煤礦井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)的建立研究

軒紅新

（開(kāi)灤（集團(tuán)）信息與控制中心，河北 唐山 063000）

煤礦井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)的建立研究

軒紅新

（開(kāi)灤（集團(tuán)）信息與控制中心，河北 唐山 063000）

從當(dāng)前實(shí)踐來(lái)看，國(guó)內(nèi)煤礦井下系統(tǒng)中的救援設(shè)備比較落后、不齊全，而且應(yīng)急通信技術(shù)、系統(tǒng)比較落后，工具設(shè)備布設(shè)不合理，以致于煤礦井下安全事故頻發(fā)。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(shí)采取有效的措施予以防治，則會(huì)嚴(yán)重影響煤礦建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文將對(duì)當(dāng)前煤礦井下應(yīng)急通信技術(shù)及其現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上就如何建立切實(shí)可行的煤礦井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)，談一下自己的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，僅供參考。

應(yīng)急系統(tǒng)；無(wú)線通信；煤礦井下作業(yè)；研究

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和煤礦開(kāi)采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦井下開(kāi)采強(qiáng)度、深度等均有所增加，生產(chǎn)安全問(wèn)題相伴而生。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤礦井下安全事故防治、救援工作中，最為關(guān)鍵的就是要保持通信暢通，以便于及時(shí)地聯(lián)系、準(zhǔn)確地找到受困者的位置。

一、煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)及其技術(shù)現(xiàn)狀

從當(dāng)前煤礦井下的情況來(lái)看，無(wú)線應(yīng)急通信技術(shù)多應(yīng)用在井下事故問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，為井下人員營(yíng)救準(zhǔn)備了條件。同時(shí)，該系統(tǒng)和技術(shù)與地面救援系統(tǒng)、指揮中心相連接，形成一個(gè)臨時(shí)性的無(wú)線通信路線和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)踐中為了能夠有效避免發(fā)生二次事故，一旦發(fā)生礦井事故，則供電系統(tǒng)就會(huì)完全切斷電力系統(tǒng)。在該種情況下，煤礦井下救援過(guò)程中，難以使用原井下通信系統(tǒng)保持聯(lián)絡(luò)。當(dāng)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(lián)系。在該種情況下，地上救援時(shí)，工作人員難以獲得井下的現(xiàn)狀信息資料，或者不及時(shí)或者不準(zhǔn)確，不利于及時(shí)救援。井下救援過(guò)程中，無(wú)法有效了解相關(guān)信息，而且救援人員可能會(huì)置身于險(xiǎn)境。煤礦井下通信系統(tǒng)，關(guān)系著井上、井下人員的安全和聯(lián)系暢通行，保持井下應(yīng)急系統(tǒng)通信暢通，意義重大。實(shí)踐證明，切實(shí)可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)，能夠在救援過(guò)程中起到非常好的應(yīng)用效果，既可以提高救援效率，又可以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤礦井下作業(yè)實(shí)踐中，井下應(yīng)急通信以有線通信為主，雖然部分設(shè)備配備了先進(jìn)的井下無(wú)線通信裝置，但因系統(tǒng)不配套等而難以發(fā)揮其作用。對(duì)于傳統(tǒng)的煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)而言，其中有線通信主要采用的是調(diào)度電話及聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。從應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，該系統(tǒng)屬于無(wú)源傳輸，在發(fā)生井下事故以后，即便沒(méi)有電源供電，也可保持正常通信，而且通話質(zhì)量能夠有所保障。實(shí)踐中，因上述通信模式和手段實(shí)際布設(shè)成本較其他模式下的布設(shè)方案經(jīng)濟(jì)成本要高一些，加之井下環(huán)境特別的復(fù)雜，很難全面把握，而且容易出現(xiàn)變動(dòng)，所以所用的話機(jī)可能無(wú)法覆蓋整個(gè)巷道。一旦發(fā)生故障，則造成井下通信出現(xiàn)嚴(yán)重的中斷現(xiàn)象。有線通信系統(tǒng)作為一種礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)，雖然可靠、靈活，但是存在著一些安全隱患問(wèn)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(guó)內(nèi)已經(jīng)逐步引入無(wú)線通信系統(tǒng)，雖然技術(shù)水平較之于以往有所提高，但是依然存在一些問(wèn)題或瑕疵。比如，通信過(guò)程中容量相對(duì)較小一些，而且部分區(qū)域的通信受限以及通信距離短和對(duì)基站具有較強(qiáng)的依賴性等，甚至無(wú)法支持煤礦井下救援任務(wù)。針對(duì)這些問(wèn)題，本文基于目前已有的、相對(duì)比較成熟的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和技術(shù)手段，將其引入到井下用于應(yīng)急救援通信，并重新設(shè)計(jì)了新的無(wú)線應(yīng)急通信體系，以此來(lái)有效滿足煤礦井下作業(yè)和應(yīng)急救援通信需求。

