煤礦應急無線通信狀態監測系統設計

摘要：煤礦開采作業屬高危工業生產環境，煤礦事故發生后，對礦井下的人員生命安全造成了嚴重威脅和損失，因此，煤礦事故的快速救援重要前提是安全可靠的應急通信系統。以煤礦救援為目的，研究適用于封閉、障礙、非結構復雜環境的應急無線通信狀態監測系統，為煤礦救援環境中的應急無線通信系統的正常運行提供保障。針對煤礦救援用無線通信技術需求進行分析，確定應急救援用無線通信技術；構建無線通信狀態監測系統，設計無線通信狀態監測實驗。實驗結果表明，無線通信狀態監測系統能夠實時顯示無線網絡范圍內的各節點與接收上位機之間的網絡強度情況，系統運行穩定可靠，能夠達到監測網絡狀態的目的。

關鍵詞：煤礦救援"應急通信"無線通信狀態監測"系統設計

中圖分類號：TD632.1;TP274"""""文獻標識碼：A

Design"of"the"Emergency"Wireless"Communication"Status"Monitoring"System"for"Coal"Mines

SHI"Zhaowei1""XUE"Xusheng2

（1.Lanzhou"of"Resources"and"Environment"Voc-Tech"University，"Lanzhou，"Gansu"Province，"730021"China;"2.College"of"Mechanical"Engineering，"Xi'an"University"of"Science"and"Technology，"Xi'an，"Shaanxi"Province，"710054"China）

Abstract："Coal"mining"operation"belongs"to"a"high-risk"industrial"production"environment，"the"occurrence"of"coal"mine"accidents"causes"severe"threats"and"losses"to"the"life"safety"of"people"underground"coal"mines，"so"the"important"premise"for"the"rapid"rescue"of"coal"mine"accidents"is"a"safe"and"reliable"emergency"communication"system."With"the"purpose"of"coal"mine"rescue，"the"emergency"wireless"communication"status"monitoring"system"applicable"to"the"closed，"obstructed"and"non-structural"complex"environment"is"studied，"so"as"to"provide"guarantee"for"the"normal"operation"of"the"emergency"wireless"communication"system"in"the"coal"mine"rescue"environment."The"demand"for"the"wireless"communication"technology"used"for"coal"mine"rescue"is"analyzed"to"determine"the"wireless"communication"technology"used"for"emergency"rescue，"the"wireless"communication"status"monitoring"system"is"built，"and"wireless"communication"status"monitoring"experiments"are"planned."Experimental"results"show"that"the"wireless"communication"status"monitoring"system"can"display"the"network"strength"between"each"node"and"the"receiving"host"computer"in"the"wireless"network"range"in"real"time，"and"that"the"system"operation"is"stable"and"reliable，"which"can"achieve"the"purpose"of"monitoring"the"network"status.

Key"Words："Coal"mine"rescue;"Emergency"communication;"Wireless"communication"status"monitoring;"System"design

煤炭生產是我國能源生產的支柱產業之一，煤炭產量約占世界總量的50%，但其生產過程時常伴有爆炸、瓦斯突出、冒頂、透水等危險環境。2010—2019年全國共發生煤礦生產安全事故868起，因此，瓦斯、冒頂、水災事故仍為今后防治的重點，煤礦事故的快速救援亦是重要技術[1]。煤礦應急救援無線通信系統作為煤礦救援任務開展的數據通信重要保證，在建立應急通信系統的基礎上，實時監測應急無線通信狀態成為重要基礎。

縱觀目前國內外煤礦井下應急救援通信的發展歷程，最早出現的是煤礦應急調度通信系統，然后出現的是無線移動通信技術，這項技術主要是以電磁波為載體，比如漏泄應急通信技術、無線透地應急通信技術、感應應急通信技術等[2-4]，到后來以基站，交換機組成的無線網絡通信技術的成功面世，比如小靈通應急通信技術、WLAN無線應急通信技術等。

上述技術在煤礦生產中的成功應用，僅表明無線通信技術在應急救援網絡構建時是可行的，但應急無線通信系統的運行可靠性研究較少，因此，該文針對建立應急無線通信系統后系統的實時監測，提出了封閉、障礙空間的無線通信衰減以及狀態監測模型，為煤礦救援環境中的應急無線通信系統的正常運行提供支持[5]。

1"煤礦應急無線通信需求分析

煤礦井下應急無線通信系統與地面通信系統有比較大的區別，具體包括以下幾個方面。

1.1"通信環境的復雜性

煤礦井下的巷道結構復雜，曲折多彎，對于信號的傳播非常不利，比如反射、折射、多徑衰落等許多不確定性因素將會直接影響信號的強度。

1.2"環境惡劣

當煤礦井下發生安全事故的時候，很可能會產生大量的易爆、易燃氣體，同時，還可能會出現漏水現象，這對于巷道來說是致命性的破壞。由此可見，在設計煤礦井下應急通信系統的時候，應該考慮到煤礦井下發生安全事故時的復雜環境，以更好地適應這種復雜環境的需求。

1.3"無電源供電

當煤礦井下發生安全事故的時候，井下將會切斷全部的供電系統，所有的需電設備將無法正常運轉，而且在這種急停的情況下很有可能會造成供電設備的損壞。如此看來，在現代無線應急通信系統的設計過程中，如何解決好供電問題才是第一要素。

