煤礦應急救援通信技術的現狀與趨勢

胡青松，楊維，丁恩杰，李世銀，李冰皓

（1. 中國礦業大學信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221008；2. 新南威爾士大學礦物與能源資源工程學院，悉尼 2052；3. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；4. 中國礦業大學物聯網（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州 221008）

1 引言

煤炭在我國一次能源的生產和消費中占有重要地位，我國煤炭開采長期遭受瓦斯、水害、頂板等事故的困擾[1]。盡管絕大多數礦井部署了通信聯絡、災害預警等輔助系統，但是重大事故仍時有發生，造成的人員傷亡依然十分嚴重。因此，在煤炭主體能源地位無法替代、煤礦事故無法完全避免的情況下，提升煤礦事故應急處置和救援能力已上升為國家戰略：國家安全生產 “十三五”規劃明確將“應急救援能力建設工程”作為八大重點建設工程之一，煤礦安全生產“十三五”規劃要求“提升煤礦事故應急處置能力，完善煤礦應急救援體系”。

根據《煤礦安全規程》的規定[2]，事故救援前必須進行災區偵察，根據探測到的事故地點、波及范圍、災區人員分布、潛在危險等因素制定救援方案和實施救援。在災區偵察和事故救援中，迫切需要建立救援人員和地面救援指揮中心的通信聯系，確定被困人員及事故的位置，幫助救援指揮人員掌握現場態勢。盡管各種有線或無線通信設施在生產監測控制和災害預測預警中發揮了巨大作用，但是一旦發生事故，事故區域的部分通信節點和感知節點將會在事故中損毀，導致有線通信線路中斷，無線節點難以組網，進而導致溝通聯絡沒有保障，人員位置無從知曉，現場感知難以進行。顯然，為救援工作大規模部署有線或無線設施不太現實，因此，建設可靠的應急通信系統，利用殘存資源和少量新添設備，滿足事故救援所需的溝通聯絡等需求，是實現及時有效救援的重要保障。

礦井應急救援通信系統必須具有災變情況下的頑存能力、災變后的按需重構能力，以及通信與感知并重的特性。然而，當前煤礦中有的沒有安裝應急通信系統，僅僅部署了用于正常生產的礦用通信網絡；有的雖然部署了應急通信系統，但只是地面網絡系統的簡單移植，使用效果并不佳。隨著有線/無線通信技術的迅猛發展，以及物聯網和云計算的快速成熟，礦井應急通信呈現出可重構化、協同化、云計算化[3]，甚至“空天地井”聯合優化的趨勢[4]。本文擬對礦井應急通信的基本原理、發展現狀、主要挑戰和發展趨勢進行全方位的綜述，并提出一種新穎的基于煤礦物聯網重構的應急通信模式，為礦井應急通信研究提供一定借鑒。

2 煤礦應急救援的通信需求與總體架構

礦井應急通信系統是整個煤礦通信系統的有機組成部分，旨在建立起救援一線與地面救援指揮中心的通信聯系，服務于煤礦災后探查和應急救援。本節通過分析煤礦應急救援的通信需求，構建煤礦應急通信系統的架構體系。

2.1 煤礦應急救援的通信需求分析

如上文所述，當前煤礦的做法通常是將為正常生產而部署的煤礦通信系統兼做應急救援網絡，因此有必要考察一般煤礦通信系統的影響因素。煤礦通信系統的結構選擇受多個互相矛盾的因素制約，主要包括以下3個方面。

1) 數據類型多樣。煤礦安全生產數據既包括機械化設備的運行狀態、井下作業人員的位置信息和生命體征、煤礦巷道內的環境信息，也包括安裝于井下關鍵區域的監控視頻，以及地面和井下或井下不同區域之間的語音或視頻等。此外，隨著煤礦生產過程的推進，新的數據需求還會不斷產生。因此，礦井骨干傳輸網絡的吞吐量必須足夠大，以保證大量異構煤礦安全生產數據的有效傳輸。

2) 傳輸及時可靠。只有準確掌握生產現場的一手資料，地面決策指揮人員才能全面掌控井下的動態生產情況，以便進行有針對性的安全監控和生產調度。同時，及時準確地將地面調度指令傳輸到指定人員和設備，是保證生產效率和安全水平的必備條件。因此，煤礦通信中的傳輸可靠不但體現了無丟失、無差錯的基本要求，而且包含了時延、時延抖動、確定性等 QoS(quality of service)約束。

3) 部署方便靈活。井下多數巷道（特別是主干巷道）是固定不變的，適合部署高帶寬大容量的有線通信系統。另一方面，綜采工作面和掘進工作面等巷道隨著開采的推進而動態變化，適合部署成本低廉、結構可變、移動靈活的移動網絡。另外，沒有主干網絡的分支巷道，也宜使用無線網絡系統作為有線網絡的有益補充，以便擴大通信網絡系統的覆蓋范圍。

煤礦應急救援場景下通信聯絡的目的與正常生產情況有很大差別。正常生產情況下，所有通信和信息化設施均為煤炭生產服務，目的是保安全提效率。而煤礦事故通常會造成部分井下人員因巷道堵塞或受傷嚴重的原因而無法主動撤離，不得不在井下等待救援。在時間就是生命的情況下，通信聯絡的首要目標是搶救被困人員。在開展救援時，及時準確地掌握事故發生地點、事故區域環境參數及其變化情況、巷道破壞程度、影響范圍、探測被困人員位置并了解其身心狀態等信息，是進行救援決策和實施救援的重要依據，而事故區域和地面之間的通信聯絡系統是實現事故現場感知和信息傳輸的先決條件。

