主頁（http://www.130131.com）：孫繼平:現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng)

    摘要：提出了由礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)和礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等組成的煤礦井下通信技術(shù)體系。提出礦用調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。提出全礦井移動通信系統(tǒng)宜采用WiFi、3G、4G等通信技術(shù)。提出礦井廣播通信系統(tǒng)既可采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)遠程供電廣播技術(shù)，也可采用基于以太環(huán)網(wǎng)和無源光網(wǎng)絡(luò)的IP通信技術(shù)。提出礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)應(yīng)采用無線多媒體通信技術(shù)，宜采用WiFi和MESH等通信技術(shù)。提出礦井移動通信系統(tǒng)應(yīng)滿足手機脫網(wǎng)通信、基站脫網(wǎng)通信、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺等要求。指出在手機脫網(wǎng)通信、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、礦用無線攝像機、基站脫網(wǎng)通信、多功能礦井移動通信系統(tǒng)、礦井無線寬帶傳輸?shù)确矫妫琖iFi優(yōu)于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。提出多功能礦井移動通信系統(tǒng)和礦井無線寬帶傳輸宜采用WiFi。
    0  引言
    現(xiàn)代化煤礦的發(fā)展方向是機械化、信息化和自動化，其實現(xiàn)目標(biāo)：（1）供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守，地面遠程控制；（2）綜采、綜放等采煤工作面少人作業(yè)，地面遠程控制；（3）減少煤礦井下作業(yè)人員，實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)。要實現(xiàn)以上目標(biāo)，不但需要具有地面遠程控制功能的礦井監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，還需要及時可靠的礦井通信系統(tǒng)。
    1  煤礦井下通信技術(shù)體系
    礦井通信系統(tǒng)是煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一，在煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度、安全避險和應(yīng)急救援中發(fā)揮著重要作用。礦井通信系統(tǒng)包括礦用調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)、礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等。
    1.1  礦用調(diào)度通信系統(tǒng)
    礦用調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)中的本質(zhì)安全型防爆電話，通過多芯礦用通信電纜中的2芯，經(jīng)安全柵與地面調(diào)度交換機相連，不需要井下供電。瓦斯超限斷電或事故停電均不會影響系統(tǒng)正常工作。當(dāng)井下發(fā)生事故時，只要電話不壞，電纜不斷，系統(tǒng)即可正常工作。因此，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)是煤礦井下最可靠的通信系統(tǒng)，在生產(chǎn)調(diào)度、緊急避險和應(yīng)急救援工作中發(fā)揮著重要作用。
    由于礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)中的本質(zhì)安全型防爆電話是有線固定電話，存在著使用不方便、不能滿足煤礦井下移動工作的需求等問題。采煤工作面和掘進工作面等區(qū)域的作業(yè)人員要向調(diào)度室匯報情況，需行走較遠的距離，到裝有本質(zhì)安全型防爆電話的地點。調(diào)度室人員要與井下作業(yè)人員通信，需由本質(zhì)安全型防爆電話附近的人員轉(zhuǎn)告或呼叫。如果本質(zhì)安全型防爆電話附近無人，將無法實現(xiàn)通話。特別是，當(dāng)發(fā)生事故時，地面調(diào)度室人員不能及時通知井下作業(yè)人員，井下作業(yè)人員也不能將險情及時向調(diào)度室人員報告。
    礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的交換設(shè)備宜選用程控數(shù)字交換機、IP網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等，嚴(yán)禁采用礦用IP電話通信系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。這是因為礦用IP電話通信系統(tǒng)中的礦用本質(zhì)安全型防爆IP電話和礦用防爆交換機設(shè)置在井下，均需井下供電；當(dāng)井下發(fā)生瓦斯超限停電或故障停電等時，會影響系統(tǒng)正常工作。礦用IP電話通信系統(tǒng)的可靠性遠不如不需井下供電的礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。
    1.2  礦井移動通信系統(tǒng)
    礦井移動通信系統(tǒng)具有通信及時、便捷的優(yōu)點，提高了井下流動人員通信的及時性，為及時下達調(diào)度指令、溝通生產(chǎn)信息、通報安全隱患、事故撤人和救援提供了通信手段，促進了煤礦安全生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。但由于礦井移動通信系統(tǒng)的基站等設(shè)備需井下供電，瓦斯超限斷電或事故停電會影響系統(tǒng)正常工作。雖然基站配有不小于2 h的備用電源，但其可靠性遠不如不需井下供電的礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。因此，礦井移動通信系統(tǒng)是礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的重要補充，但決不允許用礦井移動通信系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。
    礦井移動通信系統(tǒng)分為全礦井移動通信系統(tǒng)和局部移動通信系統(tǒng)。全礦井移動通信系統(tǒng)可以覆蓋煤礦井下巷道、硐室和采掘工作面等作業(yè)地點,宜采用WiFi、3G、4G等通信技術(shù)。
    礦井局部移動通信系統(tǒng)主要用于未裝備全礦井移動通信系統(tǒng)的煤礦，實現(xiàn)電機車調(diào)度通信等，與全礦井移動通信系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)投入較少。礦井局部移動通信系統(tǒng)宜采用WiFi通信技術(shù)，也可采用漏泄通信等技術(shù)。
    1.3  礦井廣播通信系統(tǒng)
    礦井廣播通信系統(tǒng)能及時將調(diào)度指令、撤人信息等通過防爆喇叭和顯示屏通知井下作業(yè)人員，是煤礦井下緊急避險的重要工具之一。但由于礦井廣播通信系統(tǒng)的防爆喇叭等設(shè)備需井下供電，瓦斯超限斷電或事故停電會影響系統(tǒng)正常工作。雖然井下配有不小于2 h的備用電源，但其可靠性遠不如不需煤礦井下供電的礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。因此，礦井廣播通信系統(tǒng)是礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的重要補充，但決不允許用礦井廣播通信系統(tǒng)替代礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)。
    礦井廣播通信系統(tǒng)除應(yīng)具有語音廣播和顯示功能外，還宜具有井下緊急呼叫地面、雙向語音通信等功能。廣播通信系統(tǒng)除作為事故撤人和報警通信外，在正常生產(chǎn)時，還可作為生產(chǎn)調(diào)度廣播通信。這樣既提高了設(shè)備利用率，又保證應(yīng)急通信時設(shè)備完好，做到“平戰(zhàn)結(jié)合”。
    礦井廣播通信系統(tǒng)既可采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)遠程供電廣播技術(shù)、也可采用基于以太環(huán)網(wǎng)和無源光網(wǎng)絡(luò)的IP通信技術(shù)。
    1.4  礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)
    礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)主要由礦山救護隊配備，用于救護隊員與井下救援基地和地面救援指揮中心通信聯(lián)絡(luò)。礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)除應(yīng)具有語音通信功能外，還宜具有圖像監(jiān)視功能，CH4、CO、O2、溫度等環(huán)境監(jiān)測功能，救護隊員心跳、體溫、姿態(tài)等監(jiān)測功能。
    礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)分有線系統(tǒng)和無線系統(tǒng)。礦井有線救災(zāi)通信系統(tǒng)將通信電纜兼做探險繩。礦井無線救災(zāi)通信系統(tǒng)又分為語音救災(zāi)通信系統(tǒng)和多媒體救災(zāi)通信系統(tǒng)。早期的礦井無線救災(zāi)語音通信系統(tǒng)主要采用感應(yīng)通信等技術(shù),新近研制成功的多媒體礦井無線救災(zāi)通信系統(tǒng)主要采用WiFi和MESH等通信技術(shù)。
    為滿足煤礦井下應(yīng)急救援對圖像監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、語音通信的需求和方便快捷的要求，礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)應(yīng)是多媒體無線通信系統(tǒng)，宜采用WiFi和MESH等通信技術(shù)。
    1.5  礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)
    礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)主要用于事故報警、人員撤離、被困人員通信聯(lián)絡(luò)、搶險救災(zāi)、臨時施工等。礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)除上述用于搶險救災(zāi)的礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)、用于事故報警和人員撤離的礦井廣播通信系統(tǒng)外，還有用于被困人員通信聯(lián)絡(luò)和臨時施工的通信系統(tǒng)等。
    1.5.1  用于被困人員的礦井通信系統(tǒng)
    煤礦井下發(fā)生的瓦斯爆炸等事故會造成線纜斷纜、設(shè)備損毀、供電中斷等，因此，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)和礦井廣播通信系統(tǒng)均難以保障事故被困人員的通信聯(lián)絡(luò)。參考文獻[1]提出電纜埋入的方法，以減少瓦斯爆炸等事故對通信系統(tǒng)的影響，但這只適用于礦壓和底鼓不嚴(yán)重的礦井。MESH技術(shù)可以根據(jù)正常工作的節(jié)點自組織網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)節(jié)點被瓦斯爆炸等事故連片摧毀時，也不能保障被困人員的通信。
    透地通信系統(tǒng)具有受瓦斯爆炸等事故影響小等優(yōu)點，但其傳輸帶寬窄，只能傳輸短信和指令，不能傳輸語音和圖像，常用于地面向井下單向通信。用于被困人員通信聯(lián)絡(luò)的通信系統(tǒng)，不但要指揮被困人員緊急避險（即地面向井下通信），還要了解被困人員位置、人數(shù)、現(xiàn)狀和需求等信息（即井下向地面通信）。因此，需要在煤礦井下避難硐室內(nèi)設(shè)置發(fā)射機和天線，實現(xiàn)避難硐室內(nèi)雙向透地通信，這對于開采深度較深的礦井是比較困難的。
    適宜地面鉆孔的避難硐室，應(yīng)優(yōu)選地面鉆孔，通過在鉆孔內(nèi)敷設(shè)通信、監(jiān)測、供風(fēng)和供水管線，實現(xiàn)被困人員與地面的雙向通信等。礦壓和底鼓不嚴(yán)重的礦井，可采用通信、監(jiān)測、供風(fēng)和供水管線埋入的方法，減少瓦斯爆炸等事故對通信等系統(tǒng)的影響。
    1.5.2  用于臨時施工的礦井通信系統(tǒng)
    為提高工作效率，保障安全生產(chǎn)，煤礦井下臨時施工需要布設(shè)方便快捷、使用方便的通信系統(tǒng)。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)和礦井移動通信系統(tǒng)故障期間，也需要布設(shè)方便快捷、使用方便的通信系統(tǒng)。因此，用于煤礦井下臨時施工等的通信系統(tǒng)宜采用WiFi和MESH技術(shù)或WiFi技術(shù)。
    1.6  礦井通信系統(tǒng)技術(shù)體系
    通過上面分析，不難看出，礦井通信系統(tǒng)應(yīng)由礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)和礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等組成。充分發(fā)揮礦井有線調(diào)度通信系統(tǒng)的可靠性、礦井移動通信系統(tǒng)的實時性、礦井廣播通信系統(tǒng)的及時性、礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)的便捷性等優(yōu)點，共同滿足煤礦安全生產(chǎn)和應(yīng)急救援對礦井通信系統(tǒng)的需求。
    救災(zāi)通信系統(tǒng)由礦山救護隊配備，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)由煤礦企業(yè)裝備。用于臨時施工的通信系統(tǒng)不需要單獨設(shè)置，既可以采用具有手機和基站脫網(wǎng)通信功能的礦井移動通信系統(tǒng)，也可以采用具有無線自組織網(wǎng)絡(luò)及手機和基站脫網(wǎng)通信功能的礦井移動通信系統(tǒng)，還可以采用基于WiFi和MESH的多媒體礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)。
