礦用即時對講通信系統的研究及應用

薛鋼琴，李曉強，尹雄，萬星煒，范鵬飛，徐啟彪，楊良

(1.陽泉煤業(集團)有限公司， 山西 陽泉 045000；2.中國礦業大學， 北京 100091)

0 引言

隨著煤炭科技的不斷進步，煤礦建設經歷了一系列的發展過程。井下通信系統的主流也逐漸從有線通信發展為無線通信。隨著地面無線通信系統的應用發展，井下防爆無線通信系統的應用也逐漸順應市場，成為了煤炭通信系統發展的必然趨勢。

目前基于3G網絡、4G網絡、Wi-Fi等無線方式的通信系統在我國多個煤礦取得了成功應用，然而這些通信方式存在著各自難以解決的問題。如3G、4G網絡的信號傳輸頻率過高，在采掘工作面和巷道中通信距離短，同時還有布設成本過高，系統復雜等問題；Wi-Fi通信會出現多用戶同時使用時爭奪信道資源，使得通話信號不穩定的問題。 這些問題在對講機通信系統中都可以得到解決。隨著數字通信技術發展與成熟，數字對講機的許多優點也都顯現出來。首先，可以更好地利用頻譜資源，與蜂窩數字技術相似，數字對講機可以在一條指定的信道上裝載更多用戶，提高頻譜利用率；其次，可以提高語音質量，由于數字通信技術擁有系統內錯誤校正的功能，與模擬對講機相比，可以在一個范圍更廣泛的信號環境中，實現更好的語音音頻質量；第三，通過提高、改進語音和數據集成，改變控制信號隨通信距離增加而降低的弱點，使更多的數據應用可以被集成到同一個雙向無線通信基站結構中，對語音和數據服務集成更完善、更方便。這3個特點使數字對講機成為未來對講機技術發展的必然趨勢，也使煤礦井下應用數字對講系統成為可能。

1 系統組成及關鍵技術

1.1 系統組成

本系統主體由基站和對講機組成，對講機在各基站無線網絡覆蓋的區域內漫游，實現語音同步、對講通話。系統采用蜂窩式組網方式，以基站為覆蓋點，相鄰的基站為一個覆蓋區域，基站和基站采用無線鏈路數字連接，系統中的通信可采用2種工作模式：對講機工作模式、基站-對講機結合的工作模式。系統基本構架如圖1所示。

圖1 對講機通信系統結構示意圖

1.2 井下電波干擾研究

由上文可知數字對講機依靠電磁波進行數據的傳輸，故而井下電磁波的傳輸距離直接關系到對講機可用通話距離。另外井下道路彎折、分支較多，各種礦用設備會對電磁波的傳輸造成影響。因此研究礦井無線傳輸的特點，選擇適合井下通信的電磁波頻率以及研究電磁干擾的應對方案，對通信系統極為重要。

1.2.1 巷道中電磁波的傳輸特性

1.2.1.1 巷道、鐵器、風門對電磁波傳輸的影響

在進行煤礦井下無線信號覆蓋設計時，必須考慮巷道的截面大小、巷壁介質和幾何形狀、設備設施布置、移動設備流量等因素[1]，電磁波衰減率可由近似計算公式得出：

(1)

式中：kh為統計常數,(常數，由經驗給出)；ah為巷道寬度方向的最大值,m；b為巷道高度方向的最大值,m；εγ為介電常數。

由衰減率近似計算公式可以看出，衰減常數同巷道的寬和高的3次方成反比，巷道尺寸越大電磁波的傳播空問越寬闊，衰減率越小。而巷道尺寸越小，電磁波的傳播空間越受限制，衰減越大。在巷道尺寸相同的情況下，工作頻率越高，衰減率越小。在巷道截面較大，巷道為平直時，由于波導效應，UHF中的較高頻段電磁波的傳輸距離會大大增加。對于彎曲巷道，高頻段電磁波的衰減是非常嚴重的，而低頻段電磁波的繞射能力和穿透能力都比較強。

表1 平直巷道中頻率對衰減率的影響

表2 彎曲巷道中頻率對衰減率的影響

通過理論研究和實驗可知， 在平直巷道中，頻率越高，衰減率越小，無線信號傳輸距離越遠。在彎曲巷道中，頻率越高，衰減率越大，無線信號的傳輸距離越近[2]。另外衰減率還會隨著鐵制設備的增多而增大。

