煤礦井下安全避險智能通信聯絡系統研制

祁宇明，謝兵，鄧三鵬，蔣麗

（1.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究院，天津 300222；2.天津市智能機器人技術及應用企業重點實驗室，天津 300353；3.天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

礦井通信聯絡系統是煤礦安全生產調度和防災避險救援的重要工具，是煤礦井下安全避險“六大系統”之一[1-2]。礦井通信聯絡系統[3-6]主要包括調度通信系統、礦井廣播通信系統、礦井移動通信系統、礦井救災通信系統等。為了確保井下人員的安全，提高煤礦安全生產水平及防災避險能力，國內學者針對煤礦井下具備安全避險功能的智能通信聯絡系統進行了相關研究。比如：文獻[7-9]針對煤礦井下安全監控系統的設計進行研究；潞安集團通信公司[10]關于煤礦井下無線通信系統應用的探討；文獻[11-13]針對煤井礦應急廣播系統進行相關結構、應用等進行研究；神東煤炭集團安監局[14]提出基于無線MWSE網絡的煤礦應急救援通信系統。煤礦井下無線可以在應急救援中發揮一定作用，然而其存在中繼時延、帶寬損失和系統穩定性等難題[15]。

針以上問題，本研究提出了一種具備數字化應急救援功能的多網融合煤礦井下安全避險智能通信聯絡系統。當井下突發重大安全事故，地面調度指揮中心工作人員利用廣播系統，通過設在井下重點防范區域的本安廣播站和本安顯示屏以廣播和文字指引的方式對現場工作人員進行引導和疏散，指揮人員迅速、有序、安全的撤離危險區域，最大程度的減少災害影響。

1 智能通信聯絡系統功能及組成

煤礦井下安全避險智能通信聯絡系統是基于光纖環網、電話調度網及CAN、RS485工業現場總線多種通信手段的一體化系統。音頻信號可在數字以太網和電話調度網絡間自由切換，數據信息在以太網和RS485現場總線之間切換；設計了基于礦井災變應急預案的專家智能逃生一鍵指引系統，可根據不同的災變類型及地點，一鍵操控發布預設的指引逃生路線指引相關工作人員緊急安全撤離；同時利用廣播主站和本安型廣播電話上的緊急呼叫按鈕，實現一鍵上呼，利用本安型顯示屏顯示災害信息和指引避險逃生路線。多網融合的智能通信聯絡系統主要由網管工作站、子系統監控主機、井上核心交換機、網閘、井下防爆兼本安型千兆環網交換機、煤礦井下工業以太環網、程控電話交換網組成，如圖1所示。

圖1 多網融合的智能通信聯絡系統結構圖

2 系統關鍵技術

2.1 基于Delphi的上位機軟件系統的開發

Delphi[16]具有多層數據結構模式及高效率的數據庫管理系統等優勢。因此，設計了一種基于Delphi的上位機軟件系統，智能管理煤礦井下安全避險智能通信聯絡。系統具備如下九大功能：井下GIS系統，分組廣播管理，一鍵廣播管理，數字對講管理，錄音管理，日志管理，LED屏圖形、文字管理；基于預案的一鍵圖文、聲音廣播管理，各種數據的存儲、保存。

2.1.1 井下GIS系統

GIS即地理信息系統，可準確顯示各控制端的具體位置以及故障信息。井下GIS系統具備選擇性更換地圖與設備，如圖2所示。

圖2 井下GIS系統

2.1.2 分組廣播管理

分組廣播管理是通過通信聯絡系統主站列表中區域的選擇，實現對音樂和語音分區域播放、全區域播放管理。在緊急情況下，可利用一鍵操作完成全區域的廣播通信。分組廣播管理可實現無人值守自動、定時、多方案播放，如圖3所示。

圖3 分組廣播管理

2.1.3 數字對講管理

數字對講系統是基于以太網絡、TCP/IP協議傳遞數字音頻，實現定時廣播、分區廣播等功能；基于調度電話交換機網絡傳輸模擬音頻，實現全礦井電話調度指揮廣播通信功能；基于強大的“語音+數據”的多媒體通信能力，形成強大的指揮調度功能以及圖文調度和語音調度。其數字對講系統支持點對點、點對多點、越級指揮、多調度臺分組協同指揮、插入、廣播、會議等指揮模式，專用錄音錄像服務器以及一鍵直通、強插、強拆及調看/調聽等調度業務功能，方便不同指揮調度關系的上傳下達。