因此，煤礦應急通信具有如下典型特點。

1) 數據量大小不是重點。應急救援通信的第一要務是確定被困人員位置，只要能夠建立救援人員和被困人員的通信聯絡，哪怕只是打點信號，都能夠極大程度地避免救援的盲目性，大幅提高救援成功率。

2) 頑存性強。煤礦應急通信設備極有可被煤礦事故損毀，應通過地下埋入、鋼管內鋪纜、適度冗余等方式，增強通信系統的抗災能力。

3) 重構能力強。礦井內的應急通信節點應具有極強的自組織能力，在事故發生后，殘存通信資源應能夠快速自主地重構成網，第一時間為救援決策指揮提供事故現場信息。

4) 通信與感知能力并重。應急通信節點應具有現場態勢感知能力，從而幫助救援人員安撫被困人員情緒，指導被困人員自救和互救，實現被困人員與救援人員協同救援，增強救援針對性和救援效果。

2.2 煤礦應急通信系統的總體架構

根據信號傳播介質的不同，可將煤礦應急通信系統分成4類，即有線系統（TTW, through the wire）、無線系統（TTA, through the air）、透地系統（TTE,through the earth）、混合系統（MMT, mixed medium type）[5-6]。TTW 可以采用雙絞線、同軸電纜、漏泄饋線、光纜，甚至電力線等線纜，但每種線纜都有其特性和缺陷。TTA技術種類繁多，所工作的頻段也各異，進而導致通信容量、傳輸時延等存在很大差別。TTE利用超低頻或甚低頻電磁波穿透能力強的特性，以大地為傳播媒介傳輸信號，主要應用在地面和井下之間無法部署通信線纜且難以使用TTA技術的場景。

考慮到上述制約因素，煤礦應急通信系統通常采用一種混合結構，如圖1所示。從傳輸媒介而言，該結構混合使用了有線網絡和無線網絡，采用一個骨干、多個分支、若干專線，輔以無線通信網絡的模式[7]。一個骨干即一個骨干網絡，大多采用千兆甚至萬兆工業以太網，可通過2個井筒與地面連通，也可通過單個井筒，圖1中給出的是2個井筒的示例。各種礦用通信設施就近接入或通過分支交換機接入骨干網，或通過現場總線（如 CAN（controller area network）、Profibus、RS-485等）接入骨干網[8]。從拓撲結構而言，該結構采用環型、樹型、網狀型混合拓撲結構，其中，骨干網絡一般采用環型結構，以增強數據傳輸的確定性；分支網絡通常采用樹型結構，以增強網絡部署的靈活性；無線網絡大多采用網狀型拓撲，以提高網絡的覆蓋率和可靠度。

圖1所示的混合式煤礦通信網絡結構能夠充分適應煤礦環境中的制約因素。由于采用了千兆甚至萬兆工業以太網，因此能夠傳輸類型多樣的煤礦數據。由于工業以太網解決了普通以太網的實時性和確定性難題，能夠保證數據的及時可靠傳輸。由于可用現場總線和無線網絡對主干網絡進行按需擴展，滿足了部署靈活的要求。甚至為了增強應急通信系統的抗災能力，有些礦井在有線網絡的線纜選用和施工中做了特殊處理，比如選用抗拉能力和抗砸斷能力強的線纜，將線纜埋入在巷道底板中或穿入鋼管中。此外，輔以具有重構能力的煤礦物聯網、具有穿巖能力的通信系統（如透地通信），將大幅提高應急通信系統的頑存性、感知能力和重構能力。

3 煤礦應急通信技術的發展現狀

3.1 TTW煤礦應急通信系統

雖然磁石式電話、聲能電話、貝爾信令電話、撥號與尋呼混合系統、無源光網絡等都在煤礦通信系統中得到過應用，但是應用較少，本文只討論目前使用最為廣泛的現場總線和工業以太網。現場總線是應用在生產現場的一種分層通信網絡，用于連接現場的智能設備（如傳感器、執行器等）、控制器（如PLC（programmable logic controuer）、調節器等）、人機接口等設備[10-11]，實現控制中心與現場、現場設備之間的數值、狀態、事件、控制命令等數據的傳輸。與傳統的直接使用通信線纜連接設備的方案相比，現場總線的信息傳輸質量更高，傳輸的數據量更大，能夠大幅節省電纜和減少安裝費用，添加或刪除現場設備更加容易。在煤礦通信網絡中，現場總線通常被用作骨干網絡的分支，而骨干網絡則采用既能滿足現場需求，又與辦公網絡一脈相承的工業以太網。

要將以太網用于煤礦領域，重點是解決以太網的不確定性和非實時性問題[12-13]。以太網的 MAC（media access control）層采用了CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection）協議，其發前偵聽機制雖可降低沖突發生概率，但是難以做到完全避免。一旦檢測到沖突，網絡中所有站點必須隨機退避一段時間后方可嘗試再次發送。因此，數據在傳輸過程中是否會發生沖突無法預測，發生沖突后等待多長時間才能重發無法預知，數據最終能否傳輸成功沒有保證。因此，以太網的數據傳輸不但是非實時的，而且具有相當大的不確定性，這對需要實時監控的煤礦生產和應急救援而言是致命的。針對這一問題，工業以太網多從抑制沖突、降低沖突概率，或以確定方式解決沖突等方面入手加以解決。

很多現場總線協議不能提供額外時間保證，即使能提供也很有限，比如Ehernet/IP、Modbus TCP、Modbus RTPS、Profinet CBA和Profinet I/O。有些協議使用了額外的層，比如 EPL（ethernet power link）、EPA（ethernet for plant automation）、P-Net on IP、VNET/IP和TCnet。EPA采用了基于固定周期的TDMA（time division multiple access）策略，它拋棄了效率較低的輪詢機制，節點之間的同步通過IEEE 1588協議實現。Profinet I/O解決了自動化設備的遠程輸入/輸出（I/O, input/output）問題，所有自動化設備和I/O設備之間的信息交換是周期性的。Profinet IRT添加了同步傳輸，每個節點連接到一個專門設計的交換機，在傳輸同步數據的時候，其他數據會被交換機阻塞。此外，該交換機也具有直通功能和數據優先級功能，從而使同步數據的抖動較小，同時極大地降低了高優先級數據的時延。

