某鐵礦五網合一的井下安全避險系統*

王立杰 楊志強 劉 陽 馬 寧

（河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司）

河北某鐵礦井下安全避險系統初步設計存在系統擴展性和兼容性較差、系統鏈路連接穩定性較差、有線通信系統無總調度功能、各中段基站數量布置不合理等問題，這些問題的存在不僅易造成井下安全避險系統運行不穩定，導致系統發生故障時無法準確判斷故障點位置而迅速做出響應［1］，更存在較大的安全隱患，易造成事故擴大化。為此，某鐵礦展開系統地研究工作，最終形成一套基于五網合一的井下安全避險系統設計優化方案。

1 總體優化思路

采用井下人員定位、安全監測、視頻監控、有線通信及自動化數據傳輸等五網合一的網絡傳輸系統，由管控層、網絡傳輸層、設備層的3層整體架構構成。其中網絡傳輸層是采用千兆工業以太環網+WIFI+485轉換裝置的技術，將工業網絡交換機與鎂鍶銻網絡基站及幾大煤炭院人員定位及安全監測技術有效融合，做到整體與分支、有線與無線，以及多形式接口技術的結合，各子系統終端設備采用多種接口形式就近接入各環網交換機和無線基站。地面通過虛擬服務器安裝個子系統應用程序，實現整個系統的數據采集、數據傳輸以及數據展示。既滿足規范及功能需求，又減少大量的線纜布設，降低投資成本。

2 網絡系統

建設一套千兆環型工業以太網作為整個礦井信息傳輸的主干傳輸平臺。地面配置2臺核心交換機，井下配置8臺節點交換機，通過24芯鎧裝光纜，從機房分別經過副井和北風井實現單環冗余。沒有節點交換機的中段，用無線基站接入環網系統中。千兆環網具備冗余功能［1］，自愈時間小于20 ms，平均無故障時間不少于200 000 h，能及時診斷出故障點以便維修。主干網絡節點提供多種形式的接口方式，方便井下各個子系統（包含人員定位、安全監測、視頻監控、無線通信及后期建設的自動化子系統）的接入。網絡系統結構見圖1。

2.1 環網交換機布點

考慮到井下環境潮濕，為確保網絡的穩定性，延長設備使用壽命，共布置8臺環網交換機，分別布置在副井主提升機房二層信號室及井下各中段采區變電所，礦用24芯單模鎧裝井筒光纜用于主干環網。路線為地表調度中心機房→副井井口二層信號室→-170 m二號采區變電所環網交換機→-230 m二號采區變電所環網交換機→-245 m一號采區變電所環網交換機→-260 m中央變電所環網交換機→-409 m破碎變電所環網交換機→-260 m中段巷道→-110 m北風井變電所環網交換機→-110 m北南風井變電所環網交換機→地表調度中心機房，最終形成安全可靠的環型物理連接。沒有節點交換機的中段，用無線基站接入環網系統中。

考慮到現場的惡劣條件，為減少因電源故障而產生的網絡中斷等事故發生幾率，井下環網交換機選用赫斯曼品牌模塊的工業交換機，均配備專用的不間斷電源，可持續供電2 h。

2.2 環網網絡設計

根據工業級交換機網絡帶寬的可控實際利用率，結合鐵礦的實際所需帶寬流量，并考慮到突發數據的端口阻塞可能和突發狀況下傳輸量的增加，以及對環網承載的業務及數據流量的分析、未來網絡業務的擴展性，整個工業以太環網網絡骨干帶寬設計為1 000 M。8臺環網交換機均采用光纖端口和地面核心交換機組環，一個連接上級交換機，一個用于連接下級交換機，構成一個完整的光纖環路，當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或相應的網絡設備發生故障時，整個網絡會自愈，并在20 ms內恢復正常的通訊。同樣-409、-448、-488 m 3個中段的基站也是通過環網耦合的方式接入環網，實現3個中段信息傳輸的冗余。

2.3 各中段網絡設計

井下各中段主巷道共布置42臺無線基站，同時每臺基站處并列布置1臺轉換裝置，每臺基站通過12芯光纖串接至環網交換機。基站+轉換裝置包括WiFi模塊、人員定位模塊、安全監測模塊及以太網光電口。基站是無線網絡的接入點，選用鎂鍶銻KT112-F型基站，采用雙無線模塊設計，可同時支持802.11 b/g。基站與轉換裝置兩者結合，可實現無線通信、安全監測及人員定位功能，提供Zigbee發射器（模塊）的信息傳輸通道［2］，實現傳感器接入。

2.4 網絡管理

采用赫斯曼公司的網絡管理軟件對整個網絡的所有設備進行統一的管理。

3 人員定位系統

系統主要包括地面調度中心、系統軟件及顯示部分、數據傳輸通道、無線收發部分及終端設備。其中無線收發部分采用無線基站+485轉換裝置，主要融合了WiFi無線技術、RS485轉換技術、TCP/IP技術等，可多系統使用，還可以為視頻及廣播接入留有接口。終端設備采用ZigBee技術，低功耗，系統穩定漏讀率低，被測人員通過檢測點無需主動進行任何操作，不影響井下人員的正常通行和正常作業。