2.1.4 錄音管理及日志管理

通信聯絡的語音，自動錄音，進行查詢、存儲等操作，并按照時間進行存儲管理。日志管理儲存系統所有相關操作和指令，方便查找原因、分析過程、劃定責任。

2.1.5 基于預案的一鍵圖文、聲音廣播管理

在井下關鍵點布設應急避險顯示屏，日常情況下顯示屏可根據實際情況顯示相應文字或圖形；突發情況時顯示內容可通過井上工控機和井下RS485總線上的聯動報警信號改變，實現應急顯示屏避險逃生指引。系統中任意一個廣播終端發生故障，都不會干擾系統中或同平臺運行的其他設備，以及不會影響本系統及其他系統的正常運行。

基于礦井災變應急預案的專家智能逃生一鍵指引系統設計，可根據不同的災變類型、不同的災變地點，一鍵操控發布預設的指引逃生路線，快速指引不同地點、不同位置的工作人員進行緊急安全撤離。可基于調度與應急指揮系統與監控監測系統高效聯動，基于GIS系統真正實現數字化礦井；先進的多媒體調度與應急指揮系統能夠與“數字化礦井”的其他監測監控系統實現高效聯動，提高處理突發事件的效率和一體化科學管理的效率。緊急情況下，可通過預置預案進行一鍵圖文、聲音廣播快速逃生指引，如圖4所示。為了避免誤操作，增強可靠性，設計了二次確認才可進行相應的操作。也可根據現場救援指揮部的安排，現場編輯逃生指揮方案，如圖5所示。

圖4 基于預案的一鍵圖文、聲音廣播管理

圖5 逃生指揮方案編輯

2.2 LED顯示屏模塊的開發

LED顯示控制板通過串口RS-485與廣播通信主機通信，根據串口接受的漢字內碼查詢位于固化在Flash ROM中的漢字顯示點陣庫，從而形成顯示點陣碼；在LED顯示控制板的RAM中建立一個與LED顯示屏相對應的顯示緩存區，將顯示的漢字的點陣碼存在該緩存區中，LED顯示控制板不斷將顯示緩存區中的數據以串行移位方式移進點陣顯示屏的顯示鎖存寄存器，并通過相應的行選開關的選擇來實現顯示屏動態行掃描。圖6為LED信息顯示屏系統的架構框圖。

圖6 顯示屏系統的架構框圖

本安型LED顯示屏燈箱采用12V供電，控制芯片選用Microchip公司生產的PIC18F8520單片機，通過RS485現場總線與廣播通信主機進行通信，實現數據的上傳下達。

3 系統實施效果

煤礦井下安全避險智能通信聯絡系統已在某礦設計安裝并投入使用，如圖7所示。同普通的擴音系統或單網的電話調度系統相比，本系統功能更全面、操作更簡便、音質清晰、效果良好，安全性高，利用率高。通過開放的網絡接口，方便接入礦井信息化管理系統，為提高礦山的整體管理水平有很大的推動作用。

圖7 現場示意圖

4 結論

（1）基于光纖環網、電話調度網絡及CAN、RS485工業現場總線多種通信手段的一體化系統，提高了系統的通信冗余能力，有效保證了與井下復雜環境、任意區域、不同工種人員語音通信清晰準確傳達，多網融合使系統具有更強的環境適應能力和更好的兼容性。

（2）基于光纖環網數據通信的TCP/IP模塊，程控調度電話網絡的RJ-11-TRX模塊并冗余無線子模塊，為無線通信系統的融合預留標準、規范的接口；音頻信號可在數字以太網絡和電話調度網絡間自由切換，數據信息則可在以太網和CAN、RSRS485等現場總線之間轉換。

（3）基于以太網絡TCP/IP協議，研制具有數字廣播、調度指揮、錄音報警及存儲等功能的上位機平臺，以實現針對電子地圖、逃生路線LED指揮、雙向對講等功能的管理。

（4）基于礦井災變應急預案的一鍵智能逃生指引系統。針對不同種類不同區域的突發災害，只需通過一鍵操作即可完成相對應的聲音報警信息、井下逃生路線指揮音頻和LED顯示屏逃生方向指引信息的發布，高效應對各種災變。