煤礦應急通信保障系統關鍵技術的研究與應用

劉俊濤

（平煤股份八礦 河南 平頂山 467012）

煤礦應急通信保障系統關鍵技術的研究與應用

劉俊濤

（平煤股份八礦 河南 平頂山 467012）

煤礦井下工況環境十分復雜，大小事故頻頻發生。當事故發生時，如何迅速了解被困人員的位置情況并與之進行有效的通信聯絡，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率顯得尤為重要。本項目建立了一套涵蓋煤礦有線、無線相結合的應急調度通信保障系統，利用井下工業環網通過統一的軟件平臺，在平時生產中，能夠實時了解井下人員的準確數量、流動情況及分布情況，從而提高礦井的生產效率。

IP數字式全雙工擴播通信裝置；應急通信保障系統軟件平臺；工業以太網綜合接入關鍵技術

0 引言

煤炭是我國的主要能源，約占一次能源70%，我國煤礦約95%是井工開采，開采條件復雜，而且隨著采掘深度增加，煤礦瓦斯、水患、沖擊地壓等災害越來越嚴重，很容易引起重大事故，如近年來河北唐山劉官屯煤礦“12.7”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡108人）、山西大同煤礦集團焦家寨礦“11.5”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡 47人）、山西臨汾瑞之源煤礦“12.5”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡105人）、山西焦煤集團屯蘭礦“2.22”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡78人）、河南平頂山市新華四礦“9.8”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡79人）等。2007年7月29日河南省陜縣支建煤礦發生透水事故，共有69人被困。被困人員通過電話及時將被困人數、位置和狀況向地面匯報，為救援提供了準確信息，縮短了救援時間，同時通過該電話安撫被困人員，增強了被困人員生還信心，最終被困69人成功獲救。通過此次事件突出反映了煤礦通信在應急救援中的重要作用。

1 研究目標

1.1 本項目開發的目的是建立一套涵蓋煤礦有線、無線相結合的應急通信保障系統，實現礦井通信全覆蓋，發生災難緊急情況具有一鍵通功能，系統響應時間不超過30秒；

1.2 通過統一的軟件平臺，在平時生產中，具有擴音、對講、打點等功能，可作為皮帶、水泵等自動化系統的組成部分，還具備廣播、背景音樂播放功能，從而提高礦井的生產效率。當發生事故時，單鍵操作便可調度所有通信節點。在災前，可在一分鐘內通知到井下各作業區的所有礦工。在災后，為搶險救援提供通信保障，可與井下救生艙實現對話，便于及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率；

1.3 研究應急通信保障系統與礦井寬帶工業以太網綜合接入技術，研發多種接入方式的礦用綜合接入網關；

1.4 基于IP的數字式全雙工擴播電話的開發，本系統將傳統的擴播電話及程控電話以數字電路和數字網絡理念重新設計，實現語音電話機數字化、信號傳輸數字化、基于現代工業以太環網集中控制的全數字語音電話系統。

2 項目內容

2.1 應急通信保障系統軟件平臺的開發

煤礦各通信系統需要通過應急通信保障系統的軟件平臺實現聯絡通信功能，實現統一的管理。建立一套涵蓋煤礦有線、無線相結合的應急通信保障系統。實現礦井通信全覆蓋，發生災難緊急情況具有一鍵通功能，一分鐘內快速通知井下所有礦工安全撤離。

2.2 基于IP的數字式全雙工煤礦擴播通信裝置的開發

擴播電話用于生產局部區域的通信，如皮帶沿線，每100米左右放置一套擴播電話機，可以實現廣播式全雙工通話。如果出現事故異常，可以通過擴播電話機給出聲光報警提示信號；也可以實現開車前聲光預警提示。本系統將傳統的擴播電話及程控電話以數字電路和數字網絡理念重新設計，實現語音電話機數字化、信號傳輸數字化、基于現代工業以太環網集中控制的全數字語音電話系統。

本擴播電話是一種通過以太網或其他使用IP技術的網絡來實現語音通信的一種全新的通訊設備。基于IP的煤礦擴播通信是純數字擴播系統，音質好，抗干擾性強，不但具有傳統的擴播電話系統的擴音、對講、打點等功能，還具備定時播報、背景音樂、與地面調度臺互通等擴展功能。除了支持以太網通信，還集成調度電話功能，可直接接入礦用調度電話系統。本產品中的IP擴播電話終端既可以與普通電話交換機連接，也可以與調度指令電話交換機連接；可以更方便的實現背景音樂播放、觸點信號遙控和急停按鈕的功能；主機界面直觀友好，操作簡便，功能齊全，人機界面不僅具有形象逼真的動態畫面和全中文顯示，還具有急停報警監視、安全確認機制和數據記錄功能。

擴播話機通過接收從串口傳來的數據，經CPU處理后輸出到A/D轉換模塊和編碼解碼器MC14LC5480，最后經過功率放大器到擴音喇叭實現擴音廣播。

來自IP擴播電話的轉換端口的數字語音信號通過EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器，拆包并提取語音數據送入VS1003B對其進行解壓與解碼再由MC14LC5480芯片進行D/A轉換還原成語音模擬信號輸出。井下人的模擬語音信號通過MC14LC5480芯片進行A/D轉換，得到的PCM信號，再由VS1003B進行壓縮編碼，壓縮后數據輸出給EP2C8Q208C8型的FPGA芯片。EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器除了提供系統所需的所有時序外，還對編碼后的數據進行處理和打包傳輸給IP擴播電話的轉換端口。