由于具有上述優勢，Profinet在煤礦行業主干網絡中的應用非常廣泛[14]，用以無縫整合現有各個子系統[15]，如礦井提升系統、運輸系統、通風系統、變電系統、排水系統、安全監控系統等，實現整個生產環節的統計監控、統一調度和管控一體化。ControlNet及我國具有自主知識產權的EPA也有一定應用[16-17]。主干網通過工業級交換機為全礦地面及井下各個子系統提供方便靈活的工業以太網接口，如果在使用過程中光纖網絡在某點斷開，網絡也能照常工作，而且系統能及時診斷出故障點以便維修。敷設光纜根據環網需求和冗余性選用單模阻燃光纜。需要注意的是，為了保證調度的可靠性，《煤礦安全規程》規定礦用有線調度通信系統必須專線專用，不能接入骨干網絡；礦井安全監控系統不能和圖像監視系統共用同一芯光纖。

3.2 TTA煤礦應急通信系統

礦井無線通信系統具有不同于地面系統的一些特殊要求[18]，比如設備必須防爆、抗衰落、抗干擾能力強，體積不能太大、發射功率要小，并且要具有較強的防塵、防水、防潮、防腐、耐機械沖擊等性能。目前，可用于煤礦的無線通信技術較多[19]，如蜂窩通信（井下小靈通/3G/4G/5G）、Wi-Fi、無線傳感器網絡（WSN，wireless sensor networks）、可見光通信（VLC，visible light communication）、RFID（radio frequency identification）、UWB（ultra wide band）等，本文重點介紹在礦井中廣泛使用的Wi-Fi、WSN和具有極大應用潛力的UWB和VLC技術。

3.2.1 礦用Wi-Fi

基于IEEE 802.11系列標準，傳輸速率較高，已成為井下主流無線網絡技術的有力競爭者。從1999年發布Wi-Fi 1和Wi-Fi 2所對應的標準IEEE 802.11b和 IEEE 802.11a，到 2018年 10月發布Wi-Fi 5標準IEEE 802.11ac[20]，Wi-Fi技術已經非常成熟。最新的Wi-Fi 6增強了稠密和擁擠（即大量用戶同時訪問）情況下的性能，能量效率和頻譜利用率更高。IEEE 802.11通過點協調功能（PCF,point coordination function）管理信道接入[21]，來處理對傳輸時間要求嚴格的數據的沖突和退避。混合式協調功能（HCF, hybrid coordination function）對PCF進行了擴展，以支持參數化數據流，這與實際的傳輸調度更為接近。

礦用 Wi-Fi無線通信統結構簡單[22]，支持TCP/IP協議，擴展性好，方便與基于工業以太網的骨干網絡互連互通，從而實現數據、語音和圖像的綜合傳輸。同時，礦用Wi-Fi系統也支持Mesh網絡技術，能夠開發出強插、強接、群呼、錄音、脫網通信等功能，并可通過網關實現與調度通信系統的無縫連接，實現礦井的移動語音調度。此外，通過對調度平臺、AP（access point）、終端設備的集成優化，可在一定程度上克服跨AP通話時可能出現的無線信道帶寬不穩定、語音通話時延較大、斷話等方面的缺陷。

當井下AP與地面交換機之間的連接線纜中斷時，基站服務區內的移動電話仍然可以通話，因此抗故障能力強。為了讓Wi-Fi組網更加靈活，Wi-Fi聯盟在2010年發布了Wi-Fi Direct，該網絡中沒有處于主導地位的 AP，各個移動站處于平等地位，相互之間可以自組成網，特別適合應用在無法部署線纜的災害救援場景中。

圖2 煤礦工作面WSN與Wi-Fi的混合部署

3.2.2 礦用WSN

WSN由分布式的自治節點構成[23]，這些節點具有低功耗、可編程、多參數感知、組網簡單靈活等特點[24]，對網絡故障和節點移動具有較強的適應能力，在進行事故救援時的應急通信組網中具有較大優勢。礦用 WSN的核心功能是實現數據的采集，并具有一定數據轉發能力，但是大量數據的傳輸仍然需要借助有線網絡或 Wi-Fi等無線網絡，如圖2所示，因此WSN節點一般部署于無線網絡與有線網絡接口的周圍。前面已經述及，礦井有線網絡一般采用工業以太網或現場總線，而無線/有線網絡的接口位置往往由有線網絡決定[25]，因此需要通過研制合適的節點部署策略，礦用 WSN以便適應有線網絡接口位置，使覆蓋度和感知效率滿足使用需求。

礦用WSN節點可分成3種類型，即傳感節點、路由節點和協作節點[9]，其中，傳感節點負責采集感興趣的礦井現場數據，并將感知結果轉發給路由節點；路由節點將數據傳輸給無線網絡和有線網絡接口網關；協作節點通過協同的方式為別的節點提供數據轉發服務，它可以是路由節點，也可以是傳感節點。為了滿足礦井 WSN節點的感知需求，WSN節點宜采用MEMS（microelectro mechanical system）等新興技術，克服傳統催化式礦用傳感器的缺陷，如催化中毒導致感知結果誤差嚴重、耗電過快導致監測空洞等問題。為了保證數據的可靠傳輸，WSN節點應具有較強的自適應組網能力和重構能力，以適應煤礦巷道通信信道復雜多變的特點，并提高應急情況下網絡損毀后的快速自愈能力。

