張 鋒,顧 偉

(中電廣通股份有限公司， 北京 100081)

煤炭是我國主要的能源支柱，我國的煤炭資源儲量雖然列全球首位，但是我國大部分煤炭資源賦存條件較差，埋藏深、高瓦斯、地質(zhì)條件復(fù)雜。煤炭行業(yè)一直是我國安全事故頻發(fā)的高危行業(yè)。分析近年來發(fā)生的多起惡性的大型煤礦安全事故，我們可以看到，即使在國有的大型煤炭企業(yè)中，井下應(yīng)急通信技術(shù)仍基本處于空白：災(zāi)害發(fā)生后的及時全面地通知、應(yīng)急預(yù)案的迅速下發(fā)、井下情況的及時上報、各部分之間的協(xié)同通訊等，均缺乏有效的通信技術(shù)手段與裝備。許多事故中，都有礦工并非死于災(zāi)害的第一現(xiàn)場，而是死于回撤的途中或次生的災(zāi)害中的悲劇發(fā)生。國家安監(jiān)總局提出了到2015年中國所有煤礦，都將建立“監(jiān)測監(jiān)控”、“人員定位”、“緊急避險”、“壓風(fēng)自救”、“供水施救”和“通信聯(lián)絡(luò)”等安全避險“六大系統(tǒng)”的要求。

1 現(xiàn)有應(yīng)急通信技術(shù)研究

迄今為止，我國煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)，主要以有線通信為主，無線通信為輔。

有線通信主要為礦用調(diào)度電話系統(tǒng)，其調(diào)度通信的功能與井下無源傳輸?shù)奶攸c，使其具備一定的應(yīng)急通信能力。在許多災(zāi)害的案例分析中，我們可以看到，有線通信仍是上報災(zāi)害情況、部署應(yīng)急處理措施與通知撤離的主要通訊手段。但是，調(diào)度電話系統(tǒng)在應(yīng)急通信中，也存在一些不足：井下巷道長，而部署的電話機數(shù)量相對較少且位置固定，在災(zāi)害場景下難以做到全面的通訊；通信線纜只在主井、大巷有環(huán)路冗余，而在災(zāi)害多發(fā)的采面、掘進頭等位置均為星型連接，一旦災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致線纜損毀，通信就會中斷。

目前，井下的無線通信方式，主要有漏泄通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、CDMA(大靈通)通信、以及無線以太網(wǎng)(WLAN)通信系統(tǒng)等。從應(yīng)急通信功能的角度來看，這些技術(shù)或多或少均存在一些局限：

1.1 信道容量小

透地通信、漏泄通信、PHS(小靈通)通信均存在信道容量小的局限，難以適應(yīng)災(zāi)害發(fā)生時呼叫量的激增，其中透地通信為單向傳輸，僅能支持一些文本信息的廣播；而小靈通每個基站只有3個語音信道。

1.2 網(wǎng)絡(luò)缺乏冗余能力

漏泄通信、PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)系統(tǒng)組網(wǎng)均為星型或鏈型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)不具備環(huán)路冗余能力，一旦連接井上井下的這根線纜受損，系統(tǒng)即陷入癱瘓。

1.3 對中心語音、認(rèn)證或數(shù)據(jù)交換機的依賴

PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)以及基于瘦AP(Fit)架構(gòu)的無線以太網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)，均嚴(yán)重依賴地面的中心語音或控制交換機，一旦災(zāi)害導(dǎo)致井下基站與地面的中心設(shè)備的失聯(lián)或地面交換主機發(fā)生故障，系統(tǒng)將無法正常工作。

1.4 缺乏電源后備能力

漏泄通信、PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)系統(tǒng)，均不具備電源后備能力，災(zāi)害導(dǎo)致的斷電或線纜損毀，災(zāi)后的停電均會使系統(tǒng)癱瘓。

2 煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)需解決的問題

煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)除了滿足本安防爆、可靠實用等一般性要求外,還需解決以下核心問題:

2.1 應(yīng)急調(diào)度問題

應(yīng)急場景下的通信調(diào)度與常態(tài)應(yīng)用是不同的，面對災(zāi)后第一時間迅速通告的需求，面對災(zāi)害發(fā)生后通信系統(tǒng)容易出現(xiàn)的呼叫量激增、多人同時呼叫同一調(diào)度號碼等導(dǎo)致的線路擁塞現(xiàn)象，應(yīng)急通信系統(tǒng)需具備特有的應(yīng)急調(diào)度功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)冗余問題

災(zāi)害的發(fā)生極易對通信系統(tǒng)的線纜、通信基站等造成直接損毀，這就要求應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，必須具備多路由的網(wǎng)絡(luò)冗余功能，確保網(wǎng)絡(luò)中單點的線纜或設(shè)備損毀不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。

