煤礦井下應急無線通信系統的建立研究

軒紅新

（開灤（集團）信息與控制中心，河北 唐山 063000）

煤礦井下應急無線通信系統的建立研究

軒紅新

（開灤（集團）信息與控制中心，河北 唐山 063000）

從當前實踐來看，國內煤礦井下系統中的救援設備比較落后、不齊全，而且應急通信技術、系統比較落后，工具設備布設不合理，以致于煤礦井下安全事故頻發。其中，信息通信受阻，是造成救援不利、威脅井下人員生命安全的主要影響因素之一，如果不及時采取有效的措施予以防治，則會嚴重影響煤礦建設事業的可持續發展。本文將對當前煤礦井下應急通信技術及其現狀進行分析，并在此基礎上就如何建立切實可行的煤礦井下應急無線通信系統，談一下自己的觀點和認識，僅供參考。

應急系統；無線通信；煤礦井下作業；研究

近年來，隨著社會經濟的快速發展和煤礦開采技術的不斷進步，煤礦井下開采強度、深度等均有所增加，生產安全問題相伴而生。據調查發現，煤礦井下安全事故防治、救援工作中，最為關鍵的就是要保持通信暢通，以便于及時地聯系、準確地找到受困者的位置。

一、煤礦井下應急通信系統及其技術現狀

從當前煤礦井下的情況來看，無線應急通信技術多應用在井下事故問題出現時及時掌握現場情況，為井下人員營救準備了條件。同時，該系統和技術與地面救援系統、指揮中心相連接，形成一個臨時性的無線通信路線和網絡系統。實踐中為了能夠有效避免發生二次事故，一旦發生礦井事故，則供電系統就會完全切斷電力系統。在該種情況下，煤礦井下救援過程中，難以使用原井下通信系統保持聯絡。當救援人員下井后獲得信息以后，難以給地面人員、指揮中心保持聯系。在該種情況下，地上救援時，工作人員難以獲得井下的現狀信息資料，或者不及時或者不準確，不利于及時救援。井下救援過程中，無法有效了解相關信息，而且救援人員可能會置身于險境。煤礦井下通信系統，關系著井上、井下人員的安全和聯系暢通行，保持井下應急系統通信暢通，意義重大。實踐證明，切實可靠的應急通信系統，能夠在救援過程中起到非常好的應用效果，既可以提高救援效率，又可以減少人員傷亡和財產損失。

當前國內煤礦井下作業實踐中，井下應急通信以有線通信為主，雖然部分設備配備了先進的井下無線通信裝置，但因系統不配套等而難以發揮其作用。對于傳統的煤礦井下應急通信系統而言，其中有線通信主要采用的是調度電話及聯絡系統。從應用實踐來看，該系統屬于無源傳輸，在發生井下事故以后，即便沒有電源供電，也可保持正常通信，而且通話質量能夠有所保障。實踐中，因上述通信模式和手段實際布設成本較其他模式下的布設方案經濟成本要高一些，加之井下環境特別的復雜，很難全面把握，而且容易出現變動，所以所用的話機可能無法覆蓋整個巷道。一旦發生故障，則造成井下通信出現嚴重的中斷現象。有線通信系統作為一種礦井應急通信系統，雖然可靠、靈活，但是存在著一些安全隱患問題，難以有效滿足客觀需求。

隨著科技水平的不斷提高，目前國內已經逐步引入無線通信系統，雖然技術水平較之于以往有所提高，但是依然存在一些問題或瑕疵。比如，通信過程中容量相對較小一些，而且部分區域的通信受限以及通信距離短和對基站具有較強的依賴性等，甚至無法支持煤礦井下救援任務。針對這些問題，本文基于目前已有的、相對比較成熟的無線Mesh網絡系統和技術手段，將其引入到井下用于應急救援通信，并重新設計了新的無線應急通信體系，以此來有效滿足煤礦井下作業和應急救援通信需求。

二、煤礦井下應急無線通信系統構建策略

基于以上分析，筆者認為在當前煤礦井下作業和應急救援通信系統建設過程中，應當從以下幾個方面著手。

（一）煤礦井下應急無線通信系統基本需求

對于煤礦井下應急無線通信系統而言，其與地面系統之間存在著較大的差異，具體體現在如下方面：

1.通信環境復雜性

煤礦巷道多存在著一些轉角，這就導致無線信號傳播受阻，會出現各種類型的信號強度影響因素，比如反射、多徑衰落以及折射等。

2.線行受限分析

井下巷道一般采用封閉式，在有限空間范圍內，內部分支、彎道和上下坡位置，會出現巷道內景復雜多變等現象，如不及時采取措施應對，則可能會形成非視距信號通信場景。

3.環境惡劣

當發生煤礦井下事故時，可能會產生易爆、燃氣體，而且量比較大；同時，還可以出現滲水現象，對巷道結構造成破壞。基于此，在應急通信系統設計過程中，應當有強擴展性以及魯棒性，以便于能夠有效適應特殊的場景需求。

