基于現(xiàn)代化礦井的通信技術(shù)

朱德娟

（云南人防建筑設(shè)計院有限公司 云南省昆明市 650000）

在現(xiàn)代化的環(huán)境下，通信技術(shù)在不斷的突破與創(chuàng)新，以及機械化是現(xiàn)代化煤礦的發(fā)展的主要方向。煤礦企業(yè)充分地利用信息技術(shù)，不僅實現(xiàn)了供電、通風(fēng)、運輸?shù)裙ぷ鳝h(huán)節(jié)的無人看守，還減少了綜采、綜放等工作人員，更是保證了煤礦的安全生產(chǎn)與高效生產(chǎn)。然而，真正地實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要我們加強對信息技術(shù)的有效利用，充分的發(fā)揮出地面遠(yuǎn)程控制功能，加強視頻系統(tǒng)與監(jiān)視系統(tǒng)，進(jìn)而為礦井通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。如圖1所示。

1 現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)體系

1.1 調(diào)度通信系統(tǒng)

調(diào)度通信系統(tǒng)要符合礦用標(biāo)準(zhǔn)，在通信系統(tǒng)的搭建過程中，要以礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)為核心基礎(chǔ)。在礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)的配備上，多芯通信電纜是主要的工具，保持安全柵與地面調(diào)度交換機的有效連接，防止礦井下斷電所帶來的消極影響。即便是出現(xiàn)了事故停電也不會，對整個通信系統(tǒng)的運營也起到了安全的保障。換而言之，礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)是最可靠且最安全的煤礦井下通訊系統(tǒng)，無論緊急避險，還是生產(chǎn)中的特殊情況，煤礦井下有線系統(tǒng)始終發(fā)揮著積極的作用[1]。

有線固定電話是礦用有線通信系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備，在運行過程中要保證線路的安全性，一旦線路出現(xiàn)問題，會出現(xiàn)使用不便利的現(xiàn)象，無法滿足井下移動工作。在掘進(jìn)與采煤活動中，工作人員要向調(diào)度室匯報工作情況，匯報時首先要走到固定電話的區(qū)域，調(diào)度室在安排工作內(nèi)容時，也要以固定電話的形式開展，一旦在固定電話的區(qū)域內(nèi)沒有工作人員的話，那么消息自然也無法傳達(dá)。尤其在發(fā)生事故時，地面調(diào)度室人員無法第一時間聯(lián)系到井下工作人員，而井下工作人員也不能在第一時間將井下情況匯報給調(diào)動室。

所以，有線通信系統(tǒng)的設(shè)備選擇一定要更加科學(xué)、更加合理，同時兼顧通信與方便兩個方面，設(shè)備的選擇上以IP 網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備與程控數(shù)字交換機為主。但礦用防爆交換機與礦用IP電話通信系統(tǒng)，要在井下供電的情況下才能使用，一旦出現(xiàn)井下電力系統(tǒng)事故時，直接影響到了系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。所以，礦用IP 電話通信系統(tǒng)不能完全代替有線系統(tǒng)。換而言之，有線調(diào)度通信系統(tǒng)與IP 電話通信系統(tǒng)進(jìn)行充分的比較，前者性能要優(yōu)于后者。

1.2 移動通信系統(tǒng)

移動通信系統(tǒng)一定要具備便捷與及時的特點，便于井下移動人員的通信，方便調(diào)度指令的傳達(dá)，方便生產(chǎn)情況的溝通，有效的降低井下生產(chǎn)的安全隱患，有助于人員撤離與救助，進(jìn)而提高了井下生產(chǎn)的整體質(zhì)量與整體效率。然而，礦井移動通信系統(tǒng)基站設(shè)備要通過井下供電才能正常工作，一旦出現(xiàn)井下生產(chǎn)事故或者斷電的話，整個工作系統(tǒng)會出現(xiàn)癱瘓。無論對生產(chǎn)活動，還是對員工的人身安全都造成了嚴(yán)重的危害，如果不能及時開展施救活動，所造成的后果可能不堪設(shè)想。

