關(guān)丙火

(神華神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木 719315)

0 引言

國內(nèi)煤礦井下信息化通過近年來的深入發(fā)展已經(jīng)取得了一定進(jìn)步，但與全球行業(yè)內(nèi)的企業(yè)相比還有一定的差距。隨著生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，孤立的信息系統(tǒng)逐漸難以與高速發(fā)展的生產(chǎn)需求相匹配。下一階段如何加大研究，在符合煤礦使用、緊跟行業(yè)ICT發(fā)展趨勢，將領(lǐng)先、可用、持續(xù)的ICT技術(shù)符合煤礦信息化發(fā)展、整合后應(yīng)用到各個煤礦成為重要工作[1]。目前神東井下信息化系統(tǒng)在安監(jiān)總局的要求下，已完成了6大系統(tǒng)的建設(shè)工作。整個系統(tǒng)在建設(shè)完成后，可實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)井上呈現(xiàn)、井下生產(chǎn)井上控制，但同時也面臨著傳輸帶寬不夠、系統(tǒng)多、管理分散、維護(hù)困難等多方面問題[2]。

煤礦通信“一網(wǎng)一站”系統(tǒng)將建設(shè)井下一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對無線通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)(工業(yè)電視)、語音廣播系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)(各類安全傳感器)8大系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載、統(tǒng)一管理，切實(shí)改變井下“七國八制”的局面，解決系統(tǒng)多、管理分散、維護(hù)困難的問題，實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)一站”的緊湊信息化系統(tǒng)，為安全生產(chǎn)提供更有效的技術(shù)保障。

1 一網(wǎng)一站系統(tǒng)及其整體方案

1.1 一網(wǎng)一站的含義

“一網(wǎng)”是指應(yīng)用萬兆以太網(wǎng)和多網(wǎng)合一技術(shù)建立的一套一體化環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下8大系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載和統(tǒng)一管理；“一站”是指一體化綜合分站，應(yīng)用計算機(jī)集成電路技術(shù)將3G無線通信、人員定位、語音廣播和WiFi分站等集成為一體，實(shí)現(xiàn)共電源、共傳輸、共天線、共覆蓋，并可根據(jù)煤礦使用要求選配相應(yīng)的功能。

1.2 整體方案設(shè)計

一網(wǎng)一站系統(tǒng)地面部署核心網(wǎng)、基站控制器、電話調(diào)度機(jī)、萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)以及應(yīng)用服務(wù)器，主要用于煤礦通信網(wǎng)絡(luò)與電信公網(wǎng)的對接、井下數(shù)據(jù)集中存儲管理以及無線、有線電話的統(tǒng)一調(diào)度；煤礦井下主要部署一體化綜合分站和防爆型萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，主要提供各種接口實(shí)現(xiàn)井下各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和統(tǒng)一傳輸管理以及無線通信、人員定位、IP廣播和IP電話調(diào)度功能。整體解決方案架構(gòu)圖如圖1所示。

2 一網(wǎng)系統(tǒng)

2.1 萬兆環(huán)網(wǎng)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰孩儆捎诰鹿ぷ鳜F(xiàn)場精細(xì)化管理需求，攝像頭基本都采用高清數(shù)字技術(shù)，神東工業(yè)電視系統(tǒng)平均每礦40～60個，單個攝像頭占用帶寬達(dá)40 M，共占用帶寬千兆以上，目前視頻傳輸帶寬已滿足不了需求；②根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要，井下數(shù)據(jù)采集點(diǎn)成量級上升，這對傳輸帶寬提出了更高的要求。

圖1 一網(wǎng)一站系統(tǒng)整體解決方案架構(gòu)圖

系統(tǒng)維護(hù)的需求：井下安全生產(chǎn)和自動化生產(chǎn)系統(tǒng)各自獨(dú)立部署，獨(dú)立拉線上井；無線通信基站、定位基站、廣播分站各種站點(diǎn)也是分開建設(shè)，各自鋪設(shè)獨(dú)自的電源和通信線纜。另外目前井下環(huán)網(wǎng)容量小，接入端口少，大量分站不能就近接入環(huán)網(wǎng)，只能直拉傳輸上井。這都造成井下線纜多，出現(xiàn)故障恢復(fù)時間長的問題。

業(yè)務(wù)發(fā)展的需求：井下業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)種類多，接口不同，而且隨著自動化控制要求的提高，要求網(wǎng)絡(luò)接口類型豐富，控制響應(yīng)時間短，業(yè)務(wù)隔離和QOS必須有保障。

