顧 偉，王春瑞，張 鋒

(中電廣通股份有限公司， 北京 100044)

煤炭開采面臨的是移動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境，除永久性的大巷以外，在完成一個(gè)采區(qū)的采煤工作后，需要將采掘、支護(hù)、通信、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、運(yùn)輸、電力、通風(fēng)排水等大量設(shè)備搬遷至新的采煤工作區(qū)。井下巷道的掘進(jìn)，同樣面臨的是不斷移動(dòng)的工作環(huán)境，大量的設(shè)備需要跟隨掘進(jìn)的進(jìn)度隨時(shí)搬遷。減員增效是煤炭企業(yè)提升安全生產(chǎn)管理水平的一個(gè)重要目標(biāo)與手段。我國(guó)煤礦95%以上是井工開采，煤炭賦存條件差、開采深度深，井下巷道長(zhǎng)，在這種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)減員增效，對(duì)煤礦井下通信系統(tǒng)的保障提出了更高的要求。在移動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境中，在人員少、距離長(zhǎng)的井下巷道環(huán)境中，移動(dòng)通信技術(shù)以其小型化、便捷性、可移動(dòng)的技術(shù)特征，成為煤礦下一代井下通信技術(shù)的首選。

1 現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)研究

迄今為止，我國(guó)煤礦井下主要以有線通信方式為主。目前，井下的工業(yè)控制、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、工業(yè)電視、人員定位等系統(tǒng)，均采用有線方式(采用光纜或通信電纜)傳輸，而煤礦井下的無(wú)線通訊應(yīng)用目前僅限于語(yǔ)音通信，多功能的應(yīng)用尚屬空白。國(guó)內(nèi)礦井語(yǔ)音無(wú)線通信方式，主要有漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS(小靈通)通信和CDMA(大靈通)通信系統(tǒng)等。

其中，透漏泄通信、感應(yīng)通信與透地通信，由于存在信道容量小、易受電磁干擾、可靠性低等缺陷，應(yīng)用范圍受到限制。礦用小靈通技術(shù)來(lái)源于公眾移動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的PHS系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)井下及地面的無(wú)線語(yǔ)音業(yè)務(wù)功能。礦用CDMA(大靈通)通信系統(tǒng)與目前的小靈通PHS相比較而得名，大靈通工作在450MHz，基于CDMA2000技術(shù)。大靈通在某些方面克服了小靈通的一些缺點(diǎn)，具有信號(hào)穩(wěn)定、通話清晰、移動(dòng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、支持無(wú)線高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等特點(diǎn)。但是，它存在著功能單一、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化差、抗災(zāi)變能力差的缺點(diǎn)。新興的3G技術(shù)，由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜、造價(jià)高，更關(guān)鍵的是受到嚴(yán)格的頻率管制。因而，上述技術(shù)不宜作為未來(lái)多功能煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)的技術(shù)選擇。

對(duì)于井下無(wú)線通信系統(tǒng)，頻率的選擇是另一個(gè)重要的因素。根據(jù)此前的研究(孫繼平2002)，巷道中無(wú)線電波的頻率與衰減特性如圖1所示。

圖1 巷道中總衰減與工作頻率的關(guān)系

如圖1所示，在煤礦巷道中傳播頻率在800MHz以下的電磁波衰減很大，不適于使用。隨著傳輸頻率增加，傾斜損耗在增大，但由于巷道壁粗糙引起的損耗在減小，在1000～3000MHz之間，總損耗增加緩慢。

2 無(wú)線以太網(wǎng)(WLAN)技術(shù)介紹

無(wú)線以太網(wǎng)(WLAN)技術(shù)起源于1971年，由IEEE802.11協(xié)議族規(guī)范，主要包括802.11a、802.11b、802.11g以及新的802.11n等組成，工作頻段為2400MHz與5800MHz兩個(gè)開放的ISM頻段，使用的技術(shù)主要有直序列擴(kuò)頻技術(shù)(802.11b)、正交頻分復(fù)用技術(shù)(802.11g)以及智能天線與頻道聚合技術(shù)(802.11n)。無(wú)線以太網(wǎng)(WLAN)是有線以太網(wǎng)(LAN)的無(wú)線擴(kuò)展，具備協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化好、小型靈活、低成本、抗干擾性強(qiáng)、高帶寬的優(yōu)勢(shì)，其傳輸吞吐率可達(dá)：5Mbps(802.11b)、20Mbps(802.11g)、250Mbps(802.11n)，可以承載語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務(wù)的傳輸。