4.無電源供電

井下事故發生以后，就會將原供電系統切斷，整個系統中的所有需電設備均無法正常運行，甚至可能會造成供電設備損壞。由此可見，在現代無線通信系統建設過程中，應當解決好自我安全供電問題。煤礦井下應急救援通信系統的使用環境、場景等都非常的特殊，要求系統質量更高。根據實況，我們結合已掌握的情況，建立切實可靠的煤礦井下應急救援通信系統，其必須滿足以下要求。

第一，系統載頻不宜過低。因煤礦井下信號通道所處的環境比較復雜和特殊，如果系統載頻過低，則收發信號過程中可能更加依賴于感應線路來實現傳輸之目的。

第二，多跳結構以及自組織。煤礦井下空間有較多的轉折，通信信號受阻概率也非常大，無線應急救援通信系統應當有多跳結構，基于中介轉發來放大信號，以確保點對點的通信良好性。在此過程中，還應當設計自組織性，以便于形成網絡，并與煤礦井下部署。

第三，體積小、能耗低。煤礦井下救援設備，應當在井下空間內優化布設，而且要嚴格控制體積，方便攜帶。整個通信系統的能耗不能太大，可自行解決安全供電問題，確保能夠在井下持續供電。

（二）優化設計系統架構

基于上文對煤礦井下應急通信系統的建設需求分析，以下將對Mesh網絡系統應用基礎上的應急通信系統架構進行設計。

從整體架構來看，該系統采用了分級無線網絡模式，具體由MC以及MR組成。實踐中，如果出現了煤礦井事故或者人員受到了威脅，則救援人員只需攜帶MC和MR進入受難井下巷道，即可展開及時搜救工作。不同的MR之間連接以后，又形成了一個骨干網絡系統，此時搜救人員可攜帶MC，只需與其中一個MR正常連接，即可與地面保持正常通信。對于不同的MC而言，彼此之間的相互通信可基于MR實現轉發之目的，由此便建立起一套比較完整的應急通信系統。

（三）優化設計系統硬件

1.器件優選

從功能層面來講，MR主要用于信號轉發及其放大等，對于硬件設備而言，其主要包括控制器、電源模塊、存儲器件以及無線通信模塊和外圍電路等。

第一，維控制器。維控制器對整個通信系統、性能等會產生較大的影響，基于對芯片性能可以有效滿足利用場景的考慮，具有一定的運算、邏輯判斷等能力，確保外部接口更加的豐富，本文選用的是S3C2440A型芯片，令其作為MR之MCU，實際上是一種精簡指令集處理設備，緩存16K、主頻400MHz，并且可實現操作系統的正常運行。

第二，無線模塊。對于無線模塊來講，其主要功能是數據信息接收以及發送，無線通信芯片采用nRF24L01，在ISM頻段集成的數據鏈路協議非常完整，而且速度能夠達到2Mbps，只需簡單的進行外圍電路布設即可利用。

2.硬件架構

元器件選定以后，再優化設計硬件整體架構，對于MR整體架構而言，模塊核心是MCU，通過無線收發模塊、總線等進行通信、傳輸命令和數據。較之于MR而言，MC架構有相似之處，只是增加了一些語音通話功能，在整體架構上二者均可利用。

3.接口電路

第一，對存儲單元接口進行電路優化設計。本文所研究的通信系統存儲單元，主要利用了FLASH以及SDRAM存儲器。對于SDRAM而言，主要作為系統內存應用，其頻率與總線之間保持一致，能夠有效進行快速擦寫。然而，實踐中應當不斷進行刷新，以確保數據的客觀有效性。對于FLASH而言，其作為非易失性存儲設備，掉電以后數據信息也不丟失，而且能夠隨意擦寫，一般作為固態存儲裝置，可存儲代碼以及相關信息數據。

第二，優化設計電源電路。該系統中的無線網卡需供電電源5V，存儲器電源3.3V，MCU電源需1.3V。實踐中，為了確保電壓的統一需求，供電采用5V電源，利用芯片對電壓處理以后，電壓3.3V。

結語

煤礦井下應急通信系統得以廣泛地應用和發展。本文結合井下實際情況和需求，將無線Mesh網絡系統和技術設備引入井下，并且設計了Mesh網絡應用基礎上的井下應急通信系統，其成本非常的低，而且部署也比較靈活，有利于提高煤礦井下應急救援效率的提高。

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