薛鋼琴，李曉強(qiáng)，尹雄，萬星煒，范鵬飛，徐啟彪，楊良

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限公司， 山西 陽泉 045000；2.中國礦業(yè)大學(xué)， 北京 100091)

0 引言

隨著煤炭科技的不斷進(jìn)步，煤礦建設(shè)經(jīng)歷了一系列的發(fā)展過程。井下通信系統(tǒng)的主流也逐漸從有線通信發(fā)展為無線通信。隨著地面無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，井下防爆無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用也逐漸順應(yīng)市場，成為了煤炭通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

目前基于3G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等無線方式的通信系統(tǒng)在我國多個(gè)煤礦取得了成功應(yīng)用，然而這些通信方式存在著各自難以解決的問題。如3G、4G網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸頻率過高，在采掘工作面和巷道中通信距離短，同時(shí)還有布設(shè)成本過高，系統(tǒng)復(fù)雜等問題；Wi-Fi通信會出現(xiàn)多用戶同時(shí)使用時(shí)爭奪信道資源，使得通話信號不穩(wěn)定的問題。 這些問題在對講機(jī)通信系統(tǒng)中都可以得到解決。隨著數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展與成熟，數(shù)字對講機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)也都顯現(xiàn)出來。首先，可以更好地利用頻譜資源，與蜂窩數(shù)字技術(shù)相似，數(shù)字對講機(jī)可以在一條指定的信道上裝載更多用戶，提高頻譜利用率；其次，可以提高語音質(zhì)量，由于數(shù)字通信技術(shù)擁有系統(tǒng)內(nèi)錯(cuò)誤校正的功能，與模擬對講機(jī)相比，可以在一個(gè)范圍更廣泛的信號環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)更好的語音音頻質(zhì)量；第三，通過提高、改進(jìn)語音和數(shù)據(jù)集成，改變控制信號隨通信距離增加而降低的弱點(diǎn)，使更多的數(shù)據(jù)應(yīng)用可以被集成到同一個(gè)雙向無線通信基站結(jié)構(gòu)中，對語音和數(shù)據(jù)服務(wù)集成更完善、更方便。這3個(gè)特點(diǎn)使數(shù)字對講機(jī)成為未來對講機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也使煤礦井下應(yīng)用數(shù)字對講系統(tǒng)成為可能。

1 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主體由基站和對講機(jī)組成，對講機(jī)在各基站無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域內(nèi)漫游，實(shí)現(xiàn)語音同步、對講通話。系統(tǒng)采用蜂窩式組網(wǎng)方式，以基站為覆蓋點(diǎn)，相鄰的基站為一個(gè)覆蓋區(qū)域，基站和基站采用無線鏈路數(shù)字連接，系統(tǒng)中的通信可采用2種工作模式：對講機(jī)工作模式、基站-對講機(jī)結(jié)合的工作模式。系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 對講機(jī)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 井下電波干擾研究

由上文可知數(shù)字對講機(jī)依靠電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，故而井下電磁波的傳輸距離直接關(guān)系到對講機(jī)可用通話距離。另外井下道路彎折、分支較多，各種礦用設(shè)備會對電磁波的傳輸造成影響。因此研究礦井無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，選擇適合井下通信的電磁波頻率以及研究電磁干擾的應(yīng)對方案，對通信系統(tǒng)極為重要。

1.2.1 巷道中電磁波的傳輸特性

1.2.1.1 巷道、鐵器、風(fēng)門對電磁波傳輸?shù)挠绊?/p>

在進(jìn)行煤礦井下無線信號覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮巷道的截面大小、巷壁介質(zhì)和幾何形狀、設(shè)備設(shè)施布置、移動(dòng)設(shè)備流量等因素[1]，電磁波衰減率可由近似計(jì)算公式得出：

(1)

式中：kh為統(tǒng)計(jì)常數(shù),(常數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)給出)；ah為巷道寬度方向的最大值,m；b為巷道高度方向的最大值,m；εγ為介電常數(shù)。

