無線以太網技術在煤礦通信系統中的應用

張正旭

（西山煤電集團公司西銘礦，山西 太原 030053）

0 引 言

煤炭是一種重要能源，被譽為“工業的食糧”，在推動工業化建設和促進經濟發展等方面做出了巨大貢獻。煤炭開采過程中，一個采煤工作區的作業完成后，除永久性大巷外，要將電力、運輸、通信、支護、采掘、通風排水以及監測監控等設備搬遷到下一工作區。井下巷道掘進過程中，伴隨著掘進的進度，大量設備也要隨時搬遷，因此對煤礦井下通信系統有著較高的要求。

1 無線以太網技術

以太網技術（Ethernet Technology）是一種技術規范，以太網主要是應用載波監聽多路訪問/沖突檢測技術（CSMA/CD），可以在多種不同類型的電纜上以10 Mb/s的速率運行。無線以太網是在以太網的基礎上發展起來的，起源于1971年，具有以太網的優勢且無需電纜。無線以太網由IEEE 802.11協議進行規范，協議的主要組成部分有802.11a、802.11b、802.11g以及802.11n等。無線以太網工作頻段為2 400 MHz和5 800 MHz，是兩個開放的ISM頻段。相關技術包括直序列擴頻技術、正交頻分復用技術以及智能天線與頻道聚合技術。作為有線以太網的無線擴展，無線以太網有著諸多優勢，包括高帶寬、低成本、小型靈活、協議標準化好以及抗干擾性能優越等。不同協議下，無線以太網的傳輸吞吐率也不相同，使用802.11b可達到5 Mb/s，802.11g可達到20 Mb/s，802.11n可達到250 Mb/s，使得無線以太網能夠承載視頻、語音以及數據等業務的傳輸。

現階段，無線以太網已經得到廣泛應用。從各種移動終端設備如手機、個人電腦以及PDA等，到家庭內部無線網絡和企業無線網絡，從教育、醫療、電力以及石油等領域到中國移動、中國聯通以及中國電信等運營商無線以太網的接入服務，均體現了無線以太網的應用。

2 常用的煤礦井下無線通信系統

現如今，我國煤礦井下通信系統依然以有線通信為主。煤礦井下的工業電視系統、監測監控系統、工業控制系統以及人員定位系統等，應用的均是通信電纜或光纜等有線傳輸方式，只有語音通信等幾個領域采用無線通信，說明無線通信系統在煤礦井下尚未得到普遍應用。

我國煤礦井下無線通信主要包括漏泄通信系統、感應通信系統、透地通信系統、小靈通（PHS）通信系統以及大靈通（CDMA）通信系統。其中，漏泄通信系統、感應通信系統以及透地通信系統存在諸多不足，其可靠性較差，容易受到電磁干擾，且信道容量相對較小，應用范圍嚴重受限；礦用小靈通無線通信系統是在PHS系統這一無線系統基礎上產生的，可為地面和煤礦井下提供無線語音業務；礦用大靈通無線通信系統是與小靈通無線通信系統相對比而產生的，以CDMA 2000技術為基礎，工作頻率為450 MHz。大靈通無線通信系統克服了小靈通無線通信系統的一些劣勢，有著優越的抗干擾性能和較好的移動性，且通話清晰，信號穩定，支持無線高速分組數據業務。但是，大靈通無線通信系統的抗災變能力和協議標準化較差且功能單一。

此外，研究煤礦井下無線通信系統時，頻率也是一個不可忽視的因素。相關研究發現，井下巷道中，無線電波有其獨特的頻率和衰減特性，如圖1所示。從圖1可以看出，煤礦井下巷道中，無線電波的傳輸頻率在0～800 MHz時，衰減非常大。伴隨著頻率的上升，傾斜損耗不斷加大，但因巷道壁粗糙造成的損耗不斷減少，在1 000～3 000 MHz總損耗緩慢上升。

圖1 井下巷道中無線電波的頻率、衰減特性

3 煤礦通信系統中無線以太網技術的有效應用策略

3.1 應急通信系統

基于生產環境的特殊性，煤礦生產過程中的危險系數相對較高，井下災害或緊急情況的發生率較大。穩定暢通的通信是災害或緊急情況發生時最基礎的救援保障，因此煤礦井下生產過程中應急通信系統是煤礦通信系統中必不可少的重要組成部分，與煤礦的生產安全存在密切關聯。現階段，煤礦應急通信系統應用的技術主要是有線通信技術和大靈通無線通信系統等，往往依賴地面的局端交換設備。在遭遇嚴重災害或緊急情況時，煤礦井下電路往往會斷開，相關線路和井下設備出現破壞，導致井下與地面的局端設備失聯，使得整個通信系統癱瘓而無法保障應急救援工作的順利展開。