    當(dāng)然，隨著礦井通信技術(shù)的發(fā)展，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)將會融合為全礦井綜合通信系統(tǒng)，并進一步融合為全礦井綜合監(jiān)控、監(jiān)視與通信系統(tǒng)，以便于用戶裝備、使用與維護。
    2  礦井移動通信特殊要求
    煤礦瓦斯、水、火、頂板等事故威脅著煤礦安全生產(chǎn)，也影響著礦井移動系統(tǒng)的正常工作。因此，礦井移動通信系統(tǒng)不但要考慮煤礦井下無線傳輸?shù)奶攸c，還要考慮瓦斯爆炸等事故對系統(tǒng)的影響。這就要求礦井移動通信系統(tǒng)具有手機脫網(wǎng)通信功能、基站脫網(wǎng)通信功能、可接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺、便于無線自組織網(wǎng)絡(luò)等。
    2.1  手機脫網(wǎng)通信 
    瓦斯爆炸等事故會造成光纜和電纜斷纜、設(shè)備損毀、供電中斷等，使礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)無法正常工作。如果礦井移動通信系統(tǒng)的手機具有脫網(wǎng)通信功能，在手機無線覆蓋范圍內(nèi)，就能滿足被困人員與救援人員、被困人員與被困人員之間的通信聯(lián)絡(luò)；還可用于災(zāi)后遇險人員搜救和煤礦井下臨時施工通信。
    基于WiFi的礦井移動通信系統(tǒng)較易實現(xiàn)手機脫網(wǎng)通信功能，而基于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的礦井移動通信系統(tǒng)則難以實現(xiàn)手機脫網(wǎng)通信功能。
    2.2  接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺
    煤礦井下工作面至地面距離長達10余千米，但煤礦井下無線傳輸衰減大，一般無中繼無線傳輸距離為數(shù)百米。因此，煤礦井下遠距離寬帶傳輸應(yīng)采用光纜等有線傳輸，宜采用基于TCP/IP協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)或無源光網(wǎng)絡(luò)。
    WiFi采用TCP/IP協(xié)議，因此，接入基于TCP/IP協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)或無源光網(wǎng)絡(luò)十分方便，但WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA接入基于TCP/IP協(xié)議的以太環(huán)網(wǎng)或無源光網(wǎng)絡(luò)需進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。
    2.3  無線自組織網(wǎng)絡(luò)
    煤礦井下無線傳輸衰減大。為延長煤礦井下無線通信距離，需無線中繼。為減少無線中繼器因瓦斯超限停電、故障和損壞對系統(tǒng)的影響，宜采用MESH技術(shù)實現(xiàn)剩余的正常工作的中繼節(jié)點的自動重組。
    在WiFi礦井移動通信系統(tǒng)中，采用MESH技術(shù)十分方便。但在WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 礦井移動通信系統(tǒng)中，采用MESH技術(shù)卻異常困難。
    2.4  礦用無線攝像機
    現(xiàn)代化煤礦要實現(xiàn)：供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守，地面遠程控制；綜采、綜放等采煤工作面少人作業(yè)，地面遠程控制等。要實現(xiàn)以上目標(biāo)，不但需要具有地面遠程控制功能的礦井監(jiān)控系統(tǒng)和礦井通信系統(tǒng)，還需要視頻監(jiān)視系統(tǒng)，其中無線攝像機是必不可少的。
    為提高性價比，礦用無線攝像機宜采用WiFi技術(shù)。
    2.5  基站脫網(wǎng)通信
    為減少瓦斯爆炸等事故的影響，礦井移動通信系統(tǒng)宜具有基站脫網(wǎng)通信功能。具有基站脫網(wǎng)通信功能的系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生斷纜等故障時，沒有損壞的基站，在其備用電源有電的時間內(nèi)，可提供基站無線覆蓋范圍內(nèi)的手機通信。
    基于WiFi的礦井移動通信系統(tǒng)較易實現(xiàn)基站脫網(wǎng)通信功能，而基于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的礦井移動通信系統(tǒng)要實現(xiàn)基站脫網(wǎng)通信功能，需在基站中增加軟交換功能。
