煤礦井下通信一體化系統設計

王建宇

（中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧省撫順市 113122）

隨著我國煤礦企業的發展，煤炭開采強度也在不斷加大。因此，煤炭生產安全問題日益凸顯，成為一個更加令人擔憂的問題。當下，許多煤礦在實際的日常經營管理過程中存在許多突出的問題。如井下應急信息救援通信手段不完善、落后，系統設計技術的落后和應急設備資源配置的不完善等，直接導致了煤炭開采重大事故的發生。在發生危急情況時，地下通信不暢，它將嚴重影響應急管理工作的順利開展，危及許多礦工的人身安全和財產安全，不利于社會的健康發展煤炭開采。近年來，我國無線電通信技術也發展迅速，一系列無線電通信技術在我國現場開發中得到了多種應用，并取得了巨大成功完成。在根據地下礦山信息通信應用場景的實際應用情況，結合實際應用需求作出貢獻；井下應急信息通信選擇無線網絡通信作為技術突破口看。廣泛的無線網絡通信技術被引入地下，在無線通信網絡的基礎上，開發煤礦應急通信系統。

1 井下通信技術

1.1 井下通信技術現狀

煤礦井下通信，是一項非常重要的技術，不僅關乎著煤礦企業的發展，還會危及到礦工的人身以及財產安全。井下通信技術可以作為礦井應急中心與井下的重要救援力量、應急服務運行中心之間的一條臨時應急通信線路，在礦難突然發生時發揮作用，避免二次停電，防止造成更大的經濟損失和人身損害。事故發生后井下供能系統將自動為礦井停止供電，直接導致井下應急通信控制系統不能全面實施井下救援作業。

1.2 數字一體化系統的組成及特點

（1）系統采用現代光纖網絡無線傳輸將井下新井井層通信管理系統直接融入井下主井通信系統，合成網絡建立井下井層通信系統一體化管理系統，實現統一通信管理、調度和統一維護。

（2）本監控系統主要具有以下主要特點：①n+1 備份；②有線網絡調度控制系統；③無線調度控制系統；④支持移動設備應用；⑤應急事件處理控制系統。

2 關鍵技術

針對煤礦礦區現有的礦井語音、無線、廣播綜合通信信息技術系統基礎，結合新技術方法對該煤礦井廣播通信信息一體化技術系統方案進行深入研究創新設計。

（1）交換網絡技術系統設計礦井通信網絡系統核心軟件服務器系統安裝的軟件是一套具有完全自主知識產權的礦井指揮系統調

度通信軟件，在所有工作階段系統使用的是sip 通信協議，采用多種voip 通信手段和礦井軟交換系統技術，以礦井軟交換系統技術設計為基礎核心設計建造一套礦井指揮通信系統一體化網絡系統，這樣既能有效處理s 和ip 間的通信，還能充分發揮和我國傳統礦井通信網絡交換機相同的交換功能，很好地實現合并了系統分組及集成電路的軟交換，任意模塊組網都能不受系統區域空間限制并大大節約系統投入時間成本。

（2）采用人工智能控制系統去進行管理控制。傳統的虛擬服務管理系統一般都是采用1 臺多個虛擬主機同時需要提供一個虛擬服務系統數據端口給多臺主機用戶，當服務系統一旦發生虛擬主機出現故障時，數據就很有可能會自動丟失遭到嚴重破損毀壞。

（3）井下指揮通信系統一體化程控平臺項目設計過程基于煤礦生產應用的井下通信系統一體化，井下指揮自動調度程控平臺將無線、程控電話和電視廣播指揮調度系統集于三個一體，在一個程控平臺上可以實現日常煤礦生產的井下指揮自動調度，這樣也就能更有效地大大提高指揮調度的工作靈活性和操作科學性。該應急指揮綜合調度通信系統主要是基于分布式指揮綜合監控，應急指揮通信系統，指揮綜合調度系統，業務管理系統，采用vc++編程語言進行編程集成軟件，模塊化程序設計模塊進行系統分層架構設計；應用程序運行應用基于c/s 語言模式，雙平臺服務器多功能指揮臺相互運行，具有多方指揮聯動、資源共享、集中管理、統一指揮、應用領域范圍跨度大和系統穩定性強等強大功能。

（4）中繼器系統設計移動通信語音廣播系統的一個關鍵部分是由于中繼器的廣泛應用，將多種語言編程進行中的數字化編程模擬、語音廣播數據包的轉發及基于語音數據包的編解碼錯誤恢復等作為迷你版的語音廣播信號都非常離不開這個中繼器。

3 井下通信系統方案設計

3.1 井下應急控制技術、井下應急自動化通信系統與其他地面應急通信系統有明顯的技術區別

由于井下信號的影響，無線井下線路的信號傳輸和使用環境與無線底層有很大的不同。無線波長信號在軌道上旋轉時的徑向傳播不在空間中自由，這將增加鐵路波的反射和折射以及多波長波的閃爍，這也將對無線電信號的反射強度產生重大影響。