圖1

雖然基站會配備了數(shù)小時工作時長的備用電源，但安全性依然得不到充分的保障，安全性能也低于有線通信系統(tǒng)。因此，礦井移動通信系統(tǒng)并不能作為主要的通信方式，更多以輔助系統(tǒng)的形式出現(xiàn)，想完全代替有效通訊系統(tǒng)，還需要科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。通常情況下，煤礦井下的移動通信系統(tǒng)一般會分為兩個基礎(chǔ)層面，分別是局部移動通信系統(tǒng)與全礦井移動通信系統(tǒng)，前者實現(xiàn)了整個煤礦井下工作面的完整覆蓋，而后者則是通過Wi-Fi，以及3G、4G、5G 網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)。礦井局部移動通信系統(tǒng)相對全礦井移動通信系統(tǒng)而言，有著投入較少的優(yōu)勢，但是功能方面也有著較大的局限性。現(xiàn)階段，局部移動通信系統(tǒng)通常采取Wi-Fi 通信手段[2]。

1.3 廣播通信系統(tǒng)

廣播通信系統(tǒng)是人員調(diào)動與信息指令傳達(dá)的有效手段，以及調(diào)度信息等通過顯示屏或廣播的形式通知井下工作者，也是井下緊急避險的主要工具。然而，礦用廣播通信系統(tǒng)也需要井下供電才能實現(xiàn)正常的工作，備用電源也無法保證廣播系統(tǒng)的正常運行。盡管廣播通信系統(tǒng)在礦下發(fā)揮著積極的作用，卻依然只起到了輔助功能，不能將其視為系統(tǒng)的核心，防止出現(xiàn)因井下斷電對正常的生產(chǎn)經(jīng)營所造成嚴(yán)重的影響。

在礦井廣播通信系統(tǒng)中，不僅要具備顯示屏與廣播的功能，還要具備地面緊急呼救功能，只有實現(xiàn)雙向語音通信，才能保證通信的高效性與可靠性。礦井廣播通信系統(tǒng)除了正常的報警與調(diào)度外，還會在播放一些生產(chǎn)調(diào)度信息，加強了設(shè)備的利用率。在礦井廣播通信系統(tǒng)的技術(shù)選擇上，通常情況下會以無源光網(wǎng)絡(luò)IP 通信技術(shù)或以太環(huán)網(wǎng)為主。

1.4 救災(zāi)通信系統(tǒng)

救災(zāi)通信系統(tǒng)更多的應(yīng)用在救援隊伍中，給井下救援打下了堅實的通信系統(tǒng)，保證救援隊伍與指揮部門之間的有效聯(lián)系。在煤礦井下救災(zāi)通信系統(tǒng)中，除了具備語音通信功能，還要采取圖像監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、人員監(jiān)護(hù)等諸多的功能，讓整個救援工作能順利地開展。在礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)中，主要包含了兩個分系統(tǒng)，分別是無線系統(tǒng)與有線系統(tǒng)。

有線救災(zāi)通信系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了通信的安全性與可靠性，而且通信電纜還能充當(dāng)探險繩索。無線救災(zāi)通信系統(tǒng)還可以根據(jù)通信方式進(jìn)行細(xì)分，多媒體救災(zāi)通信系統(tǒng)的有效應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)語音救災(zāi)系統(tǒng)的束縛，在多媒體救災(zāi)通信系統(tǒng)的技術(shù)選擇方面，多以感應(yīng)通信為主。此外，MESH 與Wi-Fi 也應(yīng)用到了無線通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對井下救援的全面監(jiān)視。

1.5 應(yīng)急通信系統(tǒng)