由衰減率近似計(jì)算公式可以看出，衰減常數(shù)同巷道的寬和高的3次方成反比，巷道尺寸越大電磁波的傳播空問越寬闊，衰減率越小。而巷道尺寸越小，電磁波的傳播空間越受限制，衰減越大。在巷道尺寸相同的情況下，工作頻率越高，衰減率越小。在巷道截面較大，巷道為平直時(shí)，由于波導(dǎo)效應(yīng)，UHF中的較高頻段電磁波的傳輸距離會大大增加。對于彎曲巷道，高頻段電磁波的衰減是非常嚴(yán)重的，而低頻段電磁波的繞射能力和穿透能力都比較強(qiáng)。

表1 平直巷道中頻率對衰減率的影響

表2 彎曲巷道中頻率對衰減率的影響

通過理論研究和實(shí)驗(yàn)可知， 在平直巷道中，頻率越高，衰減率越小，無線信號傳輸距離越遠(yuǎn)。在彎曲巷道中，頻率越高，衰減率越大，無線信號的傳輸距離越近[2]。另外衰減率還會隨著鐵制設(shè)備的增多而增大。

1.2.1.2 截止頻率

電磁波在巷道傳輸存在截止頻率，截止頻率是是礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[3]。當(dāng)?shù)V井無線傳輸頻率低于截止頻率時(shí)，無線傳輸衰減將會迅速增大，系統(tǒng)的無線傳輸距離將大大減小。

礦井無線傳輸?shù)慕刂诡l率與無線傳輸有效截面積的形狀和尺寸有關(guān)。對于有效截面為矩形的無線傳輸截止頻率f與矩形截面長邊a的關(guān)系表述：

f=C/2a

(2)

式中：f為截止頻率,MHz；C為真空中的光速，m/s；a為矩形截面的長邊，m。

針對不同的工作場所，通過理論和試驗(yàn)獲取的截止頻率：

1)采煤工作面的無線傳輸通用截止頻率為246 MHz[4]；

2)巷道的無線傳輸通用截止頻率為83 MHz。

通過在井下的現(xiàn)場測試，此無線對講系統(tǒng)的頻率應(yīng)在300～900 MHz為宜。

1.2.2 電磁干擾對通信系統(tǒng)的影響與解決方案

煤礦的地面及井下的電磁頻譜復(fù)雜多變，干擾問題很突出，甚至有的時(shí)候能夠造成通信或數(shù)據(jù)中斷，因此在開發(fā)新的通信系統(tǒng)時(shí)，必須研究電磁干擾以及抗干擾措施。

1.2.2.1 井下電磁干擾的特點(diǎn)

我國煤炭生產(chǎn)長期主要采用長壁式采掘方式，這就帶來了井下電磁環(huán)境的復(fù)雜性、多變性。煤礦井下為限定性空間， 電磁干擾的耦合與傳播和地面完全不同。巷道截面形狀、尺寸、介質(zhì)、彎曲、分支、傾斜、金屬支護(hù)、縱向?qū)w(電纜、水管、鐵軌等)、通風(fēng)設(shè)施影響著電磁干擾的耦合與傳播。

井下無線通信的電磁干擾噪聲主要可分為兩大類， 自然噪聲和工業(yè)噪聲。工業(yè)噪聲是指工業(yè)部門所使用的各類設(shè)備運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的電磁噪聲，這些設(shè)備只要用電運(yùn)行，就會產(chǎn)生電或電壓的突變，也就成為噪聲的發(fā)生源。這類噪聲進(jìn)入了運(yùn)行中的通信系統(tǒng)就變成了干擾噪聲。礦井里的主要干擾源是工業(yè)噪聲，主要包括高壓電力電纜、大功率變壓器、變頻裝置、其他無線設(shè)備等。

1.2.2.2 抗干擾的措施

1)軟件無線電技術(shù)。將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于通信抗干擾中，實(shí)現(xiàn)與時(shí)變技術(shù)的有效結(jié)合，根據(jù)信號的不同使用場合和干擾情況進(jìn)行變化，可以單獨(dú)跳頻工作，或跳頻與直擴(kuò)混合的方式工作，有利于提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