3.2.3 礦用UWB

UWB的強穿透力對于救災救援信號的傳輸十分有利。由于 UWB采用了持續時間極短、占空比極低的窄脈沖信號[18]，因此通過多徑信道后的直射波、反射波或折射波不易重疊，接收機在接收的時候容易分辨出不同路徑的信號，有助于降低煤礦巷道中強多徑效應的影響。UWB信號占用的頻段極寬（3.1～10.6 GHz），與現有無線通信系統所使用的頻帶存在重疊，因此必須限制其發送功率，以免對現有的無線通信系統造成干擾，這導致其最大傳輸距離僅為10 m左右。不過，煤礦井下不存在地面那樣眾多的無線通信系統[26]，不用過于考慮對其他無線通信系統的干擾，因此可以適度增大發射功率以提高傳輸距離，使UWB的傳輸距離達到200 m甚至更遠。在保持發射功率不變的情況下，降低數據傳輸速率，也可以達到提高傳輸距離的目的。

在礦井中，可將UWB作為WSN的物理層技術，從而充分利用WSN和UWB的優勢。一方面，WSN具有分布式、自組織、頑健棒性高、擴展性好等優勢，可以動態組網以便采集和傳輸數據。另一方面，UWB具有功耗低、速率高、抗干擾和抗多徑能力強、定位精度高等優勢，適合在礦井復雜多變的環境中實現可靠數據通信，并提供基于位置的服務。因此，結合WSN和UWB的優勢，構建基于UWB的礦用WSN，可以顯著提高WSN的感知能力、通信距離和覆蓋范圍，增強網絡通信容量、傳輸速率和可靠性，提高測距和定位精度，這對應急救援是非常有利的。

在工作面使用的時候，UWB調制方式宜采用BPM（bi-phase modulation）[27]，因為在信息源的“0”和“1”碼元概率相等時沒有離線譜線，即使碼元概率不相等，它的離線譜線也很少，這對低功耗WSN而言非常有價值。發送符號可采用二階高斯波形，接收端采用非相干接收方式，以降低接收機結構。基于UWB的WSN已在礦井多媒體信息傳輸[28]、移動目標定位[29]等方面得到了廣泛應用，并在礦井災后塌方體成像[30]、塌方體下生命特征檢測[31]等方面取得一定研究成果，不過仍然需要針對煤礦巷道特點，大力研究普適性強的煤礦巷道UWB信號信道傳輸模型、適合于礦井環境的UWB調制方法、UWB信號壓縮感知方法，以及UWB與其他無線技術融合使用方法等關鍵技術。

3.2.4 礦用VLC

LED（light emitting diode）燈具有光轉化效率高、壽命長、發熱率低[32]等特點，并且可以快速切換光強，這種切換的速度極快以致肉眼無法察覺，因此可以用于調制并傳輸數據。在煤礦巷道特別是煤礦工作面使用VLC具有得天獨厚的優勢：首先，煤礦巷道中本來就有照明燈具，因此不需要專門為VLC系統大幅追加投資；其次，煤礦巷道不但沒有太陽光等強背景噪聲干擾，而且黑色的煤壁對可見光的反射能力很弱，因此通信比較穩定可靠。此外，VLC所使用的帶寬極高，因此擁有更大的信道容量和更高的傳輸速度。

以煤礦工作面為例[34]，在液壓支架頂部安裝LED照明燈具，這些燈具兼做傳輸語音、視頻、數據等信息的光源基站，而位于巷道內的礦工是煤礦VLC系統的移動節點，如圖3所示[33]。除了照明燈基站和移動節點外，構成工作面VLC系統的設備還包括照明用電力電纜和綜保電力載波裝置。照明用電力電纜為工作面原有的127 V低壓照明電纜，照明燈基站和綜保電力載波均連接在照明用電力電纜上。因此，煤礦工作面VLC系統真正的可見光通信部分其實是移動節點與照明燈基站部分，它們之間實現了雙向無線移動通信，而綜保電力載波與井下環網交換機或分支交換機連接，將煤礦工作面的數據經由有線骨干網絡傳輸到地面。然而，在發生礦井事故時，照明燈基站由于供電中斷而無法繼續工作，因此應大力研究LED光源部署優化技術、LED燈之間的無線自組網技術和煤礦VLC系統多用戶技術，實現救援人員、被困人員等對象之間的自組成網。

圖3 工作面可見光通信系統結構

3.3 TTE煤礦應急通信系統

TTE通信是一種有力的礦井事故應急救援通信手段[6]，以大地作為媒介傳播極低頻信號[35]，主要有磁感應、地電極和彈性波3種傳輸方式，其中，磁感應方式使用得最普遍，彈性波和地電極方式在低頻段依賴于地層傳播[36]，因此受地層特性影響很大，應用于中間煤層和采空層時會嚴重影響信號強度。磁感應方式則是通過天線輻射進行低頻電磁波傳輸，由于不同地層和空氣介質的磁導率基本相同，不存在層面反射問題，因此通信過程受到大地介質和地層結構影響較小。另外，地電極和磁感應這2種方式是近場通信，不存在多徑效應，而彈性波方式存在多徑效應和衰落現象。從能量利用效率的角度而言，地電極方式在低頻段的能量效率要顯著高于磁感應方式，而彈性波方式的能量效率最差。

為了實現礦井磁感應TTE通信，需在地面和井下分別架設閉合線圈天線作為發射裝置和接收裝置，通過改變發射線圈中的電流產生時變電場，引起接收線圈所包圍的有效面積的磁通量變化，從而在接收線圈導體中產生感應電動勢，如圖4所示[37]。為了提高發射線圈的磁場強度，要求發射回路和接收回路中的電容、線圈電感和工作頻率滿足共振條件。這種通信方式的最大缺陷是發射天線太大，給在空間有限的煤礦巷道中部署和使用帶來了很大不便。