應(yīng)急通信系統(tǒng)的主要功能是搶險救災(zāi)、危險報警、組織人員撤離、被困通信聯(lián)絡(luò)等。在正常的生產(chǎn)活動中，當(dāng)瓦斯爆炸等事故發(fā)生后，給整個通信系統(tǒng)帶來了破壞性的打擊，甚至?xí)霈F(xiàn)斷纜，停止供電等現(xiàn)象，無論是有效通信系統(tǒng)，還是無線通信系統(tǒng)，都無法保障正常的通信聯(lián)絡(luò)。因此，在煤礦井下避難硐室放置天線與發(fā)射機，能有效的提高與地面指揮室的相互聯(lián)絡(luò)，然而，該種方式也有自身的缺陷，不適合較深的礦井[3]。

此外，應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)用在臨時施工活動中，能有效的提高臨時施工的工作質(zhì)量與工作效率，極大程度地保證了生產(chǎn)的安全性。在煤礦井下臨時施工活動中，通信系統(tǒng)要充分的發(fā)揮出便捷的作用，在實際生產(chǎn)活動中，一旦出現(xiàn)通信系統(tǒng)的大規(guī)模破壞。此時，應(yīng)急通信系統(tǒng)能充分地發(fā)揮出便捷的優(yōu)勢，便于布設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)。因此，在煤礦井下臨時施工活動中，通常選擇MESH、Wi-Fi 等技術(shù)手段建設(shè)應(yīng)急通信系統(tǒng)。

1.6 通信系統(tǒng)技術(shù)體系

根據(jù)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)礦井通信系統(tǒng)由多個通信系統(tǒng)構(gòu)成，每個通信系統(tǒng)都有著自身的功能與作用，具體包括有線、移動、廣播，以及救災(zāi)通信系統(tǒng)，為煤礦井下的安全生產(chǎn)提供著通信基礎(chǔ)。例如，可靠是有線系統(tǒng)的主要特性，便捷性與實時性是移動系統(tǒng)的主要特征，而廣播系統(tǒng)則充分地發(fā)揮著信息傳遞的作用與功效，救災(zāi)系統(tǒng)的等，在多種通信系統(tǒng)的共同作用下，極大程度的滿足了礦井的通訊要求。

2 移動通信的特殊功能

2.1 脫網(wǎng)通信

通常情況下，瓦斯爆炸等事故會極大概率地造成設(shè)備損壞、斷纜，以及井下供電系統(tǒng)損壞等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致有線、移動、廣播通信系統(tǒng)工作無法正常的運行。手機中脫網(wǎng)通信功能的合理安置，只要在無線范圍內(nèi)，就能發(fā)揮求救信號，實現(xiàn)被救人員與被救人員之間的有效聯(lián)絡(luò)。此外，不僅能提高礦災(zāi)后的搜救效率，對井下臨時施工的開展也起到了正向作用。相比傳統(tǒng)的CDMA 通信系統(tǒng)，Wi-Fi 有助于手機脫網(wǎng)通信功能的實現(xiàn)[4]。

2.2 井下有線寬帶網(wǎng)絡(luò)

在煤礦井下施工活動中，地上調(diào)度室與工作面之間的最大距離高達(dá)10 千米左右，較長的距離直接衰減了無線的傳輸力度。通常情況下，無線傳輸距離在幾百米，因此，寬帶在煤礦井下傳輸，應(yīng)采取有線傳輸。同時，根據(jù)煤礦井下的具體環(huán)境，選擇相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。一般會選用基于TCP/IP 協(xié)議的無光源網(wǎng)絡(luò)或者以太環(huán)網(wǎng)。

2.3 無線自組織網(wǎng)絡(luò)