2.3 電源冗余問題

許多災(zāi)害的發(fā)生，容易對通信系統(tǒng)的供電線纜或供電設(shè)備造成損壞，而且根據(jù)煤礦安全操作規(guī)程，在火災(zāi)、瓦斯等災(zāi)害發(fā)生時，必須有相應(yīng)的供電閉鎖乃至井下的整體停電，這就要求應(yīng)急通信系統(tǒng)具備電源冗余功能。

2.4 通信終端的應(yīng)急通信問題

從許多成功救援的礦難案例中我們可以看到,災(zāi)后井下被困人員的有組織自救至關(guān)重要。但是，災(zāi)害中通信系統(tǒng)往往容易同時受損，如線纜中斷、設(shè)備損毀、供電停止等均易導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生區(qū)域與地面調(diào)度中心的通信中斷，這就需要通信終端在這種災(zāi)害場景下具備應(yīng)急脫網(wǎng)通信功能。

2.5 系統(tǒng)容量

面對災(zāi)害發(fā)生后通信系統(tǒng)容易出現(xiàn)的呼叫量激增導(dǎo)致的線路擁塞現(xiàn)象，應(yīng)急通信系統(tǒng)中通信基站的信道容量，必須具備足夠的冗余。例如，礦用小靈通系統(tǒng)的一臺通信基站，只有3路話音信道，基本可以滿足正常生產(chǎn)場景下的通訊，但對于應(yīng)急通信來講是不夠的。

在上述的應(yīng)急通信系統(tǒng)面臨的五個核心問題中，較難實現(xiàn)的是采面與掘進面的網(wǎng)絡(luò)冗余與通信終端的應(yīng)急通信功能，但隨著基于無線以太網(wǎng)(WLAN)的無線自組網(wǎng)(Mesh)技術(shù)與Vo-WLAN技術(shù)在煤礦通信中的應(yīng)用，使得這些功能的實現(xiàn)成為可能。

3 基于無線Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)

Mesh網(wǎng)絡(luò)，即“無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)”,它是一個無線多跳網(wǎng)絡(luò)，是由對等網(wǎng)絡(luò)(ad hoc)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來，是一個動態(tài)的可以不斷擴展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),任意的兩個設(shè)備均可以保持無線互聯(lián)。

Mesh WLAN網(wǎng)絡(luò)要比單跳網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定,這是因為在數(shù)據(jù)通信中,網(wǎng)絡(luò)性能的發(fā)揮并不是僅依靠某個節(jié)點。在傳統(tǒng)的鏈型或星型網(wǎng)絡(luò)中,如果固定的節(jié)點或線路發(fā)生故障,那么該節(jié)點下所有的無線設(shè)備都不能進行通信。而在Mesh WLAN網(wǎng)絡(luò)中,如果某個節(jié)點發(fā)生故障,可以重新再選擇另一個節(jié)點進行通信,數(shù)據(jù)仍然可以高速地到達目的地。Mesh WLAN技術(shù)使無線節(jié)點具有自動配置網(wǎng)絡(luò),并使網(wǎng)絡(luò)效率最優(yōu)化的特性。提供自我組織、自我修復(fù)、更新動態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接,確保網(wǎng)絡(luò)安全等等功能。

胖AP(Fat)架構(gòu)的無線以太網(wǎng)(WLAN)的無線通信技術(shù)，基于VoWLAN的通信機制，通信系統(tǒng)中的各基站之間、各通信終端之間的通信，均可以不依賴地面中心交換或控制設(shè)備，即使與地面中心端設(shè)備失連后，系統(tǒng)內(nèi)部仍可以互相通信，實現(xiàn)脫網(wǎng)通信的功能，使得災(zāi)后被困人員可以實施組織自救；該系統(tǒng)可以架構(gòu)在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)之上，從而具備環(huán)網(wǎng)冗余的功能，系統(tǒng)中單點或單邊的設(shè)備、線纜損毀不影響整個系統(tǒng)的正常工作，在救災(zāi)應(yīng)急通信方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

將基于胖AP(Fat)架構(gòu)的無線以太網(wǎng)(WLAN)通信技術(shù)與無線Mesh 技術(shù)相結(jié)合，可以很好地解決煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)急需解決的問題：

3.1 采面無線組環(huán)

煤礦的主副大巷容易形成冗余網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)的可靠性較高,但煤礦中災(zāi)害集中多發(fā)的采面與掘進面由于受到巷道布置方式與采面回撤的限制，一直無法形成冗余網(wǎng)絡(luò)：煤礦掘進面往往是一條死胡同，缺少網(wǎng)絡(luò)冗余的回路路由，煤礦采面雖然兩側(cè)均有巷道，物理上具備形成冗余回路的路由，但由于采面處于不斷移動的回采作業(yè)過程中，且采面環(huán)境惡劣，大型機電設(shè)備集中，采煤過程中支架的不斷移動、飛濺的煤塊等，使通信設(shè)備與線纜在采面很容易被損壞,但使用采面無線組環(huán)方式,可以解決上述問題。

