基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統研究與設計

劉 偉

（神東煤炭集團安監局，鄂爾多斯 017209）

在煤礦開采事業的不斷發展下，礦井開采深度和強度也在不斷增加，在煤礦生產速度的加快下，相應的煤礦生產安全問題也日益凸顯出來。從當前發展實際情況來看，煤礦井下應急通信系統存在技術落后、設備設施不完善等問題，在很大程度上制約了煤礦應急救援工作的開展。在現代信息科技的發展下，無線通信技術也得到了更進一步的發展，一系列無線技術開始被人們投入到煤礦應急救援通信系統中，并獲得了較大的成功。為此，文章結合當前礦井通信場景的應用發展實際情況，結合煤礦井下應急通信需求，以MESH網絡為基本研究切入點，設計了基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統，在對基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統的深入研究下使其更好的滿足了煤礦井下救援行動對通信質量的要求，提升了煤礦井下救援效率，確保了相關工作人員的安全。

1 無線MESH網絡

在無線移動通信技術的快速發展下，第三代移動通信技術逐漸發展成熟，在以往覆蓋范圍大、涉及廣泛的通信技術之外，短距離無線通信技術也得到了快速的發展，其中發展最為快速的是無線MESH技術。MESH技術也被人們稱作是無線網狀網、無線網絡網技術，在具體應用中是一種具有多跳、自組織的新型無線網絡結構。MESH無線網絡通信和其他網絡通信相比的差異主要體現在拓撲結構和業務模式兩個方面。在具體應用中，無線MESH網絡能夠和多種無線技術結合在一起形成一種多跳鏈路網絡。

2 煤礦井下開采應急通信技術發展現狀

煤礦井下開采應急通信主要是指在煤礦事故發生之后，事故狀態下的煤礦現場事故工作人員、地面救援指揮中心等多個部門之間形成的一種臨時通信線路。在煤礦出現安全事故的時候，為了避免事故的擴大以及事故的再次發生，在事故之后需要及時切斷井下供電系統。在切斷井下供電系統之后，救援工作的開展無法使用之前的井下通信系統，救援人員獲取的信息資料也無法在第一時間傳遞給相關部門人員，由此使得整個救援活動延遲。由此可見，井下應急通信系統在井下救援工作中能保持救援人員和地面指揮中心的通信暢通變得十分重要，可靠的應急救援通信系統能夠更好的幫助救援人員開展工作，減少井下救援工作損失。

3 基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統設計

3.1 設計需求

基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統設計需求具體表現在以下幾個方面：第一，特殊的信號傳播環境。受煤礦井下巷道形狀的影響，煤礦井下通信信號的傳播環境和地面無線系統之間存在較大的差異，巷道轉折過程中的信號傳播會形成多種反射，由此對煤礦應急救援通信信號強度產生了較大的影響。第二，基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信空間受到的限制較大。巷道是一個封閉的空間，在空間彎曲道、結構的變化下會加劇巷道內部場景的復雜。另外，在煤礦井下應急救援過程中，應急通信網絡拓撲結構會伴隨救援行動的開展發橫變化，為此要求基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統能夠適應動態拓撲結構。第三，基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信環境惡劣。在煤礦井下出現事故之后會伴隨而來大量可燃可爆氣體，由此對巷道原來的結構帶來損害。為此，在煤礦井下應急救援通信設計中需要增強巷道的拓展性。煤礦井下應急通信系統建設深受煤礦井下應急通信系統特殊性的影響，為了能夠讓煤礦井下通信系統更好的工作。特殊環境中的應急通信系統需要具備以下幾方面的特點：①煤礦井下應急通信系統在工作的過程中要密切關注巷道的信道環境。②無線應急通信系統大多要設置成鏈狀多跳結構，確保系統寬帶的下降和上升都能夠在可容納的范圍內。