    2.6  多功能礦井移動通信系統(tǒng)
    WiFi手機和基站均具有脫網(wǎng)通信功能，WiFi技術(shù)便于通過無線中繼提高傳輸距離。因此，WiFi除可用于全礦井移動通信系統(tǒng)外，還可用于多媒體礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)、臨時施工通信和局部通信等。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA可用于礦井移動通信系統(tǒng)，但不宜用于多媒體礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)、臨時施工通信和局部通信等。因此，多功能礦井移動通信系統(tǒng)宜采用WiFi。
    2.7  礦井無線寬帶傳輸
    WiFi傳輸速率達54 Mbit/s或更高,無線傳輸距離達300 m；具有傳輸帶寬寬、便于接入有線寬帶網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備體積小、發(fā)射功率小等優(yōu)點，可滿足監(jiān)控數(shù)據(jù)、語音和圖像等多種信息實時傳輸?shù)囊�求。在�?dāng)今技術(shù)條件下，建設(shè)煤礦井下一體化無線寬帶傳輸平臺宜采用WiFi。 
    WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等第3代移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為2 Mbit/s(室內(nèi))、384 kbit/s（室外）和144 kbit/s（行車），能夠同時傳輸聲音和數(shù)據(jù)。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA是3個不同的標(biāo)準(zhǔn)，并存在著難以實現(xiàn)手機脫網(wǎng)通信、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺需進行協(xié)議轉(zhuǎn)換、采用MESH技術(shù)困難、傳輸帶寬較窄等問題。因此，不宜用作礦井無線寬帶傳輸技術(shù)。
    2.8  越區(qū)切換
    煤礦井下由斜井（或立井、平硐）、大巷、上下山、順槽、工作面等多個巷道構(gòu)成，工作面至地面距離可達10余千米。煤礦井下無線傳輸距離近，一般為數(shù)百米。因此，全礦井移動通信需在煤礦井下布置大量的基站。手機等移動終端在井下移動通信，有時需跨越基站的無線覆蓋區(qū)域。要保證手機等移動終端跨越基站無線覆蓋區(qū)域時，仍能正常通信，這就需要越區(qū)切換技術(shù)。
    WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是移動通信技術(shù)，因此具有良好的越區(qū)切換性能。
    WiFi是無線接入技術(shù)，因此越區(qū)性能不如WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。但煤礦井下人員移動速度較慢，即使乘坐膠輪車、人車、電機車、乘人膠帶等運輸工具，其移動速度也遠不及地面高速公路上的小汽車的移動速度。因此，WiFi礦井移動通信系統(tǒng)越區(qū)性能差的問題，并不影響WiFi礦井移動通信系統(tǒng)在煤礦井下使用，這已被大量的現(xiàn)場使用所證明。
    3  結(jié)語
    現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)迫切需要可靠、及時和便捷的礦井通信系統(tǒng)。礦井通信系統(tǒng)應(yīng)由礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井移動通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)和礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等組成。WiFi在手機脫網(wǎng)通信、接入煤礦井下有線寬帶傳輸平臺、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、礦用無線攝像機、基站脫網(wǎng)通信、多功能礦井移動通信系統(tǒng)、礦井無線寬帶傳輸?shù)确矫�，�?yōu)于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。因此，多功能礦井移動通信系統(tǒng)和全礦井綜合監(jiān)控、通信和監(jiān)視系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)宜選用WiFi。

    本文全文發(fā)表在《工礦自動化》2013年第3期[孫繼平.現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng).工礦自動化，2013,39（3）：1-5]