2.3 調度程控電話廣播裝置的開發

原有的程控話機只能實現聽筒通話功能，在煤礦環境嘈雜的地區，井下人員很有可能聽不到電話的振鈴聲，所以我們對程控電話進行了改造。本系統話機帶有源音箱，在接收到電話呼叫后振鈴三聲以內摘機，則實現普通聽筒通話；若振鈴三聲未摘機，則電話機則自動接通，并把接收到的語音轉接到有源音箱進行擴音播放。

2.4 與礦井工業以太網綜合接入關鍵技術的研究

本項目組研發了多種接入方式的礦用綜合IP語音接入網關，本IP電話語音網關系統采用先進數字語音通信技術，基于IP通信，支持靜態、動態IP地址及IP地址智能學習功能；而且支持SIP協議或是H323協議，語音編碼支持G.711，G723.1，G.729A，語音清晰、QoS語音保證，適應各種網絡環境。

IP語音網關將從調度臺由工業以太網傳來的網絡信號進行數據格式轉換成適合RS485傳輸的數據，發送到各個擴播電話機，以便在井下擴播。

為確保礦用綜合接入網關的實時性和可靠性，系統使用32位嵌入式微處理器，使用嵌入式實時操作系統，采用改進TCP/IP協議。系統擴展各種現場總線接口，完成需要的協議轉換功能，確保互聯互通，提高系統的兼容性。

系統軟件需要完成各種協議轉換功能，修改TCP/IP協議。系統主要由工業級ARM微控制器，網絡模塊、系統接口（KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95）、現場總線協議轉換模塊和人機接口、報警幾個主要部分組成，使用WindRiver公司的嵌入式實時操作系統VxWORKS，兼容TCP/IP協議IPV4，具有遠程web瀏覽管理和在線系統升級的功能。

IP電話語音網關用于礦井擴播對講系統中。其主要目的是在保留礦井老式模擬話機投資的基礎上將語音傳輸IP化，從而改善井下布線的安全性，提高傳輸距離，方便調度控制，并為井下通信系統的進一步升級改造打好基礎。

2.5 與現有擴播電話互聯互通關鍵技術的研究

本系統設計的專用轉換器能夠實現天津華寧擴音電話及常州聯力KTT3型擴音電話和以太網之間的通信轉換。它有三個外部接口：

擴播系統接口：該接口連通四芯電纜，其中兩條是電源線，兩條是信號線。信號線上包括語音信號、打點信號和占線信號。

IP網絡接口：該網絡接口是RJ45接口，用于與工業以太網交換機連接，收發數據。

橋接口：交換機組環端口，不受轉換器影響。每條皮帶機擴音線路只需要配備一臺數字化轉換器即可。

KB-LL-KTT3轉換器模擬接口滿足常州聯力KTT3型擴音電話接口要求，能驅動最多25部擴音電話或KB轉換器，最大傳輸距離達25km。KB轉換器以太網接口是10/100MHZ自適應的，符合標準IEEE802.3/IEEE802.3u標準，使用5類網線時最大傳輸距離達100m。

3 效益分析

該項目在平煤八礦井下戊二、己三采區投入運行以來，運行穩定可靠，功能符合設計要求，運行正常。其經濟效益主要表現如下：

3.1 直接經濟效益

由于項目該屬于應急通訊保障系統，在煤礦安全保障方面占有舉足輕重的地位，其直接經濟效益不明顯。

3.2 間接經濟效益

（1）提升主煤流運輸能力：系統投運前，全礦月故障影響時間平均在30小時左右。投運后，由于通信保障，加強了與現場的實時溝通，減少了處理故障時間，縮短了故障影響時間，從而提高了生產時間。月故障時間平均為28小時，按設備每天運行20小時、每小時出煤量為500T、原煤價格按500元/T、噸煤成本270元/T計算，3-9月效益：（30-28）t×500T×（500元/T-270元/T）×6月=138萬元。

（2）主要表現在減少現場崗位人員：通信系統安裝完善后，部分生產系統結合礦井綜合自動化系統實現了無人值守，目前階段已將部分原崗位工種人員調整到機電設備維護工種。

按目前試運行階段的井下戊二、己四皮帶運輸系統及煤樓運輸系統為例：

投運前，井下皮帶集控系統每班所需崗位20人，目前所需崗位15人，減少崗位5人；煤樓運輸系統每班所需崗位22人，目前所需崗位15人，減少崗位7人。

3-9月效益為 （每人月平均工資按3500元計算）：（5＋7）人×3班×3500元/人×6月=75.6萬元。

3.3 其它方面的經濟效益

礦井應急通信保障平臺的順利實施，結合礦井綜合自動化、信息化系統功能，中央水泵房、井下變電所可實現無人值守，煤樓運輸系統、井下皮帶運輸系統、地面通風系統、壓風系統及自動化采面監測系統等系統崗位工種也可大為縮減。屆時，其經濟效益大為可觀。

4 結束語

“煤礦應急通信保障系統關鍵技術研究與應用示范”項目的成功實施，為平煤股份公司的煤礦應急通信系統建設提供一個科學的、完備的、系統的、可操作的實施模式和技術指導參考，為其它兄弟煤礦應急通信系統提供通用化、實用化案例、建設方案和實施依據，提高平煤股份公司礦井安全建設以及“六大系統”建設的科學性和效率，加快煤礦綜合自動化建設的進度和步伐。

劉俊濤（1974—），河南許昌人，助理工程師，長期從事煤礦基層技術工作，近年來參與完成了多項技術革新項目。

王靜］