3.2 系統總體方案設計

根據基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統發現，整個基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統包含地面指揮調度中心、井下無線MESH網絡鏈路、現場救援隊伍等。在實際應用中，無線MESH網絡鏈路由交換機、無線中繼站、無線多參數檢測儀器等設備共同組成。在發生煤礦井下突發安全事故的時候，無線MESH網絡系統能夠快速搭建網絡平臺，為煤礦井下救援工作的順利開展提供重要支持。基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統符合我國煤礦井下發展需要，設計具備以下幾個特點：第一，基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統具有救護隊員體溫、心跳、呼吸頻率等生命特點信息監測功能，能夠更加及時的掌握救援人員的身體情況，避免救援人員在救援工作中出現二次傷亡。第二，基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統配備了多參數氣體測定器，有效解決了災變現場高濃度有害氣體的測定難問題。第三，基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統采用了無線混頻多數據通信技術，提升了語音、視頻、數據等多種信息的實時性傳播。

3.3 煤礦井下無線MESH網絡的設計

3.3.1 拓撲結構

煤礦井下無線MESH網絡拓撲結構和地面無線MESH網絡不同，在具體工作中，煤礦井下空間受空間的限制較大，工作環境特殊，由此決定礦井無線MESH網絡骨干網絡在礦井大巷中的網絡拓撲呈現出一種鏈狀結構。拓撲結構下的煤礦井下無線MESH網絡所帶來的影響表現如下：第一，節點工作模式。在拓撲結構的節點周圍一般只存在兩個左右的臨近節點，節點是點到點的工作模式。地面無線網絡由于空間開闊不受限制，網絡中的節點呈現出和多個臨近節點通信的特點，是一種一點對多點的工作模式。第二，路徑單一。地面無線MESH網絡是一種網狀拓撲結構，節點之間的連接較多，且工作路徑的選擇要綜合考慮跳數、往返時間等問題。第三，充分考慮設備的安裝布置。下井救援時間有限，在設備安排的過程中需要考慮中繼設備的重量和待機時間，通過合理布置設備來確保救援時間的充足，提升救援工作效率。第四，多跳傳輸。井下無線MESH網絡受節點功率小、巷道狹長分布特點的影響，網絡的接入和轉發任務繁重。

3.3.2 設計要點

基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統不僅需要考慮網絡拓撲結構和無線信號傳播特點，而且還需要加強對無線網絡移動性、業務類型、用戶權限等問題的考慮。第一，移動性。地面無線MESH網絡MESH路由節點的移動性較低，終端節點的運動速度變化較快，在節點的不斷融入下會使得網絡拓撲結構發生變化。第二，業務類型。為了實現搜救隊員和地面組織的通信，語音業務對網絡實時性提出了更高的要求。由此需要路由維護開銷不能消耗較多的網絡資源。

3.4 現場應用設計

以煤礦突發事件為基本案例，在災變發生之后礦井破壞不嚴重的情況下可以應用基于無線MESH網絡的煤礦應急救援通信系統進行救援。首先，將中繼器的第一跳直接接入到現有的井下工業以太環網中，之后利用井下的有線網絡完成應急通訊指揮操作。其次，在井下安排布置監控主機，通過RJ45接口來將監控主機接入到地面交換機中。再次，救護人員將生命傳感器綁在自己的胸部，每個人攜帶一個數據信息收集儀器，利用儀器內部的裝置來獲取救護人員的生命體態信息。采集儀器同時通過有線的方式來和攝像儀器、傳導語音聽說器等進行連接，實現和地面調度系統的有效對講。最后，救護人員內在到達指定的位置之后，應用無線接收器和多個參數氣體進行連接，實現對現場環境的有效監測。

4 結束語

綜上所述，煤礦安全生產是確保我國煤礦產業穩定、可持續發展的重要關鍵。煤礦井下應急通信系統作為煤礦事故救援的重要設備之一，得到了人們的關注和應用。文章根據井下應急通信系統的實施需求，將基于MESH網絡的無線通信技術引入到地下，設計了基于無線MESH網絡的井下應急通信系統，就該系統的整體設計應用問題進行了探究，以期能夠有效提升煤礦井下救援工作效率。