅芯)，直流電阻≤90 Ω/km，分布電容≤0.06 μF/km，固有衰減≤1.10 dB/km)，在假設誤碼率較小的情況下，用統計軟件測試通信距離和傳輸速率：當井下基站與WiFi基站、地面基站或有線SHDSL終端的距離為4～6 km時，地面基站與井下無線覆蓋區域的有線通信距離可達到8～12 km，傳輸速率穩定在1.5 Mbit/s，能夠可靠傳輸2～5路視頻數據，8～10路語音、環境監測或人員生命體征數據，滿足有線通信長距離、高速率、高可靠性數據傳輸需求。

3.2無線WiFi通信

采用10個無線中繼節點串接的方式[13](節點之間信號強度相等，節點相距150～200 m，節點1以盡可能大的速率向節點10發送數據，中間節點轉發數據)，測試中繼節點數與端到端吞吐量的關系，結果如圖3所示。隨著中繼節點的增加，端到端吞吐量逐漸降低，到第10個節點時，無線傳輸距離達到1.5 km，端到端吞吐量降低至6.7 Mbit/s，能可靠傳輸2～3路視頻數據，4～6路語音、環境監測或人員生命體征數據，滿足無線通信多級中繼高速率傳輸數據的要求。

圖3　中繼節點數與端到端吞吐量的關系

3.3衛星通信

采用2個BGAN探險者E700和衛星組成衛星通信測試網，數據通信終端采用近端計算機和遠端計算機來模擬，數據通信終端與衛星通信測試網之間采用TCP/IP接口，近端計算機通過衛星通信測試網訪問遠端計算機，如圖4所示。經測試，衛星通信系統能夠實現地面全方位網絡覆蓋，傳輸速率穩定在512 kbit/s，能基本滿足1路視頻數據，2～4路語音、環境監測或人員生命體征數據傳輸需求。

圖4　衛星通信測試框架

4結語

礦山應急救援指揮綜合通信系統匯集有線、無線、衛星通信技術于一體，在救援現場與井下指揮基地、井上指揮中心及遠程指揮中心之間快速建立通信連接，采集語音、視頻、環境監測參數和人員生命體征參數信息。該系統現場測試效果良好，其全方位立體覆蓋的通信模式滿足應急救援指揮實時數據傳遞的需求。

參考文獻：

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[13]李禮.多接口多信道多跳無線網絡資源管理與廣播機制的研究[D].長沙:國防科學技術大學,2009:25-28.

Design of integrated communication system of mine emergency rescue command

ZHENG Wanbo1,2,3,WU Yanqing1,3

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037,China; 2.College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;3.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Abstract:Taking development trend of mine emergency rescue command communication system as design requirements, a design scheme of integrated communication system of mine emergency rescue command which combines with wired SHDSL, wireless WiFi and satellite communication technologies was proposed based on three-level command information transmission model. The test results show that the system meet needs of converged communication of various real-time data such as voice, video, environment monitoring parameter and personnel vital sign parameter with high transmission rate and long communication distance.

Key words:emergency rescue communication; three-level command; wired communication; wireless communication; satellite communication

中圖分類號：TD655/77

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-03-07 15:24

作者簡介：鄭萬波(1981-)，男，四川自貢人，副研究員，博士研究生，現主要從事礦井應急救援通信和工程物探儀器及裝備方面的研究工作，E-mail:zwanbo2001@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B09)；重慶市前沿與應用基礎研究計劃資助項目(cstc2014jcyjA90027)。

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-01-24；責任編輯：盛男。

文章編號：1671-251X(2016)03-0084-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.020

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1524.020.html

鄭萬波，吳燕清.礦山應急救援指揮綜合通信系統設計[J].工礦自動化，2016,42(3)：84-86.