網(wǎng)絡(luò)咨診斷的需求：網(wǎng)絡(luò)本身能夠自我診斷故障，當(dāng)單點(diǎn)發(fā)生故障時能在10～50 ms之內(nèi)快速倒換而不影響業(yè)務(wù)傳輸，同時不對環(huán)網(wǎng)的性能產(chǎn)生影響。

2.2 萬兆環(huán)網(wǎng)方案及組網(wǎng)設(shè)計

萬兆環(huán)網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 萬兆環(huán)網(wǎng)設(shè)計圖

井下高速公路：根據(jù)井下巷道的特點(diǎn)規(guī)劃統(tǒng)一承載網(wǎng)絡(luò)[4]，建設(shè)井下高速公路。采用萬兆以太網(wǎng)技術(shù)[5]，在井下不同巷道布設(shè)環(huán)網(wǎng)光纜，分別接到地面不同的交換機(jī)上。主巷道部署的統(tǒng)一數(shù)字環(huán)網(wǎng)，接入主巷業(yè)務(wù)系統(tǒng)，“一網(wǎng)”交換機(jī)設(shè)備的安裝在隔爆柜中，然后安放于井下變電所，就近接入其他業(yè)務(wù)；對于支巷道可不建環(huán)網(wǎng)，其他方式接入支巷業(yè)務(wù)系統(tǒng)，再連接到主巷道的環(huán)網(wǎng)上。

綜合業(yè)務(wù)接入方案：綜合分站提供3G無線通信基站、定位基站、廣播分站和WIFI的接入，同時也提供IP視頻監(jiān)控攝像頭接入和IP電話接入，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一傳輸接入到環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，減少光纜數(shù)量；內(nèi)部交換提供GE/FE光接口接入IP視頻監(jiān)控攝像頭，同時也提供RS485等接口接入工業(yè)自動化系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過QOS機(jī)制保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載和質(zhì)量保障。數(shù)據(jù)格式應(yīng)按照“煤礦安全生產(chǎn)在線檢測聯(lián)網(wǎng)備查系統(tǒng)通用技術(shù)要求和數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)(試行)”的要求執(zhí)行。

2.3 萬兆環(huán)網(wǎng)的優(yōu)勢

極大減少下井光纜數(shù)量，減少維護(hù)工作量和維修難度；低成本萬兆網(wǎng)絡(luò)，建成數(shù)字礦山高速公路，業(yè)務(wù)擴(kuò)展性強(qiáng)；交換機(jī)QOS技術(shù)解決工業(yè)電視的視頻卡頓、花屏問題；多協(xié)議保護(hù)，故障時快速收斂，保障各業(yè)務(wù)的持續(xù)性；接口數(shù)目大，光電接口混合配置，滿足不同接入方式的需求。

3 一站系統(tǒng)

3.1 一站需求

利用計算機(jī)集成電路技術(shù)，主要以集成多種功能的綜合分站取代原有各自獨(dú)立的基站為主，具體要求如下：①綜合分站應(yīng)該整合語音廣播、無線通信、人員定位、調(diào)度電話和WiFi等功能；②綜合分站采用統(tǒng)一的電源、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理板和傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)插板式集成，功能可根據(jù)實(shí)際需要選配；③無線通信系統(tǒng)能夠替代小靈通，并可以接入IP電話對原有固定電話進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)；另外能夠做到井上井下不換手機(jī)，不換SIM卡，手機(jī)能打電話、發(fā)短信、被調(diào)度；改變以往分散調(diào)度模式，實(shí)現(xiàn)新的固定IP電話、手機(jī)和井下現(xiàn)有有線調(diào)度電話的統(tǒng)一調(diào)度；④人員定位系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，精度30～50 m，只能進(jìn)行區(qū)域定位，滿足不了精細(xì)化管理要求。

3.2 一站方案及組網(wǎng)設(shè)計

如圖3所示，綜合分站采用計算機(jī)集成電路技術(shù)，集成3G無線基站(含WiFi)、精確定位基站、交換機(jī)功能，可實(shí)現(xiàn)無線通信、WiFi接入、人員定位、有線電話、調(diào)度、廣播等功能，通過內(nèi)置的交換模塊除了能實(shí)現(xiàn)綜合分站自身級聯(lián)需求外，還可提供4×RS485/RS232接口和空閑FE端口實(shí)現(xiàn)綜合接入功能，以減少對主干光纖環(huán)網(wǎng)的接入壓力。