二、煤礦井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)建策略

基于以上分析，筆者認(rèn)為在當(dāng)前煤礦井下作業(yè)和應(yīng)急救援通信系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面著手。

（一）煤礦井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)基本需求

對(duì)于煤礦井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)而言，其與地面系統(tǒng)之間存在著較大的差異，具體體現(xiàn)在如下方面：

1.通信環(huán)境復(fù)雜性

煤礦巷道多存在著一些轉(zhuǎn)角，這就導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)傳播受阻，會(huì)出現(xiàn)各種類型的信號(hào)強(qiáng)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(nèi)，內(nèi)部分支、彎道和上下坡位置，會(huì)出現(xiàn)巷道內(nèi)景復(fù)雜多變等現(xiàn)象，如不及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)，則可能會(huì)形成非視距信號(hào)通信場(chǎng)景。

3.環(huán)境惡劣

當(dāng)發(fā)生煤礦井下事故時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生易爆、燃?xì)怏w，而且量比較大；同時(shí)，還可以出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，對(duì)巷道結(jié)構(gòu)造成破壞。基于此，在應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)有強(qiáng)擴(kuò)展性以及魯棒性，以便于能夠有效適應(yīng)特殊的場(chǎng)景需求。

4.無(wú)電源供電

井下事故發(fā)生以后，就會(huì)將原供電系統(tǒng)切斷，整個(gè)系統(tǒng)中的所有需電設(shè)備均無(wú)法正常運(yùn)行，甚至可能會(huì)造成供電設(shè)備損壞。由此可見(jiàn)，在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)解決好自我安全供電問(wèn)題。煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的使用環(huán)境、場(chǎng)景等都非常的特殊，要求系統(tǒng)質(zhì)量更高。根據(jù)實(shí)況，我們結(jié)合已掌握的情況，建立切實(shí)可靠的煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)，其必須滿足以下要求。

第一，系統(tǒng)載頻不宜過(guò)低。因煤礦井下信號(hào)通道所處的環(huán)境比較復(fù)雜和特殊，如果系統(tǒng)載頻過(guò)低，則收發(fā)信號(hào)過(guò)程中可能更加依賴于感應(yīng)線路來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸之目的。

第二，多跳結(jié)構(gòu)以及自組織。煤礦井下空間有較多的轉(zhuǎn)折，通信信號(hào)受阻概率也非常大，無(wú)線應(yīng)急救援通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有多跳結(jié)構(gòu)，基于中介轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)放大信號(hào)，以確保點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信良好性。在此過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)自組織性，以便于形成網(wǎng)絡(luò)，并與煤礦井下部署。

第三，體積小、能耗低。煤礦井下救援設(shè)備，應(yīng)當(dāng)在井下空間內(nèi)優(yōu)化布設(shè)，而且要嚴(yán)格控制體積，方便攜帶。整個(gè)通信系統(tǒng)的能耗不能太大，可自行解決安全供電問(wèn)題，確保能夠在井下持續(xù)供電。