在采區(qū)兩側(cè)的主輔順槽內(nèi)，采用通信基站間有線傳輸+無線覆蓋的方案，在采面的兩側(cè)通信基站之間，采用無線傳輸+無線覆蓋的通信方式，實現(xiàn)在環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備、線纜易損的采面，使用Mesh WLAN或無線網(wǎng)橋的方式實現(xiàn)無線覆蓋與傳輸，在采面上實現(xiàn)主/輔順槽通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形連接。

采面環(huán)網(wǎng)形成的意義不僅在于應(yīng)急通信系統(tǒng)，采面是煤礦生產(chǎn)的核心區(qū)域之一，各種設(shè)備集中，采面環(huán)網(wǎng)的形成對采面工業(yè)自動化出傳輸網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的冗余性能的提升，也具重要意義。

3.2 光纖/無線互為備份

無線Mesh 技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)無線通信基站之間光纖/無線互為備份組環(huán)的功能。通信基站之間以光纖通信為主鏈路，在光纖鏈路中斷后，自動切換到無線Mesh的備份鏈路。與圖1相比，通信基站之間的通信增加了一條無線Mesh備份鏈路；也可以實現(xiàn)擺脫光纖的全無線組網(wǎng)傳輸，即通信基站之間采用無線Mesh技術(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)與覆蓋，省去了光纖鏈路的建設(shè)與維護。因為采區(qū)環(huán)境下光纖的施工與維護較為困難，這樣就可以實現(xiàn)全無線Mesh的采區(qū)傳輸而非僅僅是無線采面。

其帶來的益處是：雙鏈路備份使得在災(zāi)害導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)多點光纖故障或多點基站故障的場景下，仍可以保障通信鏈路的傳輸，進一步提高了系統(tǒng)的冗災(zāi)性能。無線備份傳輸鏈路的增加，由于WLAN無線通信具備的縫隙傳輸、空間傳輸?shù)奶攸c，使得系統(tǒng)在冒頂、水災(zāi)(非沒頂)等災(zāi)害場景下的無線通信仍存在可能，系統(tǒng)冗災(zāi)通信能力進一步提高。

3.3 Wi-Fi手機脫網(wǎng)通信

Wi-Fi手機脫網(wǎng)通信功能是指井下的手機或通信基站，在與地面的調(diào)度交換機或控制器失聯(lián)后，手機之間仍然可以直接或通過井下的通信基站實現(xiàn)相互通信。避免因為井上、井下系統(tǒng)失聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓，使災(zāi)后被困井下人員之間仍然可以互相通信，以便發(fā)現(xiàn)、組織被困人員向安全區(qū)域撤離、提示使用自救器、進入逃生艙等自救工作。目前的移動通信技術(shù)體制中,只有基于VoWLAN技術(shù)的Wi-Fi手機可以實現(xiàn)該功能。

3.4 后備電源

基于無線Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)基站，每臺均單獨配置后備電源與電池，確保在災(zāi)后救援的黃金時間內(nèi)，基站工作不受井下停電或供電線纜損毀的影響。

3.5 應(yīng)急調(diào)度

基于無線Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)，具備對有線電話與無線通信話路的強插、強拆功能，以避免共同呼叫導(dǎo)致的擁塞；具備廣播、組播、會議、輪詢、群發(fā)緊急通知短信、群發(fā)應(yīng)急預(yù)案等功能，以實現(xiàn)災(zāi)后通信的及時有效。

綜上所述，基于無線Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)采用了無線/有線一體化，生產(chǎn)/行政一體化的融合調(diào)度通信主機，采用具備無線Mesh功能的胖AP(Fat)架構(gòu)的無線以太網(wǎng)(WLAN)技術(shù)，架構(gòu)在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺之上，各基站均配置后備電源，使用具備脫網(wǎng)通信功能的移動終端，即能滿足煤礦企業(yè)正常生產(chǎn)、管理的需要，又大幅提高了系統(tǒng)的冗災(zāi)與應(yīng)急通信能力。

4 結(jié)束語

煤礦作為高危險行業(yè)，井下出現(xiàn)緊急或災(zāi)害情況概率遠大于其他工業(yè)環(huán)境。而在應(yīng)對緊急或災(zāi)害情況的時候，可靠的通信是非常重要的救援保障。煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)，多年來一直是行業(yè)的難點與空白，現(xiàn)有的礦用小靈通、大靈通以及瘦AP架構(gòu)(Fit)的無線以太網(wǎng)等無線通信系統(tǒng)，均難以在應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中起到應(yīng)有的作用。無線Mesh WLAN通信技術(shù)以其具有的無線傳輸、自動配置、自我修復(fù)、自我優(yōu)化等功能特點，提高了煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的冗災(zāi)性能與冗災(zāi)類別，將成為煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)乃至煤礦井下無線通信系統(tǒng)的首選技術(shù)。

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