煤礦井下通信“一網一站”系統研究與應用

關丙火

(神華神東煤炭集團公司，陜西 神木 719315)

0 引言

國內煤礦井下信息化通過近年來的深入發展已經取得了一定進步，但與全球行業內的企業相比還有一定的差距。隨著生產規模逐步擴大，孤立的信息系統逐漸難以與高速發展的生產需求相匹配。下一階段如何加大研究，在符合煤礦使用、緊跟行業ICT發展趨勢，將領先、可用、持續的ICT技術符合煤礦信息化發展、整合后應用到各個煤礦成為重要工作[1]。目前神東井下信息化系統在安監總局的要求下，已完成了6大系統的建設工作。整個系統在建設完成后，可實現井下生產井上呈現、井下生產井上控制，但同時也面臨著傳輸帶寬不夠、系統多、管理分散、維護困難等多方面問題[2]。

煤礦通信“一網一站”系統將建設井下一套系統實現對無線通信系統、人員定位系統、車輛定位系統、監視監控系統(工業電視)、語音廣播系統、調度指揮系統、工業自動化系統、安全監控系統(各類安全傳感器)8大系統的統一接入、統一承載、統一管理，切實改變井下“七國八制”的局面，解決系統多、管理分散、維護困難的問題，實現“一網一站”的緊湊信息化系統，為安全生產提供更有效的技術保障。

1 一網一站系統及其整體方案

1.1 一網一站的含義

“一網”是指應用萬兆以太網和多網合一技術建立的一套一體化環網，實現井下8大系統的統一接入、統一承載和統一管理；“一站”是指一體化綜合分站，應用計算機集成電路技術將3G無線通信、人員定位、語音廣播和WiFi分站等集成為一體，實現共電源、共傳輸、共天線、共覆蓋，并可根據煤礦使用要求選配相應的功能。

1.2 整體方案設計

一網一站系統地面部署核心網、基站控制器、電話調度機、萬兆環網交換機以及應用服務器，主要用于煤礦通信網絡與電信公網的對接、井下數據集中存儲管理以及無線、有線電話的統一調度；煤礦井下主要部署一體化綜合分站和防爆型萬兆環網交換機，主要提供各種接口實現井下各業務系統數據接入和統一傳輸管理以及無線通信、人員定位、IP廣播和IP電話調度功能。整體解決方案架構圖如圖1所示。

2 一網系統

2.1 萬兆環網

數據傳輸的需要：①由于井下工作現場精細化管理需求，攝像頭基本都采用高清數字技術，神東工業電視系統平均每礦40～60個，單個攝像頭占用帶寬達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根據煤礦安全生產和物聯網發展需要，井下數據采集點成量級上升，這對傳輸帶寬提出了更高的要求。

圖1 一網一站系統整體解決方案架構圖

系統維護的需求：井下安全生產和自動化生產系統各自獨立部署，獨立拉線上井；無線通信基站、定位基站、廣播分站各種站點也是分開建設，各自鋪設獨自的電源和通信線纜。另外目前井下環網容量小，接入端口少，大量分站不能就近接入環網，只能直拉傳輸上井。這都造成井下線纜多，出現故障恢復時間長的問題。

業務發展的需求：井下業務數據種類多，接口不同，而且隨著自動化控制要求的提高，要求網絡接口類型豐富，控制響應時間短，業務隔離和QOS必須有保障。

網絡咨診斷的需求：網絡本身能夠自我診斷故障，當單點發生故障時能在10～50 ms之內快速倒換而不影響業務傳輸，同時不對環網的性能產生影響。

2.2 萬兆環網方案及組網設計

萬兆環網示意圖如圖2所示。

圖2 萬兆環網設計圖

井下高速公路：根據井下巷道的特點規劃統一承載網絡[4]，建設井下高速公路。采用萬兆以太網技術[5]，在井下不同巷道布設環網光纜，分別接到地面不同的交換機上。主巷道部署的統一數字環網，接入主巷業務系統，“一網”交換機設備的安裝在隔爆柜中，然后安放于井下變電所，就近接入其他業務；對于支巷道可不建環網，其他方式接入支巷業務系統，再連接到主巷道的環網上。

綜合業務接入方案：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視頻監控攝像頭接入和IP電話接入，實現統一傳輸接入到環網交換機，減少光纜數量；內部交換提供GE/FE光接口接入IP視頻監控攝像頭，同時也提供RS485等接口接入工業自動化系統和安全監控系統，通過QOS機制保障高優先級業務的轉發，實現業務統一承載和質量保障。數據格式應按照“煤礦安全生產在線檢測聯網備查系統通用技術要求和數據采集標準(試行)”的要求執行。

2.3 萬兆環網的優勢

極大減少下井光纜數量，減少維護工作量和維修難度；低成本萬兆網絡，建成數字礦山高速公路，業務擴展性強；交換機QOS技術解決工業電視的視頻卡頓、花屏問題；多協議保護，故障時快速收斂，保障各業務的持續性；接口數目大，光電接口混合配置，滿足不同接入方式的需求。

3 一站系統

3.1 一站需求

利用計算機集成電路技術，主要以集成多種功能的綜合分站取代原有各自獨立的基站為主，具體要求如下：①綜合分站應該整合語音廣播、無線通信、人員定位、調度電話和WiFi等功能；②綜合分站采用統一的電源、統一的數據處理板和傳輸系統，實現插板式集成，功能可根據實際需要選配；③無線通信系統能夠替代小靈通，并可以接入IP電話對原有固定電話進行補點；另外能夠做到井上井下不換手機，不換SIM卡，手機能打電話、發短信、被調度；改變以往分散調度模式，實現新的固定IP電話、手機和井下現有有線調度電話的統一調度；④人員定位系統采用RFID技術，精度30～50 m，只能進行區域定位，滿足不了精細化管理要求。