圖3 綜合分站設(shè)計圖

綜合分站同時集成了3G、WiFi、定位基站，由于三者覆蓋距離各不相同，因此部署時需要考慮采用分離的WiFi基站做補(bǔ)充覆蓋[6]。

如圖4，3G基站覆蓋距離≈定位基站覆蓋距離≈3×WiFi覆蓋距離，因此人員定位/WiFi都需要全程覆蓋時，平均一個綜合基站需配兩個WiFi基站做補(bǔ)充覆蓋，實(shí)際部署時可根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行覆蓋。

“一站”方案中用基于Zigbee TOF(飛行時間)技術(shù)的精確定位基站，定位精度在10 m內(nèi)，在非復(fù)雜環(huán)境下，精度還可提高到5 m左右，一套定位基站即可覆蓋1 000 m巷道。該技術(shù)大大優(yōu)于目前煤礦普遍使用的RFID定位技術(shù)。

“一站”方案廣播系統(tǒng)采用IP技術(shù)，綜合分站僅需要提供FE接口即可接入廣播終端，基于IP技術(shù)的廣播系統(tǒng)不僅可完成傳統(tǒng)廣播功能，還可與調(diào)度臺雙向通信，實(shí)現(xiàn)廣播、調(diào)度系統(tǒng)的融合。

圖4 覆蓋距離對比圖

3.3 一站的優(yōu)勢

減少纜線：綜合分站集成了3G、網(wǎng)絡(luò)交換、人員定位等功能，多個系統(tǒng)(包括廣播系統(tǒng))共電源、共傳輸、共覆蓋，大大簡化井下供電、傳輸系統(tǒng)，減少井下線纜數(shù)量，從而簡化維護(hù)工作。

豐富的接口：綜合分站除了集成多種功能外還提供豐富的RS485/232，POTS，F(xiàn)E，GE接口，不僅可滿足自身級聯(lián)需求，還可就近接入模擬電話、IP攝像頭、溫度/瓦斯/甲烷等傳感器[7]，從而大大簡化井下接入網(wǎng)絡(luò)。

綜合接入能力：綜合分站統(tǒng)一進(jìn)行防爆改造，且綜合接入能力可減少井下分支交換機(jī)使用量，減少對環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的端口需求，從而可大大節(jié)省成本。

4 通信一體化

4.1 通信一體化的需求

統(tǒng)一指揮調(diào)度：一個調(diào)度臺上可以同時調(diào)度固定調(diào)度用戶、移動用戶和廣播終端。

終端之間的聯(lián)動：調(diào)度電話無人接聽，呼叫自動轉(zhuǎn)移到附近的廣播上。

終端的融合：廣播終端支持雙向通話，可以作為調(diào)度電話使用。

4.2 通信一體化方案設(shè)計

設(shè)備與組網(wǎng)：通信一體化方案包括地面設(shè)備和井下設(shè)備。①地面設(shè)備包括小型化核心網(wǎng)，BSC(基站控制器)，固定接入網(wǎng)關(guān)，1588時鐘服務(wù)器；②井下設(shè)備包括綜合分站、廣播終端和本安型調(diào)度電話。綜合分站通過光纖接入到井下數(shù)字環(huán)網(wǎng)，廣播終端通過網(wǎng)線連接到綜合分站，調(diào)度電話通過電話線連接到地面的綜合接入網(wǎng)關(guān)，調(diào)度電話也可以連接到綜合分站成為IP調(diào)度電話，如圖5所示。

圖5 通信一體化方案組設(shè)計圖

無線通信：小型核心網(wǎng)內(nèi)嵌MSC(移動交換核心)、HLR、SMSC(短信網(wǎng)關(guān))等功能。通信一體化方案提供的無線通信能力如①語音、短信、視頻業(yè)務(wù)；②調(diào)度業(yè)務(wù)；③錄音功能；④彩信業(yè)務(wù)；⑤無線數(shù)據(jù)傳輸能力；⑥公網(wǎng)專網(wǎng)漫游能力。