為避免上述問題，使煤礦井下可以與地面保持實時通信，需要在應急通信系統中有效應用無線以太網，確保系統的穩定性。通過應用VoIP技術，即使應急通信系統中的手機和基站脫網也可以進行通信。也就是說，即便與地面局端設備失去聯系，系統內部間依然可以保持通信。煤礦生產過程中遭遇突發情況導致各種終端設備損壞時，應急通信系統依然可以保持實時通信，為救援工作的開展提供良好的支持，確保救援工作順利開展。此外，在應急通信系統中有效應用無線以太網技術，賦予其環網冗余功能，即使應急通信系統中的單點、單邊線纜或設備發生損壞，應急通信系統也可以正常運行，發揮良好的應急通信作用。

3.2 人員定位系統

煤礦人員定位系統中通常采用RFID技術，以準確定位人員。但是，RFID技術依賴于獨立的系統與網絡。伴隨著無線以太網技術的迅速發展，它的定位技術不斷完善，已在海關、酒店以及醫院等領域得到了應用。在煤礦人員定位系統中，有效應用無線以太網的優勢在于：協議標準化，能與視頻、語音以及數據等業務共同使用一個無線以太網平臺，不需要建立獨立的系統與網絡；定位精度高，可以準確測量和計算場強與信噪比，定位精度遠遠超過傳統的RFID技術。

3.3 移動通信系統

借助無線以太網實現煤礦話音的移動通信從2007年開始出現。現階段，我國應用VoIP技術機制建設了數十套系統。伴隨著無線以太網中VoIP技術的進步和VoWLAN的發展，以往限制無線以太網語音通信的無縫漫游和通話質量等問題已經逐步解決。現階段的融合調度通信技術實現了生產與行政一體化和有線與無線一體化的調度通信功能。煤礦移動通信系統如圖2所示。

3.4 煤礦自動化系統

近年來，自動化技術在煤礦中得到了廣泛應用。自動化技術的有效應用有利于節約人力、物力。在煤礦開采作業中有效應用自動化技術可以減少勞動強度和人工勞動量，還可以確保煤礦開采安全并提高煤礦開采效率。伴隨著煤礦中綜合自動化技術的應用，煤礦各監控子系統和生產子系統的復雜化與自動化程度得到了明顯提升。子系統的種類和數量越來越多，接入傳輸方式的弊端與不足也逐漸暴露。目前，接入傳輸方式的網絡拓撲結構主要為“鏈型”和“星型”，采用有線的傳輸方式接入，缺乏鏈路冗余，易“一碰就斷”，且受到現場環境和位置等因素的干擾，需架設線纜，無法靈活移動。

圖2 煤礦移動通信系統

在煤礦自動化系統中有效應用無線以太網，即使用無線自動化接入適配設備，子系統和被控設備可提供總線通信、串行通信以及以太網等多種接口，對網絡側可應用無線以太網接入井下工作以太環網。采取這樣的方式能實現無線接入，擺脫線纜對設備和子系統接入的束縛，更加便捷，同時可以建立無線Mesh或“無線+有線”的多鏈路冗余傳輸機制，大幅度提升自動化系統的可靠性。

3.5 風險監測系統

安全是第一要義。煤礦生產過程中，必須保障生產安全。煤礦生產環境相對復雜，安全風險較多，有必要全面檢測煤礦的潛在風險，預防安全事故的發生。煤礦井下監測系統中，設置了大量一氧化碳傳感器探頭、粉塵傳感器探頭以及瓦斯傳感器探頭等，用來檢測有害物質的濃度。若被檢測物質的濃度超標，這些傳感器探頭便會發出報警信號。現階段，這些傳感器探頭主要是以有線傳輸方式與監測分站連接，在斷電或發生意外情況時會喪失報警功能。將無線以太網應用于風險監測系統，也就是將無線以太網傳輸模塊安裝在一氧化碳傳感器探頭、粉塵傳感器探頭以及瓦斯傳感器探頭上，實現各種傳感器的無線接入，便于傳感器的井下部署。煤礦井下生產過程中，瓦斯泄露是一個常見的問題。瓦斯濃度超過一定范圍，便會導致瓦斯爆炸。煤礦井下生產中，為有效檢測瓦斯濃度，通常應用手持式瓦斯檢測儀。該設備具有便于攜帶和移動性較好的優勢，但數據獨立，無法及時上傳并共享。此時，可以將無線以太網傳輸模塊安裝在手持瓦斯檢測儀上，實現手持瓦斯檢測儀聯網，使其可以及時上傳數據，實現數據共享。

4 結 論

綜上所述，無線以太網技術有著諸多優勢，在煤礦通信系統中實現對無線以太網技術的有效應用，是保障煤礦生產安全的必然要求。將無線以太網應用于應急通信系統、人員定位系統、移動通信系統、自動化系統以及風險監測系統中，可有效提升煤礦生產的效率和安全性。