位于煤礦井下的透地通信設備可以放置于礦工腰間，由電池供電。該設備可以作為一個信標，當災害導致頂板垮落使某個區域無法到達時，用以輔助確定受困礦工位置并與其通信。地面的敏感接收裝置接收受困礦工發出的周期性窄帶信令脈沖，并對信號源進行定位，從而確定受困礦工位置。一旦確定位置，就在受困礦工上方的地面部署一個大尺寸的發射裝置，建立地面與受困礦工的直接語音通信。

圖4 磁感應TTE信號傳輸原理

若采用基于振動的彈性波方式，則可用多個子陣列（而不是由多個單獨的地震檢波器）組成的一個陣列來接收振動信號，因為子陣列方式的SNR（signal to noise ratio）更高。在發生礦難時，若某礦工的所有可能逃生路徑都被切斷，則該礦工按照如下方式與地面建立聯系：1) 戴上有害氣體防護面罩，在受困位置等待地面信號；2) 地面人員引爆3個射孔彈；3) 當礦工聽到3次射孔彈聲音之后，就用硬物敲打礦井較硬的區域若干次；4) 如果聽到來自地面的聲音回應，便可確定自己的敲擊信號已被地面收到，若沒有接收到地面的響應，需每隔一段時間（比如15 min）重復敲擊動作。

3.4 TTW-TTA混合技術

某些礦井通信技術不是單純采用 TTW 或TTA，而是結合了二者的優勢，比如中頻感應通信和漏泄通信就是其中的典型代表。中頻感應通信利用礦井巷道敷設的導線、金屬管道等導體對電磁波的導行作用傳輸信息[38]，這對于礦井應急通信具有一定吸引力，因為礦井巷道中廣泛存在金屬導線和金屬管道。漏泄通信通過在同軸電纜上開孔或開槽的方式[39]，使信號在沿著同軸電纜傳播的同時，也能向電纜周圍產生漏泄場強而實現無線通信功能。由于篇幅所限，這里僅討論漏泄通信方式。

漏泄通信主要由漏泄電纜、功分器、雙向中繼器等組成，其中，漏泄電纜（如圖5所示）是其核心組成部分[40]。漏泄電纜是一種具有規律性開槽或開孔結構的同軸電纜，兼具信號傳輸線和發射天線的特性。按照開孔形式的不同，可將漏泄電纜分成耦合型和輻射型2種，前者只適合短距離通信，應用于煤礦的漏泄通信一般采用后者。當電磁波沿著電纜傳輸的時候，從開孔輻射到周圍空間，通過而產生漏泄場，使移動終端獲取到信號能量，實現與地面基站的通信。同時，也可將井下信號耦合到漏泄電纜中，將其傳輸到地面或井下其他地方，從而實現雙向通信。漏泄通信不受環境影響，組網能力強、可靠性高、傳輸距離遠，可以覆蓋到包括豎井井筒、斜井巷道在內的需要無線通信的礦井區域，用于傳遞語音數據、打點信號等。

針對傳統的漏泄通信系統存在的無線覆蓋面積不大、傳輸帶寬不高的問題，人們提出了一些改進型的方法和產品。一種方法是利用漏泄波導代替漏泄電纜[41]，因為漏泄波導工作在2～6 GHz頻段，其衰減僅為漏泄電纜的一半左右，所以中繼器的部署密度可從600 m提高到1 500 m，覆蓋優勢明顯。此外，漏泄波導所能提供的帶寬也遠遠大于傳統的漏泄電纜，并且結構更加穩定，在礦難時不易斷裂，抗毀能力更強。另一種方法是在線纜中集成微型基站[42]，將射頻單元、基帶處理單元、天饋系統及傳輸線、電源線等全部匯集到一條線纜內，根據集成的微型基站的不同，該漏泄通信可以與WSN或Wi-Fi兼容，從而擴大了漏泄電纜的覆蓋范圍和傳輸帶寬。

3.5 現有煤礦應急通信面臨的挑戰

煤礦事故會導致有線通信線纜被砸斷、設備損毀或供電中斷，因而骨干網絡、調度通信系統、移動通信系統和廣播通信系統都無法確保事故區域的通信聯絡[43]。將電纜埋入底板雖可以一定程度上抵御煤塊砸壓的影響，但在礦壓和底鼓嚴重的情況下電纜依然會折斷。透地通信雖然受到事故的影響較小，但是天線太大，鋪設復雜，信道容量小，通信距離短。中頻感應通信配備了特殊的感應通信電纜，但是信道容量小，天線體積大，電磁干擾強。漏泄通信的地面站通常建立在控制室，雖然覆蓋范圍廣，但是抗干擾和移動能力較弱，不能完全滿足井下救援通信需要。Mesh技術雖然可以采用自組織的方式讓殘存節點自組成網[44]，但是如果節點連片被毀（比如爆炸事故），也無法保證通信。基于鋼軌的應急通信系統利用振動信號在固體媒介中的傳播特性傳輸信號[45]，但是傳輸的信息量較小，覆蓋范圍受限。雖然有文獻針對救援網絡信道容量不足、傳輸干擾嚴重的問題展開研究[46]，但前提是需要有可用的災后網絡。另外，也有學者提出將井下擴播電話、井下小靈通、Wi-Fi手機、調度電話、井下廣播系統等通過網關或轉換器互聯起來[47]，以增加覆蓋范圍和可靠度，但是這種互聯并不能解決通信系統本身的損毀問題。其他無線通信方式，如無線傳感器網絡、可見光通信、RFID等，都會由于設備在事故中損毀而無法組網。