廣播通信：小型核心網(wǎng)內(nèi)嵌廣播功能，通信一體化方案提供的廣播通信能力如①指揮調(diào)度；②井下人員呼救對講；③遠(yuǎn)程廣播對講和擴(kuò)播功能；④對設(shè)定區(qū)域廣播；⑤區(qū)域內(nèi)雙向通信聯(lián)絡(luò)；⑥任意組合播放；⑦在線錄音存儲回放。

調(diào)度通信：小型核心網(wǎng)內(nèi)嵌調(diào)度功能。提供IP多媒體調(diào)度臺，通信一體化方案提供的調(diào)度通信能力如：①呼叫、應(yīng)答、強(qiáng)插、強(qiáng)拆、監(jiān)聽、組呼、群呼、會議、轉(zhuǎn)接、錄音、輪詢點(diǎn)名、調(diào)度臺夜服、狀態(tài)顯示等傳統(tǒng)調(diào)度功能；②支持有線、無線、廣播終端的接入，實(shí)現(xiàn)一體化調(diào)度；③調(diào)度電話無人接聽，呼叫自動轉(zhuǎn)移到附近的廣播上。

4.3 通信一體化方案的優(yōu)勢

統(tǒng)一指揮調(diào)度：一個調(diào)度臺實(shí)現(xiàn)固話、手機(jī)、廣播終端統(tǒng)一指揮調(diào)度，提高應(yīng)急指揮的效率。

多種功能：一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動、調(diào)度、廣播3套功能，維護(hù)簡單，使用方便，用戶體驗(yàn)一致。

減少投入：井上下實(shí)現(xiàn)一機(jī)一卡一號，手機(jī)終端融合，廣播終端可以提供調(diào)度功能，減少重復(fù)布放，實(shí)現(xiàn)井上井下一體化、公網(wǎng)專網(wǎng)一體化，大大減少投入成本。

5 應(yīng)用情況

目前一網(wǎng)一站系統(tǒng)先后在神華神東上灣煤礦和錦界煤礦以及神華榆神公司郭家灣煤礦進(jìn)行了規(guī)模性部署。目前一網(wǎng)一站系統(tǒng)已建設(shè)完畢并成功應(yīng)用。

如圖6所示，上灣煤礦井下已部署142臺綜合分站，10臺萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。綜合分站包含3G基站、人員定位基站、WiFi AP、IP電話、IP廣播、IP模塊和千兆交換機(jī)，建立了3G通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、IP廣播系統(tǒng)，WiFi無線通信系統(tǒng)和井下環(huán)網(wǎng)，并部署IP電話作為現(xiàn)有固定電話的補(bǔ)充。提供光口/電口/RS485口承載了井下工控設(shè)備、工業(yè)電視和安全監(jiān)測系統(tǒng)。

圖6 上灣礦一網(wǎng)一站系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)鋱D

錦界煤礦井下已部署165臺綜合分站，12臺萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，3臺千兆分支環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。綜合分站包含3G基站、人員定位基戰(zhàn)、IP模塊和千兆交換機(jī)，部分站點(diǎn)部署了WiFi AP。建立了3G通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和井下環(huán)網(wǎng)。提供光口/電口/RS485口承載了井下工控設(shè)備、工業(yè)電視和安全監(jiān)測系統(tǒng)。作為錦界數(shù)字礦山系統(tǒng)的一部分，一網(wǎng)一站系統(tǒng)有力的支撐了數(shù)字礦山系統(tǒng)的建設(shè)。

根據(jù)神東區(qū)域自動化項目建設(shè)需要，在大柳塔煤礦進(jìn)行4G技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用，下一步準(zhǔn)備在其他煤礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

(1)研發(fā)了礦用井下萬兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)建了井下萬兆環(huán)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對井下無線通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載和統(tǒng)一管理，滿足井下傳輸和管理的需求。

(2)研發(fā)了具有無線通信、人員車輛定位、語音廣播、WiFi等功能的一體化綜合分站，集成了多項功能，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一供電，模塊可選配，整合了有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)，具有移動電話、固定IP電話、定位系統(tǒng)和IP擴(kuò)播功能。

(3)采用ZigBee TOF定位技術(shù)，提高了人員定位精度。井下所有巷道定位信號實(shí)現(xiàn)全覆蓋，將系統(tǒng)定位精度從30～50 m提高到10 m，漏卡率為0。

(4)完成了井上下一體化通信組網(wǎng)，終端設(shè)備可在專網(wǎng)、公網(wǎng)間無縫漫游，實(shí)現(xiàn)了有線和無線電話統(tǒng)一調(diào)度管理。