（二）優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

基于上文對(duì)煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)的建設(shè)需求分析，以下將對(duì)Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)上的應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從整體架構(gòu)來(lái)看，該系統(tǒng)采用了分級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模式，具體由MC以及MR組成。實(shí)踐中，如果出現(xiàn)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(jìn)入受難井下巷道，即可展開(kāi)及時(shí)搜救工作。不同的MR之間連接以后，又形成了一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，此時(shí)搜救人員可攜帶MC，只需與其中一個(gè)MR正常連接，即可與地面保持正常通信。對(duì)于不同的MC而言，彼此之間的相互通信可基于MR實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)之目的，由此便建立起一套比較完整的應(yīng)急通信系統(tǒng)。

（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件

1.器件優(yōu)選

從功能層面來(lái)講，MR主要用于信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)及其放大等，對(duì)于硬件設(shè)備而言，其主要包括控制器、電源模塊、存儲(chǔ)器件以及無(wú)線通信模塊和外圍電路等。

第一，維控制器。維控制器對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)、性能等會(huì)產(chǎn)生較大的影響，基于對(duì)芯片性能可以有效滿足利用場(chǎng)景的考慮，具有一定的運(yùn)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(shí)際上是一種精簡(jiǎn)指令集處理設(shè)備，緩存16K、主頻400MHz，并且可實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

第二，無(wú)線模塊。對(duì)于無(wú)線模塊來(lái)講，其主要功能是數(shù)據(jù)信息接收以及發(fā)送，無(wú)線通信芯片采用nRF24L01，在ISM頻段集成的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議非常完整，而且速度能夠達(dá)到2Mbps，只需簡(jiǎn)單的進(jìn)行外圍電路布設(shè)即可利用。

2.硬件架構(gòu)

元器件選定以后，再優(yōu)化設(shè)計(jì)硬件整體架構(gòu)，對(duì)于MR整體架構(gòu)而言，模塊核心是MCU，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊、總線等進(jìn)行通信、傳輸命令和數(shù)據(jù)。較之于MR而言，MC架構(gòu)有相似之處，只是增加了一些語(yǔ)音通話功能，在整體架構(gòu)上二者均可利用。

3.接口電路

第一，對(duì)存儲(chǔ)單元接口進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文所研究的通信系統(tǒng)存儲(chǔ)單元，主要利用了FLASH以及SDRAM存儲(chǔ)器。對(duì)于SDRAM而言，主要作為系統(tǒng)內(nèi)存應(yīng)用，其頻率與總線之間保持一致，能夠有效進(jìn)行快速擦寫(xiě)。然而，實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)不斷進(jìn)行刷新，以確保數(shù)據(jù)的客觀有效性。對(duì)于FLASH而言，其作為非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，掉電以后數(shù)據(jù)信息也不丟失，而且能夠隨意擦寫(xiě)，一般作為固態(tài)存儲(chǔ)裝置，可存儲(chǔ)代碼以及相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

第二，優(yōu)化設(shè)計(jì)電源電路。該系統(tǒng)中的無(wú)線網(wǎng)卡需供電電源5V，存儲(chǔ)器電源3.3V，MCU電源需1.3V。實(shí)踐中，為了確保電壓的統(tǒng)一需求，供電采用5V電源，利用芯片對(duì)電壓處理以后，電壓3.3V。

結(jié)語(yǔ)

煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)得以廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。本文結(jié)合井下實(shí)際情況和需求，將無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)備引入井下，并且設(shè)計(jì)了Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)上的井下應(yīng)急通信系統(tǒng)，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(yīng)急救援效率的提高。

［1］李培煊，強(qiáng)蕊.基于WIFI的煤礦井下應(yīng)急救援無(wú)線通信系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011（4）：55.

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