礦井融合調度通信多業務網關系統設計

顧俊， 劉亞兵

(1.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015；2.山西陽泉煤業(集團)有限責任公司， 山西 陽泉 045000)

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礦井融合調度通信多業務網關系統設計

顧俊1， 劉亞兵2

(1.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015；2.山西陽泉煤業(集團)有限責任公司， 山西 陽泉 045000)

針對現有部分礦井通信聯絡系統不能與礦井融合調度通信系統業務平臺進行通信業務對接的問題，提出了一種基于SIP協議和標準媒體格式的礦井融合調度通信多業務網關系統設計方案，闡述了系統總體架構及IP廣播、文本消息、工業視頻三類網關業務的通信流程與控制處理設計。測試結果表明，該設計方案可較好地支撐全礦井融合調度通信業務實現。

融合通信； 調度通信； 多業務網關； SIP協議

0 引言

礦井有線、無線通信裝備與系統已在煤礦及非煤礦井得到規模應用，有效提高了井下作業人員的工作安全系數與效率[1]。目前存在以下實際情況：

(1) 礦井通信聯絡系統面臨由過去單一固定通信方式向IP網絡化、寬帶化、智能化方式演變，要求其拓撲結構也向網絡融合化與業務扁平化方向發展[2]。

(2) 隨著井下綜合通信基站等裝備的研制和應用[3]，將包括RFID，WLAN，LTE等無線通信制式和RS485，CAN，DSL等有線通信制式的井下異構網絡統一匯聚到井下高速以太環網，可在一定程度上實現井下通信網絡在傳輸層面多網合一，但仍不能打破不同制式的通信系統在業務層面相互獨立局面。

(3) 具備語音、數據、視頻多媒體通信接入與交換業務能力的礦井融合調度通信系統能使礦井管理人員和作業人員在井上、井下進行跨系統通信聯絡與指揮調度，但目前部分礦井通信聯絡系統并不能接入礦井融合調度通信系統業務平臺。

鑒此，本文針對IP廣播、文本消息、工業視頻三類網關業務，提出了一種礦井融合調度通信多業務網關系統的設計方案，可實現礦井融合調度通信系統業務平臺與井下通信聯絡系統無縫對接與高效運行。

1 礦井融合調度通信系統應用現狀

現階段井下應用的電話通信系統、無線通信系統、廣播通信系統、工業視頻系統、應急通信系統及通信信號裝置自成體系，礦井融合調度通信系統可為上述系統及裝備提供高效的統一通信業務平臺，實現融合通信與一體化調度業務，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 礦井融合調度通信系統拓撲結構

礦井融合調度通信系統為全礦井范圍的無縫溝通與多媒體信息調度提供技術支撐，其核心信令協議是SIP協議[4]。礦井電話通信系統、無線通信系統及應急通信系統已實現SIP協議，可與礦井融合調度通信系統業務平臺對接互通[5-6]，但礦井廣播通信系統、通信信號裝置及工業視頻系統目前不能在業務層面與礦井融合調度通信系統業務平臺進行對接互通。其中，礦井廣播通信系統雖然基本上向IP數字化方向演進，但主要還是采用私有協議與媒體完成點對點、點對多點的定向尋呼與對講，在地面調度室單獨設置廣播主機與井下廣播分機進行通信[7]。井下通信信號裝置在礦井避災引導指揮方面發揮重要作用，這些裝置由地面控制主機通過內部私有協議獨立控制[8]。井下工業視頻系統主要實現視頻IP化并通過井下以太環網將視頻匯聚到調度室大屏幕，采用視頻集中模式協議體系[9]，與通信領域雙向通信、多向交換模式的協議體系不兼容。因此，有必要設計礦井融合調度通信多業務網關系統,以實現對礦井廣播通信系統、通信信號裝置及工業視頻系統的無縫接入與便捷通信。

2 礦井融合調度通信多業務網關系統總體設計

依據國際標準化組織制定的開放式系統互聯七層模型，礦井融合調度通信多業務網關系統工作在礦井IP專網的傳輸層、會話層、表示層和應用層，從通信業務層面將礦井通信聯絡系統的語音、數據和視頻通信業務統一接入到礦井融合調度通信系統業務平臺。礦井融合調度通信多業務網關系統架構如圖2所示。