1.2.1.2 截止頻率

電磁波在巷道傳輸存在截止頻率，截止頻率是是礦井移動通信系統設計的重要依據[3]。當礦井無線傳輸頻率低于截止頻率時，無線傳輸衰減將會迅速增大，系統的無線傳輸距離將大大減小。

礦井無線傳輸的截止頻率與無線傳輸有效截面積的形狀和尺寸有關。對于有效截面為矩形的無線傳輸截止頻率f與矩形截面長邊a的關系表述：

f=C/2a

(2)

式中：f為截止頻率,MHz；C為真空中的光速，m/s；a為矩形截面的長邊，m。

針對不同的工作場所，通過理論和試驗獲取的截止頻率：

1)采煤工作面的無線傳輸通用截止頻率為246 MHz[4]；

2)巷道的無線傳輸通用截止頻率為83 MHz。

通過在井下的現場測試，此無線對講系統的頻率應在300～900 MHz為宜。

1.2.2 電磁干擾對通信系統的影響與解決方案

煤礦的地面及井下的電磁頻譜復雜多變，干擾問題很突出，甚至有的時候能夠造成通信或數據中斷，因此在開發新的通信系統時，必須研究電磁干擾以及抗干擾措施。

1.2.2.1 井下電磁干擾的特點

我國煤炭生產長期主要采用長壁式采掘方式，這就帶來了井下電磁環境的復雜性、多變性。煤礦井下為限定性空間， 電磁干擾的耦合與傳播和地面完全不同。巷道截面形狀、尺寸、介質、彎曲、分支、傾斜、金屬支護、縱向導體(電纜、水管、鐵軌等)、通風設施影響著電磁干擾的耦合與傳播。

井下無線通信的電磁干擾噪聲主要可分為兩大類， 自然噪聲和工業噪聲。工業噪聲是指工業部門所使用的各類設備運行時所產生的電磁噪聲，這些設備只要用電運行，就會產生電或電壓的突變，也就成為噪聲的發生源。這類噪聲進入了運行中的通信系統就變成了干擾噪聲。礦井里的主要干擾源是工業噪聲，主要包括高壓電力電纜、大功率變壓器、變頻裝置、其他無線設備等。

1.2.2.2 抗干擾的措施

1)軟件無線電技術。將軟件無線電技術應用于通信抗干擾中，實現與時變技術的有效結合，根據信號的不同使用場合和干擾情況進行變化，可以單獨跳頻工作，或跳頻與直擴混合的方式工作，有利于提高通信系統的抗干擾能力。

2)DSP技術。數字信號處理(Digital Signal Process，簡稱DSP)是利用專用或通用數字信號處理芯片，通過數字計算的方法對信號進行處理。與模擬信號處理相比，DSP具有極強的實時性，能在極短的時間內完成對外部輸入信號的各種處理，即信號處理速度大于信號更新(傳輸)速度，這使其對話音進行實時處理成為可能。數字信號處理僅受量化誤差和有限字長的影響，處理過程不引入其他噪聲，故精度高、穩定性好，具有很高的信噪比。將DSP芯片植入對講機中，將得到的語音信號進行數字化并通過 DSP 進行高速處理。再輔以相應的軟件技術，可以最大限度地保障系統的抗干擾能力。

2 無線基站設計

無線基站用于自行組建智能數字無線通信網絡，為對講機終端廣播對講提供網絡和信號中繼。具有功耗低，信號傳輸穩定，傳輸距離遠，自組網能力強等特點。無線基站適用于煤礦井下或地面無線語音通信的場合。

礦用智能對講通信系統采用dPMR數字協議標準，以4.8 kbit/s的速率對語音進行雙向編解碼，實現多個手持對講機的通話。為了提高數據帶寬的使用效率，無線基站采用雙收發模塊，通信采用半雙工通信方式，實現連續清晰的對講通話。

在電源方面，無線基站采用2種供電模式。在有外電的情況下，采用隔爆兼本質安全型電源給無線基站供電，電池作備用電源；在臨時性的活動區域和不具備外電供電的場所，由電池進行供電。基站采用多重節能設計，容量為10 Ah的電池待機工作時間達12 h，電池可以帶到地面充電。基站構成如圖2所示。