圖5 漏泄同軸電纜的原理示意

不過，煤礦事故并不會造成有線網絡全部被毀。如前文所述，礦井骨干網絡多采用千兆甚至萬兆工業以太網，與地面連通可通過2個井筒，也可通過單個井筒。以2個井筒為例，如圖6所示，事故雖然會造成井下交換機A和交換機B之間的線纜中斷，但是網絡的其他部分依然可以繼續工作，這稱為災后可用有線網絡。有鑒于此，Novak等[48]提出了基于漏泄通信的災后通信網絡，將圖6中的骨干網絡設計為漏泄通信電纜，交換機A可以通過災后可用有線網絡和地面進行通信，進而與交換機B實現互聯。實際上，骨干網絡為其他線纜類型與此類似。此外，除了有線網絡之外，包括事故區域在內的煤礦巷道內還部署有數量眾多的煤礦物聯網節點，它們可能是感知節點，也可能是通信節點。

圖6 煤礦環形骨干網絡

不失一般性，將與事故區域最近的交換機（如圖6中的交換機A）相連的尚未損毀的節點稱為救援網絡網關。顯然，事故區域的殘存節點若能實現災后重構組網和數據傳輸，便能利用災后重構網絡對事故區域進行態勢感知和通信聯絡。因此，救援所需的通信聯絡和態勢感知問題可以歸結為事故區域的煤礦物聯網災后重構感知問題。

目前，煤礦通信網絡的災后重構感知研究明顯不足。Sun等[49]研究了救援場景的礦井鏈狀Ad Hoc模型，其基本假設是機器人在巷道中移動采集信息，并通過Ad Hoc網絡傳輸到操控中心。針對煤礦災后井下可用Wi-Fi AP變少的問題，張國鵬等[50]提出了基于Wi-Fi Direct的拓撲重構方案，以區分服務的方式優先上行傳輸關鍵的災后信息，以無線多播的方式下行傳輸救援指令等數據。Liao等[51]提出由救援隊和被困人員同時向中間努力，縮短被困人員的受困時間，礦工攜帶一個裝有移動代理的RFID標簽，用于確定緊急情況下應該采取的策略。張玉等[52]研究了井下應急救援無線Mesh網絡的拓撲規劃與資源配置問題，以解決網關瓶頸、突發單點故障等問題。黃志凌[53]研究了基于鉆孔的逃生救援系統，探討了鉆孔的基礎參數及其影響因素。

4 煤礦應急通信技術的發展趨勢

本節在煤礦應急通信技術的發展現狀的基礎上探討其發展趨勢，進而引出一種新的基于煤礦物聯網重構的應急通信新模式。

4.1 3個典型發展趨勢

隨著新技術的蓬勃發展和不同技術的交叉融合，煤礦應急通信技術呈現出的典型發展趨勢如圖7所示，具體介紹如下。

圖7 煤礦應急通信技術的發展趨勢

1) 以物聯網為架構平臺，充分融合現有井上下通信資源，形成覆蓋全礦井的煤礦安全生產和應急救援的一張大網，融入大網中的資源具有較強的災后互識能力和按需重構能力，具體介紹見4.2節和4.3節。

2) 大力發展穿巖通信技術，通過巖石、土壤等媒介直接傳遞求救和救援信號，突破有線線纜和無線節點大面積損毀導致的通信難題，這在“十二五”和“十三五”期間均有國家層面的科技攻關計劃支持，如中國礦業大學（北京）的孫繼平教授主持的“十三五”國家重點研發計劃項目“煤礦重特大事故應急處置與救援技術研究”。

3) 與云計算、“互聯網+”等技術融合，構建空天地井一體化的新興救援方式，不過這種救援方式的前提是要有煤礦應急通信網絡提供救援現場的一手信息，是在應急通信網絡基礎上的應用擴展，因此本文不再論述。

4.2 基于煤礦物聯網重構的應急通信模式

本節重點討論發展趨勢 1，并提出一種基于煤礦物聯網重構的應急通信新模式。煤礦物聯網是實現煤礦信息感知、傳輸和應用的信息基礎架構。由于絕大多數感知節點同時具有通信能力，從通信組網的角度而言，可以不加區分地將感知節點與通信節點統稱為物聯網節點。煤礦事故發生后，若能盡快利用災后殘存的物聯網節點（簡稱為殘存節點）、井下備用通信設施（簡稱為備用節點）重構事故區域煤礦物聯網，將有望重新建立起事故現場與地面指揮中心的通信聯系，在專業救援人員到達事故礦井前或井下巷道暫時不適合救援人員進入的情況下，為初步了解現場態勢提供“盡力而為”的感知和通信服務。在救援人員進行災區探測和救援時，可以攜帶一定數量的臨時通信節點（簡稱為臨時節點，如圖8所示）并放置于巷道交叉口或節點損毀嚴重區域。此外，救援人員、救災機器人、救災設施等都可攜帶或安裝通信終端，他們具有移動能力，可作為重構組網的移動節點，用以增加組網節點數量，提高組網成功率和連通度。加入移動節點后，即使有少部分區域無法連通，也可利用移動節點的移動，為這些不連通區域提供機會連通路徑，實現機會組網。