圖2 礦井融合調度通信多業務網關系統架構

網關系統總體設計包括以下方面：

(1) 傳輸層。目前TCP和UDP協議是礦井通信聯絡系統主要傳輸層協議，網關系統需同時支持TCP和UDP。設計TCP/IP socket等操作系統調用適配模塊,以便網關系統在主流操作系統中均可高效運行。

(2) 會話層。依據基于號碼呼叫的通信狀態機及多媒體會話涉及的媒體類型，網關系統對多媒體通信會話進行抽象和封裝[10]，通信會話抽象接口定義如圖3所示。

通信會話抽象接口定義包括狀態處理接口和輸入輸出接口，狀態處理接口服務于信令控制，輸入輸出接口主要涉及媒體交互。通信會話類型模塊完成上述抽象接口的特定實現，網關系統可在運行時動態加載與卸載特定通信會話類型模塊，對于每一個主叫或被叫通話方，網關系統依據其會話類型生成相應會話實例對象。網關系統內核基于抽象接口進行呼叫狀態控制和多媒體會話處理，與特定會話類型解耦。靜態內核與動態模塊相結合的設計模式是實現網關系統靈活性和擴展性的關鍵。

圖3 通信會話抽象接口定義

(3) 表示層。網關系統表示層主要涉及字符、語音和視頻的編碼與解碼。網關系統內核實現常用字符、語音和視頻編解碼功能，供具體通信會話類型模塊高效調用，滿足礦井常用音視頻通信業務的媒體格式需要。特定通信會話類型采用的私有表示格式則在該通信會話類型對應的具體模塊內部予以設計并實現。

(4) 應用層。網關系統應用層設計包括與具體網關業務相關的號碼路由及橋接、混音、媒體分發等相關通信控制邏輯。為提高各網關業務號碼路由效率，網關系統為每種網關業務設立單獨的SIP配置和號碼路由上下文。通信控制邏輯因具體網關業務不同而不同，下文將詳細介紹現階段涉及的IP廣播、文本消息、工業視頻三類網關業務的通信流程與控制處理設計。

3 通信流程與控制處理設計

3.1 IP廣播網關業務

礦井融合調度通信多業務網關系統將礦井IP廣播通信的私有通信協議和語音格式透明轉換為標準SIP信令和G.711語音編碼，并為每路廣播節點以獨立SIP賬號向礦井融合調度通信系統業務平臺中心節點注冊并通信。中心節點可直接撥號呼叫到任一廣播節點，避免不必要的二次撥號流程與通信時延。廣播節點、網關系統及中心節點間的語音呼叫通信流程如圖4所示。

圖4 IP廣播網關業務語音呼叫通信流程

IP廣播節點在通信業務上能夠支持基于IP地址的狀態巡檢和點對點定向尋呼與對講。網關系統G首先向廣播節點A發送STATUS_REQUEST狀態巡檢請求，廣播節點A返回STATUS_RESPONSE狀態巡檢響應則表明廣播節點A工作正常，然后網關系統G以廣播節點A對應的預設賬號Alice向中心節點S發起REGISTER注冊，該巡檢及注冊過程周期性進行。對于中心節點S向廣播節點A發起的語音通信，一方面中心節點S經由網關系統G轉換向廣播節點A廣播講話，另一方面廣播節點A經由網關系統G轉換向中心節點S回話，該雙向語音通信由調度員掛機觸發中心節點S向網關系統G發送BYE信令結束。網關系統支持全雙工通信，對于半雙工廣播節點，雙向語音通信過程中網關系統在接收不到廣播節點語音媒體情況下,將向中心節點發送靜音包。

由于礦井融合調度通信系統業務平臺支持多級調度與協同調度，可能有多個調度員同時呼叫某一廣播節點，為便于緊急情況的及時廣播發布，網關系統有必要支持多路呼叫某路廣播節點的通信業務。廣播呼叫控制處理流程如圖5所示。