3.2 一站方案及組網設計

如圖3所示，綜合分站采用計算機集成電路技術，集成3G無線基站(含WiFi)、精確定位基站、交換機功能，可實現無線通信、WiFi接入、人員定位、有線電話、調度、廣播等功能，通過內置的交換模塊除了能實現綜合分站自身級聯需求外，還可提供4×RS485/RS232接口和空閑FE端口實現綜合接入功能，以減少對主干光纖環網的接入壓力。

圖3 綜合分站設計圖

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基站做補充覆蓋，實際部署時可根據業務需要進行覆蓋。

“一站”方案中用基于Zigbee TOF(飛行時間)技術的精確定位基站，定位精度在10 m內，在非復雜環境下，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。該技術大大優于目前煤礦普遍使用的RFID定位技術。

“一站”方案廣播系統采用IP技術，綜合分站僅需要提供FE接口即可接入廣播終端，基于IP技術的廣播系統不僅可完成傳統廣播功能，還可與調度臺雙向通信，實現廣播、調度系統的融合。

圖4 覆蓋距離對比圖

3.3 一站的優勢

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

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，FE，GE接口，不僅可滿足自身級聯需求，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絡。

綜合接入能力：綜合分站統一進行防爆改造，且綜合接入能力可減少井下分支交換機使用量，減少對環網交換機的端口需求，從而可大大節省成本。

4 通信一體化

4.1 通信一體化的需求

統一指揮調度：一個調度臺上可以同時調度固定調度用戶、移動用戶和廣播終端。

終端之間的聯動：調度電話無人接聽，呼叫自動轉移到附近的廣播上。

終端的融合：廣播終端支持雙向通話，可以作為調度電話使用。

4.2 通信一體化方案設計

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

圖5 通信一體化方案組設計圖

無線通信：小型核心網內嵌MSC(移動交換核心)、HLR、SMSC(短信網關)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、視頻業務；②調度業務；③錄音功能；④彩信業務；⑤無線數據傳輸能力；⑥公網專網漫游能力。

廣播通信：小型核心網內嵌廣播功能，通信一體化方案提供的廣播通信能力如①指揮調度；②井下人員呼救對講；③遠程廣播對講和擴播功能；④對設定區域廣播；⑤區域內雙向通信聯絡；⑥任意組合播放；⑦在線錄音存儲回放。

調度通信：小型核心網內嵌調度功能。提供IP多媒體調度臺，通信一體化方案提供的調度通信能力如：①呼叫、應答、強插、強拆、監聽、組呼、群呼、會議、轉接、錄音、輪詢點名、調度臺夜服、狀態顯示等傳統調度功能；②支持有線、無線、廣播終端的接入，實現一體化調度；③調度電話無人接聽，呼叫自動轉移到附近的廣播上。

4.3 通信一體化方案的優勢

統一指揮調度：一個調度臺實現固話、手機、廣播終端統一指揮調度，提高應急指揮的效率。

多種功能：一套系統實現移動、調度、廣播3套功能，維護簡單，使用方便，用戶體驗一致。

減少投入：井上下實現一機一卡一號，手機終端融合，廣播終端可以提供調度功能，減少重復布放，實現井上井下一體化、公網專網一體化，大大減少投入成本。

5 應用情況

目前一網一站系統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行了規模性部署。目前一網一站系統已建設完畢并成功應用。

如圖6所示，上灣煤礦井下已部署142臺綜合分站，10臺萬兆環網交換機。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，建立了3G通信系統、人員定位系統、IP廣播系統，WiFi無線通信系統和井下環網，并部署IP電話作為現有固定電話的補充。提供光口/電口/RS485口承載了井下工控設備、工業電視和安全監測系統。

圖6 上灣礦一網一站系統組網拓撲圖

錦界煤礦井下已部署165臺綜合分站，12臺萬兆環網交換機，3臺千兆分支環網交換機。綜合分站包含3G基站、人員定位基戰、IP模塊和千兆交換機，部分站點部署了WiFi AP。建立了3G通信系統、人員定位系統和井下環網。提供光口/電口/RS485口承載了井下工控設備、工業電視和安全監測系統。作為錦界數字礦山系統的一部分，一網一站系統有力的支撐了數字礦山系統的建設。

根據神東區域自動化項目建設需要，在大柳塔煤礦進行4G技術的試驗應用，下一步準備在其他煤礦進行推廣應用。

6 結論

(1)研發了礦用井下萬兆環網交換機，構建了井下萬兆環網，能夠實現對井下無線通信系統、人員定位系統、車輛定位系統、工業電視系統、語音廣播系統、調度指揮系統和工業自動化系統的統一接入、統一承載和統一管理，滿足井下傳輸和管理的需求。

(2)研發了具有無線通信、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，實現了統一供電，模塊可選配，整合了有線網絡、無線網絡，具有移動電話、固定IP電話、定位系統和IP擴播功能。

(3)采用ZigBee TOF定位技術，提高了人員定位精度。井下所有巷道定位信號實現全覆蓋，將系統定位精度從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，終端設備可在專網、公網間無縫漫游，實現了有線和無線電話統一調度管理。