特殊的應用環境和井下應急通信系統的現狀對系統提出了更高的要求繼續。對應我們分析了一個可靠的地下應急通信系統必須具備以下特點的實際需求：

圖1：MR 整體架構圖

（1）無線通信系統的載波頻率不宜過低到期礦井特殊的信道環境，使得無線通信系統在發射和接收信號時，載波頻率過低，必須依靠工作在狹窄地下空間的感應線。

（2）由于多單跳電路結構和自動組織結構的特點，地下信息空間中存在大量的外電躍遷和信號頻率被外力阻斷的概率，因此，無線電和應急地下通信系統通常需要設計和形成幾個單跳交換結構，可以直接使用負載傳輸的射頻傳輸，提高井下信號頻率，了解井下點對點遇險信號的質量同時它的設計必須具有自組織特性，能夠形成一個簡單的網絡，便于地下搬遷。

（3）設備能耗低，體積小，救援設備不必在狹窄的地下儲存空間內使用，體積不能太大，必須便于攜帶是的。然后呢電池消耗低，可以解決電池供電慢的問題，能在礦井里工作很長時間。

3.2 井下應急通信系統架構

根據上述井下礦山應急移動網絡的具體要求，可以明確給出基于無線網絡通信網絡的井下礦山應急移動網絡系統及其整體網絡架構。

3.3 設備選擇

在設計功能方面，主要負責模擬信號的高頻傳輸和信號增強因為這個原因設計硬件主要由微機控制器、存儲卡組件、無線通信接口模塊、電源模塊等外圍集成電路模塊。

無線通信模塊主要完成無線數據連接、無線接收和數據傳輸等重要任務責任。無線通信控制芯片，主要工作在MHz 和ISM 頻段，集成了完整的無線數據傳輸協議，只要您需要一個簡單的外設控制開關，就可以正常使用。

3.4 硬件架構設計

在選擇了相關組件后，對系統硬件和系統總體架構進行了優化設計，確定了MR 的總體結構優化。從圖1 我們可以清楚地看到設計，mcue 是整個通信模塊的數據核心，通過數據總線和無線通信接收機，mcue 可以實現模塊間的通信、數據傳輸和命令執行。MC的系統架構與上一代非常相似，但在此基礎上又增加了無線語音直呼等功能，使兩者在整個系統架構中幾乎互為利用。

3.5 接口電路設計

（1）SDRAM 作為操作系統中的一種存儲總線，工作頻率與數據總線相同，它可以很容易地實現數據的快速刪除，但同時它必須不斷地自我更新以保持數據流的有效性。

（2）在本應用設備的交流電路設計中，無線通信網卡的網絡供電一般要求5V 交流電源。為滿足統一整流電壓的處理要求，采用5V 整流電源，為統一系統電壓供電只要采用兩片maas2815ar 芯片進行統一電壓處理，得到3.3V 統一電壓；采用max8860 芯片進行統一電壓處理，得到1.3V 統一電壓。

4 系統實施及效果

新的移動通信網絡一體化系統完成運行前期調試以來，系統基本運行穩定、應用學習效果良好?，F場實際應用得到效果事實證明，新的井下通信系統一體化指揮系統設備性能可靠、軟硬件功能匹配度高、操作系統方便，能及時準確全面地為礦井用戶及時更新工作狀態，使井下調度系統指揮工作人員可以不受特定時間段或地域因素影響，隨時隨地了解井下礦井的無線、有線廣播調度指揮系統，語音及數字視頻廣播調度指揮系統，井下電視廣播系統等以及用戶的實際工作運行狀態，很好地充分滿足了以下現場應用要求：

（1）若與有線通信網絡傳輸距離超過10km，無線通信傳輸網絡覆蓋范圍可直接覆蓋無線半徑300m 的主要區域。

（2）主要功能工作原理設備系統能夠自動實現使用ha 機對系統進行主從及數據備份，主機發生故障，從機可自動接替系統工作，不會故障造成主機數據安全丟失。

（3）極大地增加了系統容量，實現所有設備可任意組網。

（4）電源中繼器采用全雙工、4 接口、電纜雙線傳輸，超過4km。

5 結語

煤礦安全通信技術是直接影響煤礦安全的基本技術要素，關乎著我國煤礦安全井下工業的穩定發展。井下應急救援的主要通信手段之一，應使煤礦井下應急信息系統不斷地進行更新。本文根據煤礦應急網絡通信的實際應用要求，介紹了無線網絡應急通信系統，成功應用于井下設計。提出了一種基于無線網絡通信網絡的煤礦井下應急信息系統，給出了系統的完整技術設計和相關硬件系統設計細節。救援系統建設成本低、使用靈活、技術先進，這對于逐步提高井下應急救援效率至關重要。