無(wú)線以太網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外已得到普遍的應(yīng)用：從個(gè)人電腦、手機(jī)、PDA等終端設(shè)備，到家庭及企業(yè)內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；從石油、電力、醫(yī)療、教育等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域， 到中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)等運(yùn)營(yíng)商推出的無(wú)線以太網(wǎng)接入服務(wù)；從北京、上海等地的無(wú)線城市，到智能網(wǎng)的建設(shè)；從北京奧運(yùn)會(huì)到上海世博會(huì)，均可以看到無(wú)線以太網(wǎng)的大量應(yīng)用。

3 無(wú)線以太網(wǎng)(WLAN)技術(shù)在煤礦通信中的應(yīng)用

無(wú)線以太網(wǎng)在煤礦通信領(lǐng)域的應(yīng)用可以體現(xiàn)在：移動(dòng)通信、系統(tǒng)組網(wǎng)、應(yīng)急救援通信、視頻監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位與管理等領(lǐng)域。

3.1 移動(dòng)通信

使用無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)做煤礦話音的移動(dòng)通信應(yīng)用起始于2007年，目前在國(guó)內(nèi)已建設(shè)有數(shù)十套系統(tǒng)，采用VoIP的技術(shù)體制。隨著VoIP在無(wú)線以太網(wǎng)中應(yīng)用(VoWLAN)的技術(shù)進(jìn)步，通話質(zhì)量、無(wú)縫漫游等原來(lái)困擾無(wú)線以太網(wǎng)語(yǔ)音通訊的問(wèn)題已逐步得到解決。新一代的融合調(diào)度通信技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線、有線一體化、行政、生產(chǎn)一體化的調(diào)度通信功能(圖2)。

圖2 煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

在系統(tǒng)組網(wǎng)方面，井下的通信系統(tǒng)原來(lái)以鏈型或星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇橹?，各子系統(tǒng)自成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)帶寬低、可靠性低、不具備冗災(zāi)性能。近年來(lái)，隨著工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)在煤礦的廣泛應(yīng)用，井下通信系統(tǒng)的可靠性得到了一定的改善。但現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)均采用有線傳輸?shù)姆绞?，面?duì)井下復(fù)雜、狹小且不斷移動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境，其一：環(huán)網(wǎng)均部署在環(huán)境相對(duì)較好、位置相對(duì)固定的主巷道。由于受到施工與維護(hù)難度、不斷搬遷等因素的影響，在采面等位置還不能形成環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)帶來(lái)的冗余優(yōu)勢(shì)，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)到采掘面等真正最重要、最危險(xiǎn)，也是最需要的工作地點(diǎn)。其二：移動(dòng)生產(chǎn)帶來(lái)的設(shè)備與線纜的搬遷工作量大，設(shè)備、材料由此導(dǎo)致的損耗高。而通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)的Mesh組網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線組環(huán)的功能。如：煤礦的采掘工作面的兩端分別為主運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽，兩個(gè)順槽和主副大巷連接，可以在采面和兩個(gè)順槽實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)，在大巷與有線以太環(huán)網(wǎng)連接。這樣就在采掘工作面、主副運(yùn)輸順槽和大巷之間形成了一個(gè)環(huán)路，方便設(shè)備的回撤，簡(jiǎn)化施工與運(yùn)維的難度，提高了系統(tǒng)的可靠性與冗災(zāi)性能。無(wú)線以太網(wǎng)與有線網(wǎng)絡(luò)的連接使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)802.3協(xié)議，可以同工業(yè)以太網(wǎng)無(wú)縫連接。一方面，無(wú)線以太網(wǎng)設(shè)備可以作為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的接入點(diǎn),采用已建成的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),充分利用原有的資源；另外，可以把以太網(wǎng)通過(guò)無(wú)線延伸到移動(dòng)的采掘工作面和掘進(jìn)工作面，在提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和便利性。

3.3 工業(yè)自動(dòng)化

隨著綜合自動(dòng)化技術(shù)在煤礦的推廣，目前煤礦各生產(chǎn)、監(jiān)控子系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，也越來(lái)越復(fù)雜。子系統(tǒng)數(shù)量、種類不斷增加，而現(xiàn)有子系統(tǒng)接入的傳輸方式均以“星型”或“鏈型”網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用有線的傳輸方式接入，易受位置與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，需要架設(shè)線纜，移動(dòng)不靈活；且缺少鏈路冗余，存在“一碰就斷”的不足。而基于無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線自動(dòng)化接入適配設(shè)備，面向網(wǎng)絡(luò)側(cè)采用無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)接入井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；面向被控設(shè)備或子系統(tǒng)側(cè)，可以提供以太網(wǎng)、串行通信、總線通信等多種接口。

采用無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化接入適配設(shè)備，可以使各子系統(tǒng)或設(shè)備的接入從線纜的束縛中走出來(lái)，實(shí)現(xiàn)便捷的無(wú)線接入，也可構(gòu)建“無(wú)線+有線”或無(wú)線Mesh的多鏈路冗余傳輸機(jī)制，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.4 應(yīng)急通信