圖8 煤礦事故后的應急救援場景

方便起見，將救援人員和救災機器人在地面救援指揮中心的指揮下開展救援工作的巷道稱為救援巷道，被困人員所處的巷道稱為被困巷道，救援巷道和被困巷道統稱事故區域。此外，將只由殘存節點和備用節點進行的重構稱為基本型災后網絡重構，簡稱為基本型重構，重構得到的網絡稱為基本型災后重構網絡；而將在基本型重構基礎上加入臨時節點、移動節點后的重構稱為增強型災后網絡重構，簡稱為增強型重構，重構得到的網絡稱為增強型災后重構網絡。基本型災后重構網絡和增強型災后重構網絡統稱為災后重構網絡。臨時節點和移動節點增加了事故區域節點數量，從而增大了組網成功率和網絡連通度。此外，移動節點可在少部分不連通區域間充當數據使者，為不連通區域提供機會鏈路，因此，增強型重構有望大幅提高重構的成功率和可靠度。為了增強移動節點能力，可為部分救援人員或救災機器人配備或安裝便攜激光雷達，稱為增強型移動節點。鑒于激光雷達已實現了微型化和廉價化，為救援人員或救災機器人配備或安裝激光雷達沒有任何技術性或實踐性的困難。

在實際救援中，地面救援指揮中心根據救援需要產生感知需求，由應急救援決策系統抽取出感知需求特征，并利用感知節點可理解的語言進行描述，如圖9所示。感知需求通過井上網絡和災后可用有線網絡傳輸到救援網絡網關，進而通過災后重構網絡將感知需求傳輸到事故區域，調度事故區域的殘存感知節點實施協同感知。協同感知結果通過災后重構網絡、災后可用有線網絡、井上網絡等傳輸到地面救援指揮中心，供救援指揮人員進行救援決策。救援決策命令按照與感知需求相似的傳輸路徑傳輸給井下救援人員、救災機器人和被困人員。

圖9 面向事故救援的煤礦物聯網災后重構與態勢感知

4.3 煤礦物聯網應急重構關鍵技術

確定被困人員位置是災區偵察和事故救援的第一要務，只有確定了被困人員的準確位置，才能有的放矢地開展救援工作。此外，在災區偵察和事故救援過程中，迫切需要建立救援人員和地面救援指揮中心的通信聯系，幫助救援指揮人員掌握現場態勢，這些需求均可通過基于煤礦物聯網重構的應急通信模式加以解決。為了實現煤礦物聯網重構和現場態勢感知，必須攻克如下4項關鍵技術：煤礦物聯網災后重構策略、礦井事故漂移節點重定位方法、礦井事故區域的態勢感知方法和災后重構網絡的數據傳輸方法。

4.3.1 煤礦物聯網災后重構策略

確定事故區域還有哪些殘存節點可用是實現煤礦物聯網災后重構的一個基本前提。此外，如果損毀節點太多，僅僅使用殘存節點和備用節點的基本型重構難以保證組網成功，此時應讓臨時節點及參與救援的移動節點（如被困人員、救援人員、救災機器人、救災設施等）也參與組網，利用機會通信的思想進行增強型重構[54]。目前，有關機會通信的研究主要集中在地面場景，礦井中的機會通信研究成果極少。Luo等[55]將煤礦巷道中的機車作為移動sink節點，它在巷道中按照既定路線運動，直接收集傳感節點的數據，不過沒有考慮救災場景中機車可能無法移動、數據傳輸時延不能太大等問題。鄒艷芳等[56]提出了一種基于終端屬性的礦井機會網絡分組轉發協議，該協議以終端時延、與目的節點相遇概率、擴散范圍等3個屬性作為轉發指標，主要聚焦于正常生產情況下的煤礦巷道，沒有考慮災后情況下的網絡重構問題。

煤礦事故救援場景下，將鄰居節點緩存起來的傳統方法發現殘存節點不再可行，因為災后煤礦巷道的許多節點都處于運動或準運動狀態，緩存中的節點信息無法反映事故區域的最新拓撲結構。此時，宜綜合利用同步發現和異步發現的優勢，通過殘存節點顯式或隱式的周期性發送鄰居探測包的方法實現，如圖10所示。此外，需動態建立事故區域的信道質量模型，據此設計在線鏈路質量估計算法，根據測得的鏈路質量數據動態確定節點的最佳通信參數，調度殘存節點和備用節點按照最佳通信參數進行重配，實現節點之間的互聯互通，達到災后重構的目的。救援人員進入事故區域開展探測和救援工作后，事故區域內將具有實施增強型重構所需的移動節點和臨時節點，這將增加組網節點數量，提高組網成功率和網絡連通度。如果仍然有少部分區域無法連通，可進一步設計移動節點主動調度算法，或被動利用節點的自主性移動，實現不連通區域的機會組網，進而實現事故區域全覆蓋。

4.3.2 礦井事故漂移節點重定位方法

在進行礦井事故救援時，救援人員必須掌握事故發生在哪里、受影響的巷道有哪些、被困人員在何處等與位置有關的重要問題。在正常生產過程中，絕大多數感知節點部署后就不再移動，其位置就是安裝位置[57]，礦井內的移動對象（比如礦工、移動設備等）則依賴于礦井動目標定位系統實時獲得自身位置。因此，無論是固定節點還是移動節點，它們在正常情況下的位置都可準確獲得。然而，一旦發生煤礦事故，這些節點皆有可能受事故影響而被動偏離原來位置，即發生節點漂移。節點漂移一方面會造成節點自身的坐標位置變成未知量，另一方面也將造成以它為基準進行定位的節點無法獲知參考位置而定位失敗，因此，如何對漂移節點進行重定位是實施針對性事故救援必須要解決的基礎性難題。盡管目前已有零星的重定位研究成果，但是這些方法不能解決煤礦井下，特別是礦井災后救援場景面臨的特殊難題。