圖2 基站構成

3 對講機設計

數字對講機有射頻單元、音頻單元、電源和控制單元以及基帶處理單元組成，系統比較簡單，組成部分少，這充分體現了系統簡單，組網方便的特點。對講機構成如圖3所示。

非洲豬瘟病毒在原料中30天后的存活能力仍然未知，并且當前還沒有足夠的數據來準確估計。由于無法計算有效的隔離期，高風險的原科應該從無非洲豬瘟病毒和經典豬瘟病毒的國家引進。

圖3 對講機構成

數字對講機與模擬對講機最大的區別就是語音信號進行了數字化并通過DSP進行了高速處理。雖然這樣使得通話質量大大提高，但高速DSP的時鐘高達100 MHz以上，這導致其諧波有可能會干擾射頻載波。另外為了提高電源效率而采用的是開關電源，其開關頻率也會調制到載波上，這在一定程度上也會對載波造成一系列干擾。

針對這些干擾信號，采取如下解決方案。

1)在電路板的設計上，采用射頻單元單獨布局布線，單獨使用屏蔽槽，控制線、數字信號線進行屏蔽處理，同時在軟件上進行優化，從而解決高速時鐘所帶來的影響。

2)通過調整開關電源的頻率、濾波電感的值、選擇濾波性能好濾波電感、PCB優化設計來解決開關頻率的影響。

同時，對講機還具有路由中轉功能，其接受到的數據包在對講機中也可以進行解密或打包進行傳輸。這使得對講機也可以起到中繼作用，可以減少所需基站數量從而使系統布置方便，結構簡單，組網能力強的特點更加明顯。

4 系統應用場合設計

4.1 采掘工作面及通道的設備布置

對于采掘工作面的繁雜工作程序，復雜、多變的工作環境，利用礦用智能即時對講通信系統快速建立起區域無線覆蓋，可實現工作面區域內工作人員的快速調度、指揮和協同工作。

在采煤工作面與運輸通道的交叉口位置布置1臺便攜式無線基站，手持設備由工作面以及通道的工作人員持有。布置示意圖如圖4所示。

1-采煤機；2-刮板輸送機；3-支架；4-下端頭支架；5-上端頭支架；6-轉載機；7-帶式輸送機；8-配電箱；9-乳化液泵站；10-設備平板列車；11-移動變電站；12-噴霧泵站；13-液壓絞車；14-集中控制臺。圖4 工作面系統布置示意圖

4.2 豎井的設備布置

在豎井井口布置1臺便攜式無線基站，手持設備由車房，井口工作人員以及井筒檢修人員持有，布置示意圖如圖5所示。

1-對講機；2-天線；3-無線基站；4-外接電源。

經試驗，系統可實現以井口圓心半徑1 500 m，以及井口至井底220 m范圍內的通信信號覆蓋，對講通信語音清晰連貫，無斷線掉字等情況，成功解決了井筒檢修過程中檢修人員及車房工作人員之間語音通信的問題。

4.3 巷道中的設備布置

在2 000 m的皮帶巷中每幾百米布置1個無線基站，每個基站配置1個定向天線和1個全向天線，天線垂直于巷道長度方向布置，每個檢修人員持1部對講機。布置示意圖如圖6所示。

經試驗，該系統能實現對2 000 m皮帶巷的全范圍通信信號覆蓋，對講通信語音清晰連貫，無斷線掉字,從而方便了帶式輸送機的檢修作業。

圖6 皮帶巷系統布置示意圖

5 結論

1)項目采用dPMR數字式、低功耗、快速組網等特點的語音通信技術，實現在臨時區域、環境復雜區域及救援通道區域內的通信。以低數據帶寬的dPMR無線通信技術，采用雙收發模塊基站，半雙工對講手持設備的系統方案。

2)基站的設計輕巧簡捷，便于安裝和拆卸，防水防塵等性能優越，適合煤礦生產各種復雜的情況。系統采用全數字設計，性能可靠穩定性高，傳輸速度快，且采用了多重抗干擾設計，抗干擾能力強，適應工作面通信、井筒檢修、井下巷道皮帶檢修等一系列工作。

3)如遇突發情況，該系統可在險情發生的第一時間，在救援通道上快速靈活地組建無線網絡，提供穩定可靠的通信，提高救援效率，能夠滿足生產、救援指揮的需要，必將成為礦井日常生產和應急備用不可缺少的系統，具有廣闊的應用前景，良好的經濟效益和社會效益。