2)DSP技術(shù)。數(shù)字信號處理(Digital Signal Process，簡稱DSP)是利用專用或通用數(shù)字信號處理芯片，通過數(shù)字計(jì)算的方法對信號進(jìn)行處理。與模擬信號處理相比，DSP具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，能在極短的時(shí)間內(nèi)完成對外部輸入信號的各種處理，即信號處理速度大于信號更新(傳輸)速度，這使其對話音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能。數(shù)字信號處理僅受量化誤差和有限字長的影響，處理過程不引入其他噪聲，故精度高、穩(wěn)定性好，具有很高的信噪比。將DSP芯片植入對講機(jī)中，將得到的語音信號進(jìn)行數(shù)字化并通過 DSP 進(jìn)行高速處理。再輔以相應(yīng)的軟件技術(shù)，可以最大限度地保障系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 無線基站設(shè)計(jì)

無線基站用于自行組建智能數(shù)字無線通信網(wǎng)絡(luò)，為對講機(jī)終端廣播對講提供網(wǎng)絡(luò)和信號中繼。具有功耗低，信號傳輸穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)，自組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。無線基站適用于煤礦井下或地面無線語音通信的場合。

礦用智能對講通信系統(tǒng)采用dPMR數(shù)字協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以4.8 kbit/s的速率對語音進(jìn)行雙向編解碼，實(shí)現(xiàn)多個(gè)手持對講機(jī)的通話。為了提高數(shù)據(jù)帶寬的使用效率，無線基站采用雙收發(fā)模塊，通信采用半雙工通信方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)清晰的對講通話。

在電源方面，無線基站采用2種供電模式。在有外電的情況下，采用隔爆兼本質(zhì)安全型電源給無線基站供電，電池作備用電源；在臨時(shí)性的活動(dòng)區(qū)域和不具備外電供電的場所，由電池進(jìn)行供電?；静捎枚嘀毓?jié)能設(shè)計(jì)，容量為10 Ah的電池待機(jī)工作時(shí)間達(dá)12 h，電池可以帶到地面充電。基站構(gòu)成如圖2所示。

圖2 基站構(gòu)成

3 對講機(jī)設(shè)計(jì)

數(shù)字對講機(jī)有射頻單元、音頻單元、電源和控制單元以及基帶處理單元組成，系統(tǒng)比較簡單，組成部分少，這充分體現(xiàn)了系統(tǒng)簡單，組網(wǎng)方便的特點(diǎn)。對講機(jī)構(gòu)成如圖3所示。

非洲豬瘟病毒在原料中30天后的存活能力仍然未知，并且當(dāng)前還沒有足夠的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確估計(jì)。由于無法計(jì)算有效的隔離期，高風(fēng)險(xiǎn)的原科應(yīng)該從無非洲豬瘟病毒和經(jīng)典豬瘟病毒的國家引進(jìn)。

圖3 對講機(jī)構(gòu)成

數(shù)字對講機(jī)與模擬對講機(jī)最大的區(qū)別就是語音信號進(jìn)行了數(shù)字化并通過DSP進(jìn)行了高速處理。雖然這樣使得通話質(zhì)量大大提高，但高速DSP的時(shí)鐘高達(dá)100 MHz以上，這導(dǎo)致其諧波有可能會干擾射頻載波。另外為了提高電源效率而采用的是開關(guān)電源，其開關(guān)頻率也會調(diào)制到載波上，這在一定程度上也會對載波造成一系列干擾。

針對這些干擾信號，采取如下解決方案。

1)在電路板的設(shè)計(jì)上，采用射頻單元單獨(dú)布局布線，單獨(dú)使用屏蔽槽，控制線、數(shù)字信號線進(jìn)行屏蔽處理，同時(shí)在軟件上進(jìn)行優(yōu)化，從而解決高速時(shí)鐘所帶來的影響。

2)通過調(diào)整開關(guān)電源的頻率、濾波電感的值、選擇濾波性能好濾波電感、PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決開關(guān)頻率的影響。