網關系統G代理了廣播節點A與中心節點S所有信令與媒體的通信，當網關系統G收到中心節點S呼叫廣播節點A的請求時，先判斷廣播節點A是否已在SIP通話過程中，如果沒有則按圖4流程進行單呼控制處理，否則網關系統G直接成功應答中心節點S并將該路主叫加入廣播節點A對應的主叫隊列。雙向語音通信過程中，網關系統G將廣播節點A的多路主叫語音混音成一路語音發送給廣播節點A，并將廣播節點A的回話分發給各路主叫。網關系統收到所有主叫的BYE通話結束信令時，才實際結束雙向語音通信。

圖5 廣播呼叫控制處理流程

3.2 文本消息網關業務

目前井下通信信號裝置包括IP通信分站設備和顯示牌、信號燈等信號顯示設備兩級設備。地面控制主機通過具體分站號和設備號尋址到特定信號顯示設備，通過內部私有IP通信協議遠程控制信號顯示。內部私有協議內容為命令類消息，不涉及音視頻流媒體。為提高業務應用便捷性，網關系統將具體分站號和設備號兩級號碼對應到單獨一個SIP賬號向礦井融合調度通信系統業務平臺中心節點注冊并通信，中心節點直接向該SIP賬號發送MESSAGE消息信令，網關系統作為中間代理將該MESSAGE消息信令透明轉換為內部協議命令，并模擬地面控制主機向對應通信分站及信號顯示設備發送。MESSAGE消息信令格式：

MESSAGE sip:6223@10.30.17.6 SIP/2.0

Via: SIP/2.0/UDP 10.30.17.121:5080;rport;branch=z9hG4bK6

Max-Forwards: 70

From: "system" ;tag=62mK83N79rrSp

To:

Call-ID: a23d1d9c-51d3-422f-b2c2-51e61a4d160b

CSeq: 78481117 MESSAGE

Contact:

Allow: INVITE, ACK, BYE, CANCEL, OPTIONS, MESSAGE, INFO, UPDATE, REGISTER, REFER, NOTIFY

Supported: timer, path, replaces

Content-Type: text/plain; charset=UTF8

Content-Length: 25

顯示字符,"安全第一，警鐘長鳴",流水方式

其中Content-Type頭域表示消息內容的文本媒體類型，并指示具體字符編碼類型，如果消息內容不為空，則Content-Type頭域必須存在。通信信號裝置內部通信協議一般采用二進制報文格式，為滿足用戶在操作控制界面對信號顯示文本消息的自定義輸入及維護管理，網關系統進一步對消息內容進行明文格式向二進制格式的透明轉換，明文格式依據具體二進制格式命令內容及用戶編輯習慣來協定。

3.3 工業視頻網關業務

工業視頻領域采用的ONVIF(Open Network Video Interface Forum，開放型網絡視頻接口論壇)標準是包含網絡視頻設備之間搜尋、視頻訪問、元數據和控制信息交互等在內的一套網絡視頻框架協議，ONVIF規范中網絡視頻流媒體的通信訪問采用RTSP(Real Time Streaming Protocol，實時流傳輸協議)。網關系統實現礦井工業視頻RTSP協議到SIP協議的透明轉換，視頻節點、網關系統及中心節點間的視頻呼叫通信流程如圖6所示。

圖6 工業視頻網關業務視頻呼叫通信流程

網關系統G首先向視頻節點B發送RTSP的DESCRIBE視頻通道描述請求，視頻節點B返回200 OK響應則表明視頻節點B工作正常，然后網關系統G以視頻節點B對應的預設賬號Bob向中心節點S發起REGISTER注冊，該請求及注冊過程周期性進行。中心節點S向視頻節點B發起視頻查看呼叫時，由于視頻節點B只發送視頻而不接收視頻，網關系統G在通話建立成功后向中心節點S發送200 OK SDP信令，該信令中設置會話為SEND ONLY屬性，中心節點S收到200 OK SDP信令后開始單項視頻流通信過程。

由于礦井融合調度通信系統業務平臺支持多級調度與協同調度，可能有多個調度員同時查看某一視頻節點，網關系統有必要支持多路呼叫某路視頻節點的通信業務。視頻呼叫控制處理流程如圖7所示。