井下各中段及井口共設計128個定位收發器，分別布置在各個中段馬頭門、變電硐室、斜坡道、機修硐室、避難硐、炸藥庫、南北風井以及各個采面，實現全礦井覆蓋。收發器通過四芯電纜接入轉換裝置，其供電來自轉換裝置內，不需額外配置電源箱。收發器采用ZigBee技術，實時接收定位卡的發射信號，通過無線基站和環網，把數據實時傳輸至地面服務器加以處理。基站采用12芯光纖級聯，收發器通過4芯電纜接入信號轉換接入裝置實現網絡信號的轉換。無線收發器覆蓋礦井全部范圍，能實時準確地監控到井下人員分布情況，系統漏檢率<10-4。定位卡具有雙向呼叫功能：當井下某處發生緊急情況時，監控主機可以給某區域發送緊急尋呼，當井下某人員發生緊急情況時，該人員可以向調度主機發送求救信號。

在附屬樓至副井井口通廊內設計一塊3 m2的戶外P6全彩LED顯示屏，實時顯示人員出入井情況、井下人員分布情況。在通廊內配置4通道閘機，配套無源卡和發射卡，實現入井唯一性檢測功能，出入井記錄、考勤。系統主機安裝在地表調度中心，完成人員信息編碼采集、識別、加工、顯示、存儲、查詢和報表打印等功能。

4 通信聯絡系統

通信聯絡系統包括有線通信系統和無線通信系統［1］。地面核心交換設備采用有線/無線一體化設計，可同時支持有線和無線設備的接入。調度臺采用一體化設計［3］，可全局對手機、井下電話實現調度。一體化交換機和現有的地面行政調度機通過數字中繼實現對接，達到生產調度、行政辦公無縫對接。

4.1 有線通信系統［4］

有線通信網絡采用大對數電纜，從機房出發，分別從副井和北風井直接敷設至各個中段水平副井馬頭門處，并接入電話分線箱，確保任何一條通信線纜發生故障后，另外一條線纜的容量應能擔負井下各中段通信終端的通信能力。井下各中段共設計電話終端85部，分別從電話分線箱內引出5對電話線接至各終端電話機。以3~5部電話為一個小區域，共同1根5對電話線，統籌利用各中段5對電話線線纜，減少線纜敷設量。

4.2 無線通信部分

井下共設計40部礦用手機，通過一體化調度交換機［5］，利用工業以太環網作為主傳輸通道，通過井下的WiFi網絡覆蓋，實現手機與手機、手機與座機點對點通話。其無線通信與人員定位系統見圖2。

5 安全監測監控系統

安全監控系統共設計一氧化碳、低濃度甲烷、風速、開停、負壓、煙霧、頂板圍巖應力共計158臺各式傳感器，實時有效監控井下生產區域的各個工礦參數，為礦井生產提供安全保障［3］。系統采用無分站設計，通過串口服務器把各個傳感器監測到的數據實時傳輸至地面服務器中。部分智能傳感器采用分體式設計，探頭部分可以根據需要靈活替換，二次儀表部分為通用件，節約后期更換成本。

各類傳感器采用四芯線纜通過485接口就近接入轉換裝置或環網交換機中，通過網絡實時傳輸數據到調度中心上位機。監測軟件平臺上可顯示相關環境參數、生產工況參數的實時值及累計值、圖形和表格，實時顯示、動、靜態圖形、曲線、采掘平面圖、模擬量配置圖等，并具有數據儲存、超限報警、打印各種表格等多種功能。

6 視頻監控系統

井下共設計10臺防爆網絡高清攝像儀、86臺高清網絡攝像儀，分別布置在馬頭門、采區變電所、風機硐室、消防材料庫、炸藥庫、卸礦硐室、裝載硐室等人員密集進出場所以及井下重點生產場所。為保證系統的穩定性，每5臺攝像儀通過光纜串接的方式接入環網交換機，實現數據傳輸，在地面接入硬盤錄像機與視頻綜合管理平臺，實現視頻的集中顯示、存儲、回放和管理［2］，保障了視頻數據與其他數據物理傳輸不相互影響。

7 結論

本研究結合鐵礦礦井建設實際，結合工業網絡交換機、無線基站及人員定位、安全監測產品，對各家先進設計理念與成熟技術產品進行技術研究，形成一整套技術先進、經濟合理、鏈路連接安全穩定、兼容性高、擴展性強的集井下人員定位、無線通信、安全監測、視頻監控及自動化數據傳輸等五網合一技術的井下安全避險系統優化方案，從源頭消除系統設計存在的缺陷及隱患，保障井下安全避險系統安全高效穩定運行，各監測數據傳輸穩定，充分發揮其保障礦山安全生產的重大作用，實現為礦山安全生產服務的目標。