同時(shí)，對講機(jī)還具有路由中轉(zhuǎn)功能，其接受到的數(shù)據(jù)包在對講機(jī)中也可以進(jìn)行解密或打包進(jìn)行傳輸。這使得對講機(jī)也可以起到中繼作用，可以減少所需基站數(shù)量從而使系統(tǒng)布置方便，結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)更加明顯。

4 系統(tǒng)應(yīng)用場合設(shè)計(jì)

4.1 采掘工作面及通道的設(shè)備布置

對于采掘工作面的繁雜工作程序，復(fù)雜、多變的工作環(huán)境，利用礦用智能即時(shí)對講通信系統(tǒng)快速建立起區(qū)域無線覆蓋，可實(shí)現(xiàn)工作面區(qū)域內(nèi)工作人員的快速調(diào)度、指揮和協(xié)同工作。

在采煤工作面與運(yùn)輸通道的交叉口位置布置1臺便攜式無線基站，手持設(shè)備由工作面以及通道的工作人員持有。布置示意圖如圖4所示。

1-采煤機(jī)；2-刮板輸送機(jī)；3-支架；4-下端頭支架；5-上端頭支架；6-轉(zhuǎn)載機(jī)；7-帶式輸送機(jī)；8-配電箱；9-乳化液泵站；10-設(shè)備平板列車；11-移動(dòng)變電站；12-噴霧泵站；13-液壓絞車；14-集中控制臺。圖4 工作面系統(tǒng)布置示意圖

4.2 豎井的設(shè)備布置

在豎井井口布置1臺便攜式無線基站，手持設(shè)備由車房，井口工作人員以及井筒檢修人員持有，布置示意圖如圖5所示。

1-對講機(jī)；2-天線；3-無線基站；4-外接電源。

經(jīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以井口圓心半徑1 500 m，以及井口至井底220 m范圍內(nèi)的通信信號覆蓋，對講通信語音清晰連貫，無斷線掉字等情況，成功解決了井筒檢修過程中檢修人員及車房工作人員之間語音通信的問題。

4.3 巷道中的設(shè)備布置

在2 000 m的皮帶巷中每幾百米布置1個(gè)無線基站，每個(gè)基站配置1個(gè)定向天線和1個(gè)全向天線，天線垂直于巷道長度方向布置，每個(gè)檢修人員持1部對講機(jī)。布置示意圖如圖6所示。

經(jīng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對2 000 m皮帶巷的全范圍通信信號覆蓋，對講通信語音清晰連貫，無斷線掉字,從而方便了帶式輸送機(jī)的檢修作業(yè)。

圖6 皮帶巷系統(tǒng)布置示意圖

5 結(jié)論

1)項(xiàng)目采用dPMR數(shù)字式、低功耗、快速組網(wǎng)等特點(diǎn)的語音通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在臨時(shí)區(qū)域、環(huán)境復(fù)雜區(qū)域及救援通道區(qū)域內(nèi)的通信。以低數(shù)據(jù)帶寬的dPMR無線通信技術(shù)，采用雙收發(fā)模塊基站，半雙工對講手持設(shè)備的系統(tǒng)方案。

2)基站的設(shè)計(jì)輕巧簡捷，便于安裝和拆卸，防水防塵等性能優(yōu)越，適合煤礦生產(chǎn)各種復(fù)雜的情況。系統(tǒng)采用全數(shù)字設(shè)計(jì)，性能可靠穩(wěn)定性高，傳輸速度快，且采用了多重抗干擾設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)工作面通信、井筒檢修、井下巷道皮帶檢修等一系列工作。

3)如遇突發(fā)情況，該系統(tǒng)可在險(xiǎn)情發(fā)生的第一時(shí)間，在救援通道上快速靈活地組建無線網(wǎng)絡(luò)，提供穩(wěn)定可靠的通信，提高救援效率，能夠滿足生產(chǎn)、救援指揮的需要，必將成為礦井日常生產(chǎn)和應(yīng)急備用不可缺少的系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景，良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。