煤礦作為高危險(xiǎn)行業(yè)，井下出現(xiàn)緊急或?yàn)?zāi)害情況概率遠(yuǎn)大于其他工業(yè)環(huán)境。而在應(yīng)對(duì)緊急或?yàn)?zāi)害情況的時(shí)候，穩(wěn)定暢通的通信是非常重要的救援保障?，F(xiàn)有的有線通信系統(tǒng)、礦用小靈通、大靈通等無(wú)線通信系統(tǒng)，其工作均依賴地面局端交換設(shè)備的管理與控制，災(zāi)害發(fā)生后，隨著線路與設(shè)備的受損、井下的斷電，一旦與地面的局端設(shè)備失連，通信系統(tǒng)就會(huì)陷入癱瘓，在應(yīng)急救援工作中難以起到應(yīng)有的作用。而無(wú)線以太網(wǎng)的移動(dòng)通信技術(shù)，由于基于VoIP的通信機(jī)制，系統(tǒng)中的各基站之間、各手機(jī)之間，均可以實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)通信的功能，即使與地面局端設(shè)備失連后，系統(tǒng)內(nèi)部仍可以互相通信；同時(shí)，由于基于無(wú)線以太網(wǎng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)具備環(huán)網(wǎng)冗余的功能，系統(tǒng)中單點(diǎn)或單邊的設(shè)備、線纜損毀，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，在救災(zāi)應(yīng)急通信方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.5 視頻監(jiān)控

隨著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高與減員增效的實(shí)施，企業(yè)生產(chǎn)管理對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控的要求也越來(lái)越高?；跓o(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)與產(chǎn)品，在地面的石油、電力、公安等行業(yè)已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用，無(wú)線以太網(wǎng)的高帶寬可以滿足承載多路視頻的傳輸?shù)囊蟆Ｔ诿旱V井下的生產(chǎn)環(huán)境中，具備無(wú)線以太網(wǎng)傳輸功能的無(wú)線攝像機(jī)，以其靈活、可移動(dòng)、可車載等優(yōu)勢(shì)，將成為現(xiàn)有煤礦井下工業(yè)電視系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。尤其在綜采工作面視頻監(jiān)控、井下機(jī)車視頻監(jiān)控方面，更能體現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.6 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控

煤礦井下的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中存在大量的瓦斯、一氧化碳、粉塵等傳感器探頭，目前，這些探頭均以有線傳輸?shù)姆绞竭B接監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站。在傳感器探頭上增加無(wú)線以太網(wǎng)傳輸模塊，就可以實(shí)現(xiàn)傳感器的無(wú)線接入，方便其在井下的部署與使用。

煤礦井下普遍使用手持式瓦斯檢測(cè)儀，目前的手持式瓦檢儀具備移動(dòng)性能好、方便攜帶的優(yōu)勢(shì)，但數(shù)據(jù)獨(dú)立，不能共享與及時(shí)上傳。在手持瓦斯檢測(cè)儀上增加無(wú)線以太網(wǎng)傳輸模塊，就可以實(shí)現(xiàn)手持瓦檢儀的聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳功能。

3.7 人員定位

目前，煤礦應(yīng)用的人員定位系統(tǒng)大多使用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)，需要建設(shè)獨(dú)立的系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，基于無(wú)線以太網(wǎng)的定位技術(shù)逐漸成熟，在醫(yī)院、酒店、海關(guān)等領(lǐng)域逐步得到商用?；跓o(wú)線以太網(wǎng)的定位技術(shù)具備的優(yōu)勢(shì)是：①協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，無(wú)需單獨(dú)構(gòu)建獨(dú)立的系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，可以與話音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)共用同一個(gè)無(wú)線以太網(wǎng)平臺(tái)；②定位精度高，基于場(chǎng)強(qiáng)與信噪比的測(cè)量與計(jì)算，無(wú)線以太網(wǎng)定位系統(tǒng)的精度優(yōu)于RFID技術(shù)。

4 結(jié) 論

無(wú)線以太網(wǎng)(WLAN)以其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、小型靈活、低成本、高帶寬的優(yōu)勢(shì)，在電信運(yùn)營(yíng)商、企業(yè)網(wǎng)、行業(yè)應(yīng)用與個(gè)人IT終端產(chǎn)品領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與蓬勃發(fā)展。將無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)煤炭企業(yè)的通信系統(tǒng)中，具有廣闊的技術(shù)與商業(yè)前景，將為我國(guó)煤炭企業(yè)提高生產(chǎn)效率與增進(jìn)安全生產(chǎn)管理水平起到良好的促進(jìn)作用。

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