圖10 煤礦物聯網災后重構

圖11 礦井事故漂移節點重定位

不過，事故區域的節點位置雖然是未知量，但是利用被動定位技術可粗略地確定它們之間的相對空間關系。另外，考慮到激光雷達的小型化和低廉價格，可為部分救援人員或救災機器人配備激光雷達，利用RSSI（received signal strength indication）數據和SLAM（simultaneous location and mapping）技術繪制事故區域無線信號強度地圖，進而確定節點的相對空間位置，如圖11所示。由于臨時節點、救援網絡網關等節點的絕對坐標是已知的，以它們的坐標為基準對相對定位結果實施坐標變換，可得到殘存節點絕對坐標。另外，地面煤礦物聯網平臺存儲有井下所有節點的初裝位置，通過將初裝位置與變換得到的絕對坐標比較，即可判斷是否漂移，從而選擇出沒有發生漂移和漂移程度較小的節點作為重定位信標。與傳統的礦井定位系統自成體系不同，這里選擇的重定位信標節點不但可以是原礦井定位系統的信標節點，也可以是災后重構網絡中的感知節點和通信節點，因此大大增加了候選信標節點數量。基于所選擇的重定位信標，利用現有的礦井定位方法便能實現漂移節點的重定位。

4.3.3 礦井事故區域的態勢感知方法

現有的零星煤礦網絡重構研究很少關注救援所需的態勢感知問題，這與傳統的煤礦通信網絡設施僅有通信能力而沒有感知能力有關。煤礦物聯網節點兼具通信和感知能力，有望在煤礦事故后實現重構和感知并重。但是，礦井災后候選感知節點選擇、節點資源分配策略與正常情況下的煤礦物聯網有著極大差異[58]，必須根據救援需要按需規劃和動態調整。此外，可依據感知到的場景信息（如位置、溫度、風速、礦工生命體征等）建立場景信息模型[59]，進行場景信息推理，從而為事故救援服務。虛擬網絡映射技術雖然可將物理資源按照約束條件分配給虛擬網絡[60]，但是虛擬網絡映射研究的是如何將一個已知拓撲的虛擬網絡的節點和鏈路映射到實際的物理節點和物理鏈路上，而災后救援的關注點則是如何根據救援需求對殘存感知節點進行動態調度，無論假設物理節點或虛擬節點已知都不再恰當，需要結合節點認知及其動態變化過程進行仔細優化。

事故現場態勢感知的關鍵是如何調度災后重構網絡中的殘存感知節點實施協同感知，這可根據分布式漸進層次演化圖思想（如圖12所示），將殘存感知節點調度過程視為在感知需求約束下與基本重構圖或增強重構圖匹配的過程。求解該匹配問題，即可得到滿足感知需求的子圖，即節點調度結果。當地面救援指揮中心的感知需求發生變化時，可以再次執行基于圖匹配的殘存感知節點調度算法，不過這將消耗較多的災后重構網絡資源，而這些資源對于本就比較脆弱的災后重構網絡而言十分珍貴。也可將殘存感知節點調度算法設計為在線調度，但這將對災后重構網絡資源構成更大的考驗。因此，為了降低殘存感知節點的能量消耗，應盡量避免執行全新的節點調度，而應在保持當前調度結果不變的情況下，通過調整節點感知參數、增減感知節點數量等方式實現感知任務的漸進式遷移。只有當漸進式遷移無法滿足需求時，才再次執行全新的節點調度。

4.3.4 災后重構網絡的數據傳輸方法

實現災后重構網絡中的雙向數據傳輸，是掌握事故現場態勢、與事故現場進行溝通聯絡的內在要求。由于救援網絡網關可視為災后重構網絡的一部分，同時救援網絡網關到地面間的災后可用有線網絡不存在任何障礙，因此只要保證災后重構網絡中的數據傳輸通暢，即可實現地面和事故區域的信息互通。災后重構網絡的一個典型特征，是數據接收者具有明顯的地理位置特征，這為構建災后重構網絡的貪婪數據傳輸方法提供了條件，如圖13所示。而災區探測和救援中的移動節點，一方面可以作為貪婪數據傳輸的備選中繼節點，用于提高災后重構網絡的數據傳遞成功率，節省殘存節點的剩余能量；另一方面，這些移動節點還為構建基于運動統計特征或相遇預測等方式的機會數據傳輸方法奠定了基礎。

圖12 礦井事故區域的態勢感知

目前，在地面場景的機會數據傳輸的研究成果較多，主要集中在對節點相遇間隔和持續時間的分析上，用于解釋節點相遇的概率分布（比如指數分布[61]、冪律分布[62]、具有指數截止的冪律分布[63]等）；或者建立網絡時序圖模型[64]，用于反應網絡拓撲的變化過程和態勢；或者利用實驗數據研究機會網絡的消息傳遞路徑特性[65]，用于尋找節點之間的時間-空間相關性。不過，煤礦巷道的節點運動是作業人員驅動下的有目的性的運動，并且遵循特定的班組排班規律，已有運動模型并不適合，需要研究符合煤礦巷道特征的節點運動模型，用于指導機會路由算法的設計。從數據分發角度看，需要為數據選擇合適的轉發時機和中繼節點。基于鏈路質量認知的節點參數重配技術能夠進一步增加候選中繼節點數目，從而滿足救援所需的時延等QoS要求。

圖13 災后重構網絡的數據傳輸

5 結束語

煤礦應急通信系統是提高應急響應速度和應急救援效果的必備基礎設施。本文提煉了煤礦應急通信技術的混合架構模型，從TTW、TTA、TTE

和MMT這4個方面綜述了煤礦應急通信技術的發展現狀、關鍵技術和面臨的挑戰，指出單一技術無法完美解決煤礦應急救援面臨的通信難題。隨后，本文闡述了煤礦應急通信技術呈現出的發展趨勢，即基于煤礦物聯網的多技術融合、以透地通信為代表的穿巖通信大發展及空天地井一體化救援逐漸興起等發展趨勢，并提出了一種基于煤礦物聯網重構技術的應急通信新模式，它融合了通信環境認知能力、事故態勢感知能力和被困人員定位能力，有望顯著提高事故應急處置速度和救援效果。