因此，設計一套可靠的煤礦井下無線應急通信系統，必須滿足以下幾個要求。

第一，由于煤礦井下巷道的結構錯綜復雜，環境特殊多變，所以系統的載頻不能太低，如果系統載頻過低，在傳輸信息的過程感應電路承載的負荷將會過重。

第二，煤礦井下巷道有較多轉彎，會對信號傳輸有影響，所以煤礦井下無線應急通信系統應當有多跳結構，基于中間橋梁將信號逐層放大，保證信號的暢通和良好的通信。在此過程中，需考慮系統的自組織性，對于通信能否良好暢通起到至關重要的作用。

第三，煤礦井下巷道中的空間非常有限，且其內部結構地勢相當復雜，所以應當考慮救援設備的體積與便攜性、能耗，確保無論發生任何情況系統都能夠正常運作[6]。

2"煤礦應急無線通信平臺設計

在井下發生煤礦安全事故、現有通信方式失效時，地面為了救援礦井下的人員，就必須實時了解煤礦井下的現場狀況，這時就需要在煤礦井下借助某種傳輸載體來進行信息的交互，不用通過傳統的電纜，把煤礦井下的現場信息傳輸到地面上來。據此分析，用來完成這種信息傳輸功能的載體必須具備兩種性能：一是具有無線傳輸性能，二是需要覆蓋面足夠廣闊，而Wi-Fi正好具備這兩種性能，適合作為傳輸載體使用。

該文主要用到的硬件模塊是VM300"Wi-Fi無線通信模塊。圖1為應急無線通信系統硬件組成。

其中，PC、PE為標準WAN口，可實現對網絡配置；PA為供電引腳；PD為模塊地；PB為標準RJ45，該文未用該接口開發。

3"狀態監測系統設計

該文面向上述Wi-Fi應急無線通信系統，設計監測平臺實現實時獲取Wi-Fi的信號強度，通過信號強度推演信息的傳輸速度。首先，用設計獲取shell程序；其次，通過在shell中執行Linux下的工具nm-tools來獲取周邊的Wi-Fi的全部信息；再通過shell來解析Wi-Fi的狀態信息，將其按照逐行排列顯示；再次，利用程序逐行分解其字符串，找到匹配行，獲取對應應急Wi-Fi的名稱及其相應信號強度；最后，再按照在進行上位顯示，圖2為煤礦應急無線通信狀態監測平臺設計流程。

4"煤礦應急無線通信狀態監測系統實驗分析

4.1"獲取Wi-Fi信號的全部信息

首先是獲取周邊所有Wi-Fi的全部信息，如圖3所示。

通過對其獲取到的這些全部信息進行逐行解析之后，從中提取出名稱信息與信號強度信息，如圖4所示。

4.2"同一空間信號強度變化

在實驗室環境中對同一空間中無線信號強度實時監控進行模擬實驗測試，如圖5所示。

巷道模擬實驗中，中繼1的無線網信號名稱為uestc_lib_in，中繼2的無線網信號名稱為uestc_lib_staff。將信號監測單元放在巷道的中間位置，當信號監測單元向中繼1靠近，靠近一段距離之后，再向中繼2靠近，獲取的信號結果如圖6所示。

信號監測單元在向中繼1靠近時，中繼1的無線信號強度在逐漸的增大，中繼2的無線信號強度在逐漸的減小；當信號監測單元向中繼2靠近時，中繼1的無線信號強度在逐漸的減小，中繼2的無線信號強度在逐漸的增大，其結果滿足電磁波在自由空間中的衰減規律。

4.3"不同空間信號強度變化

在實驗室環境中對不同空間中無線信號強度實時監控進行模擬實驗測試，如圖7所示。

根據圖7可知，兩個中繼放置在不同空間內容，信號監測單元實時監測中繼1和中繼2的信號強度變化，信號監測單元由中繼1附近位置逐步向中繼2的位置移動，獲取的信號結果如圖8所示。

信號監測單元靠近中繼1時，無線信號強度在逐漸的增大，中繼2的無線信號強度在逐漸的減小；但當監測單元與中繼1和中繼2分別同處一個空間時，信號強度差距不大；但監測單元逐漸移動到中繼2處時，無線信號強度在逐漸的增大，中繼1的無線信號強度在逐漸地減小，同時，電磁波在介質中的衰減程度明顯要比在同一空間中的衰減程度大的多。

5"結論

該文結合計算機技術、通信技術、機械電子技術等相關學科知識，針對煤礦事故后的復雜環境，研究了適用于封閉、障礙空間的無線通信狀態監測系統，為煤礦救援環境中的應急無線通信系統的正常運行提供支持。論文結論如下。

1. 分析了煤礦應急無線通信系統需求，提出了應急無線通信平臺方案。
2. 研究了無線通信監測系統軟硬件組成，基于Linux系統設計了無線通信狀態監測系統。
3. 設計了無線通信狀態監測實驗，為建立無線通信狀態監測系統提供實驗支持。

通過實驗室模擬實驗驗證，無線通信狀態監測系統能夠實時顯示無線網絡范圍內的各節點與接收上位機之間的網絡強度情況，系統運行穩定可靠，能夠達到監測網絡狀態的目的。

參考文獻

• 孟遠，謝東海，蘇波，等.2010—2019年全國煤礦生產安全事故統計與現狀分析[J].礦業工程研究，2020，35（4）：27-33.
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• 周仁斌.基于UWB技術的煤礦井下人員精確位置監測系統設計[J].煤礦機械，2022，43（6）：181-184.
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