圖7 視頻呼叫控制處理流程

當網關系統G收到中心節點S呼叫視頻節點B的請求時，先判斷視頻節點B是否已在SIP視頻通話過程中，如果沒有則按圖6流程進行單呼控制處理，否則網關系統G直接成功應答中心節點S，并將該路主叫加入視頻節點B對應的主叫隊列。視頻通話時，網關系統G將視頻節點B的視頻流分發給每路主叫。網關系統收到所有主叫的BYE通話結束信令時，才實際結束視頻通話。

4 測試驗證

為驗證礦井融合調度通信多業務網關系統的可行性，搭建了測試環境，其網絡拓撲結構如圖8所示。

圖8 測試環境網絡拓撲結構

礦用工業以太環網與礦用無線通信基站組成了礦井有線、無線IP分組傳輸交換網絡，支持IP單播、組播與廣播報文的高速傳輸與管理。融合調度通信服務器作為SIP中心節點，通過網關系統與礦用IP廣播終端、通信信號裝置、視頻攝像儀進行語音、數據、視頻業務的對接與通信。調度控制臺為融合調度通信服務器的一體化調度操作臺，可視電話和智能手機分別為融合調度通信服務器典型的有線多媒體終端和無線多媒體終端。測試結果如下：

(1) 調度控制臺通過網關系統可圖標化表示每一路IP廣播終端、通信信號裝置、視頻攝像儀并顯示其在線、斷線狀態；調度員可點擊呼叫1路或會議呼叫多路上述通信裝備，由于網關系統在中間做信令與媒體轉換工作，呼叫建立與通信延時會增加1 s左右。

(2) 可視電話和智能手機可分別撥號呼叫到空閑的IP廣播終端;當電話和手機同時撥號呼叫同一路空閑IP廣播終端時，廣播終端可同時播放電話和手機來話，電話和手機分別收到廣播終端回話;當廣播主機先與某路IP廣播終端通話時，電話或手機撥號呼叫該路IP廣播終端時收到忙音。

(3) 調度控制臺及開啟權限后的可視電話和智能手機可分別向通信信號裝置發送文本消息，文本消息按照協定格式正確編輯并發送時，通信信號裝置可按消息指定方式正確發布文本內容、信號指示。

(4) 可視電話和智能手機可分別撥號呼叫到視頻攝像儀，可視電話和智能手機屏幕流暢顯示攝像儀視頻；當可視電話和智能手機同時呼叫同一路視頻攝像儀時，可視電話和智能手機屏幕可同時流暢顯示攝像儀視頻。

5 結語

通過信令協議與媒體類型的透明轉換及具體業務控制處理，礦井融合調度通信多業務網關系統能夠將礦井語音、數據、視頻通信業務透明轉換為SIP信令與標準媒體接口，實現礦井IP廣播系統、通信信號裝置及工業視頻系統與礦井融合調度通信系統業務平臺的無縫對接與便捷通信，具有較好的工程實用價值。

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田成金.煤炭智能化開采模式和關鍵技術研究[J].工礦自動化，2016,42(11)：28-32.

Design of multi-service gateway system for mine integration dispatching communication

GU Jun1, LIU Yabing2

(1.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China;2.Shanxi Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Yangquan 045000, China)

In view of problem that some mine communication systems cannot connect with service platform of mine integration dispatching communication system, a design scheme of multi-service gateway system for mine integration dispatching communication based on SIP protocol and standard media format was proposed. Overall architecture of the system and designs of communication flow and control processing of gateway services of IP broadcast, text message and industrial video were described. The test results show that the design scheme is a good support for implementation of whole mine integration dispatching communication.

integration communication; dispatching communication; multi-service gateway; SIP protocol

1671-251X(2016)11-0022-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.006

顧俊，劉亞兵.礦井融合調度通信多業務網關系統設計[J].工礦自動化，2016,42(11)：22-27.

2016-08-10；

2016-10-10；責任編輯：盛男。

天地科技股份有限公司技術創新基金資助項目(KJ-2015-CZGF-02)。

顧俊(1982-)，男，江蘇常州人，工程師，主要從事IP網絡與通信、礦井無線/有線通信系統的研發工作，E-mail:gujuncz@163.com。

TD655

A

時間：2016-10-28 16:24

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1624.006.html