上面我們已經(jīng)提到，隨著煤礦井深度的不斷延長，網(wǎng)絡(luò)信號會出現(xiàn)大幅衰減，為了降低因事故所導(dǎo)致的無線通信系統(tǒng)的損壞，要通過MESH 技術(shù)，保證在網(wǎng)絡(luò)衰減的情況下，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的搭建與重組。在Wi-Fi 環(huán)境下，MESH 技術(shù)能極大程度地提高移動通信系統(tǒng)的整體性能。值得注意的一點是，基于CDMA 礦井移動通信系統(tǒng)，無法發(fā)揮MESH 技術(shù)的諸多優(yōu)勢，可能會導(dǎo)致無線自組織的網(wǎng)絡(luò)異常現(xiàn)象。

2.4 無線攝像機

在現(xiàn)代化煤礦的生產(chǎn)過程中，地面遠(yuǎn)控，以及無人值守等成為了主要的發(fā)展趨勢。而這些目標(biāo)的實現(xiàn)，不僅要建設(shè)具有地面遠(yuǎn)程控制功能的通信系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)，還要充分發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)的作用，無線攝像是最先進(jìn)的視頻監(jiān)控設(shè)備，基于Wi-Fi 技術(shù)環(huán)境下，無線攝像機發(fā)揮著重要的作用。

2.5 基站脫網(wǎng)通信

為了降低煤礦事故而造成的消極影響，一定要加強脫網(wǎng)通信功能的有效建設(shè)工作，如果煤礦不幸發(fā)生礦難，未被損壞的基站會通過備用電源建設(shè)井下通信系統(tǒng)。無論是Wi-Fi 環(huán)境下，還是CDMA環(huán)境下，都能滿足脫網(wǎng)通信功能的建設(shè)，相比之下基站脫網(wǎng)通信對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求較低，井下適應(yīng)性較強。

2.6 無線寬帶傳輸

通常情況下，Wi-Fi 的傳輸距離達(dá)到300 米左右，傳輸速度也會大于54Mibt，同時還有體積小、便于接入、發(fā)射功率小等諸多的優(yōu)勢。井下無線寬帶傳輸平臺通常基于Wi-Fi 環(huán)境。因第3 代移動通信傳輸系統(tǒng)的參數(shù)較低，難以滿足手機脫網(wǎng)通信，當(dāng)有線寬帶接入后，要采取協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行優(yōu)化，然而在帶寬的限制下，依然無法滿足井下無線寬帶傳輸要求。

2.7 越區(qū)切換

構(gòu)成煤礦井下的巷道較多，工作面與地面之間的距離較遠(yuǎn)，而無線傳輸距離又較近，所以需要在煤礦井下布置基站。在煤礦的正常生產(chǎn)活動中，會經(jīng)常性的出現(xiàn)跨越基站覆蓋區(qū)域的現(xiàn)象，此時我們要確保移動終端的信號連續(xù)性，只有保證信號的連續(xù)性，才能實現(xiàn)正常的通信，保證消息傳遞的有效性，而此時就要使用越區(qū)切換技術(shù)。在眾多的移動通信技術(shù)中，CDMA 的越區(qū)切換性能較好。而Wi-Fi 屬于無線技術(shù)，越區(qū)切換性能較差，但在煤礦井下環(huán)境中，工作人員的運動速度相對較慢，即便是乘坐運輸工具，也無法實現(xiàn)快速的移動，因此，在Wi-Fi 環(huán)境下，依然能實現(xiàn)越區(qū)切換，對井下使用不會造成任何影響。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著信息化時代的到來，礦井通信系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)與保障，充分地發(fā)揮著及時、安全、高效、可靠的性能。礦井通信系統(tǒng)的組成部分可簡單的劃分為四大類，分別是有線、移動系統(tǒng)等。煤礦井下實現(xiàn)了手機脫網(wǎng)通信、礦用無線攝像機等多種技術(shù)，基于Wi-Fi 環(huán)境下的礦井移動通信技術(shù)，幾乎各個方面都優(yōu)于第三代移動通信技術(shù)。因此，Wi-Fi 逐漸成為了多功能礦井監(jiān)控、監(jiān)視、通信系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。