基于基站协作的煤矿应急通信保障系统研究

王润北

(郑州赛金电气有限公司，郑州450016)

1． 概述

煤矿应急通信保障系统是基于工业以太网的有线/无线相结合的通信系统，通过统一的平台，实现矿井的广播通信、调度通信以及无线通信。系统将煤矿企业常用的通信系统进行了整合，使之能够通过一个应急指挥中心进行管理，广播电话可以用于皮带巷、工作面等各种复杂场合。系统与人员定位系统互联互通，并能够通过自身的紧急呼叫/广播功能触发人员定位卡上的物理报警装置。通过物联网络在矿井的应用，融合宽带无线技术和传感器技术，构建有线/无线混合结构的全覆盖物联网系统，解决现有煤矿井下信息传输存在监控盲区和不能实现全矿井的无缝全覆盖监控等问题。

2． 系统开发设计

2．1 应急通信保障系统软件平台的开发

如图1所示，煤矿各通信系统通过应急通信保障系统的软件平台实现联络通信功能，实现统一的管理。

建立一套涵盖煤矿有线、无线相结合的应急通信保障系统。实现矿井通信全覆盖，发生灾难紧急情况具有一键通功能，一分钟内快速通知井下所有矿工安全撤离。

本软件平台功能特点包括:

整合语音通信系统，统一界面，统一管理;

调度室直接对扩播、调度电话、手机各点进行紧急呼叫或广播;

各分机点、线状态显示;

分级管理，分级监控;

一键通紧急广播;

丰富灵活的软件接口，支持定制开发。

图1 煤矿应急通信保障系统的软件平台

2．2 基于IP的数字式全双工煤矿扩播电话的开发

煤矿扩播电话用于生产局部区域的通信，可以实现广播式全双工通话。如果出现事故异常，可以通过扩播电话机给出声光报警提示信号;系统将传统的扩播电话及程控电话以数字电路和数字网络理念重新设计，实现语音电话机数字化、信号传输数字化、基于现代工业以太网集中控制的全数字语音电话系统。

本扩播电话是一种通过IP技术的网络来实现语音通信的一种全新的通讯设备。基于IP的煤矿扩播通信是纯数字扩播系统，抗干扰性强，音质好，不但具有传统的扩播电话系统的功能，还具备定时播报和背景音乐以及与地面调度台互通等功能。除了集成调度电话功能，还支持以太网通信，可直接接入矿用调度电话系统。本产品中的IP扩播电话终端可以与调度电话交换机、普通电话交换机连接;可以更方便的实现背景音乐播放、触点信号遥控功能;主机界面直观友好，功能齐全，操作简便，人机界面不仅具有形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有急停报警监视、安全确认机制和数据记录功能。

扩播话机通过接收从串口传来的数据，经CPU输出到A/D转换模块和编码解码器，最后经过功率放大器到扩音喇叭实现扩音广播。来自IP扩播电话的转换端口的数字语音信号通过芯片微处理器，拆包并提取语音数据送入VS1003B对其进行解压与解码再由芯片进行D/A转换还原成语音模拟信号输出。井下人的模拟语音信号通过芯片进行A/D转换，得到的PCM信号，再由VS1003B进行压缩编码，压 缩 后 数 据 输 出 给 FPGA 芯 片。EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微处理器除了提供系统所需的所有时序外，还对编码后的数据进行处理和打包传输给IP扩播电话的转换端口。

2．3 调度程控电话广播装置的开发

可以通过以太网口，就近接入井下工业以太网交换机，地面传输接口通过以太网上的交换机与井下本安广播分站进行通讯，组成工业以太网+通信电缆的模式。

本系统话机带有源音箱，在接收到电话呼叫后振铃三声以内摘机，则实现普通听筒通话;若振铃三声未摘机，则电话机自动接通，并把接收到的语音转接到有源音箱进行扩音播放。

2．4 基于Wi－Fi矿用无线通信

矿用无线通迅系统采用Wi－Fi与TCP/IP相结合的技术，在煤矿井下实现了语音信息的无线传输。专门根据煤矿井下环境和巷道电磁波的传输特性设计研制的矿用无线通信系统，系统采用全本安设计，可以在工作面、回风巷等高瓦斯环境中使用。通过无线信号进行空间覆盖的矿井宽带无线通讯系统，可与矿上行政电话系统、有线调度电话系统无缝衔接，利用矿用本安手机、固定电话等终端接入设备来实现群呼、组呼等功能，从而实现井上对井下的语音调度以及井下对井上的信息反馈，并真正实现了无线通信、调度通信和行政通信一体化、井下通信和井上通信一体化，使煤矿无线通讯技术跃上一个新的台阶，进而能够更准确、实时、快速的进行生产指挥、调度、抢险救灾、安全救护、安全监测、移动数据传输，是煤矿通信联络系统的理想选择。基于Wi－Fi矿用无线通信系统是基于标准的工业以太网传输网络、采用TCP/IP、Wi－Fi和SHDSL等协议开发的新一代矿用无线通信系统，它由IP调度交换系统、地面环网接入器、矿用环网接入器、矿用本安型DSL接口、矿用本安型无线基站、矿用本安型Wi－Fi手机、矿用摄像头及其他配套设备组成，能实现矿区井上与井下的语音、数据、图像传输功能。

2．5 无线视频监控

系统基于当前先进的视频采集、数据压缩还原、网络传输等技术设计而成。系统采用单对双绞线数字传输、Wi－Fi无线通信取代原有的光纤传输方式，采用固定与移动音、视频监控模式，填补了国内市场空白。视频监控系统包括视频监控终端、网络传输平台、监控中心等部分。根据监控传输方式的不同，还可以分为有线监控和无线监控。隔爆摄像仪通过有线方式连接。本安摄像仪既可以通过有线连接，也可以通过无线连接。

3． 关键科学技术

3．1 与矿井人员定位系统互联互通关键技术的研究

本系统的软件平台将煤矿人员定位系统与通信联络系统进行了互联，在平时生产中能够实时了解井下人员的准确数量、流动情况及分布情况，从而提高矿井的生产效率。当事故发生时，井下人员通过人员定位卡上的紧急按钮实现对井上调度室的紧急呼叫，救援人员可根据井下人员定位系统所提供的数据，迅速了解有关人员的位置情况并与之进行有效的通信联络，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

3．2 与矿井工业以太网综合接入关键技术的研究

本项目组研发了多种接入方式的矿用综合IP语音接入网关，本IP电话语音网关系统采用先进数字语音通信技术，基于IP通信，支持静态、动态IP地址和IP地址智能学习功能。

IP语音网关将从调度台由工业以太网传来的网络信号进行数据格式转换成适合RS485传输的数据，发送到各个扩播电话机，以便在井下扩播。其接口如图2所示。

图2 语音网关接口图

为确保矿用综合接入网关的实时性和可靠性，使用嵌入式实时操作系统，采用改进TCP/IP协议。系统扩展各种现场总线接口，完成需要的协议转换功能，确保互联互通，提高系统的兼容性，系统硬件结构原理图如图3所示。系统软件需要完成各种协议转换功能，修改TCP/IP协议。系统主要由系统接口、网络模块、现场总线协议转换模块和人机接口几个主要部分组成。

图3 系统硬件结构原理图

IP电话语音网关用于矿井扩播对讲系统中。其主要目的是在保留矿井老式模拟话机投资的基础上将语音传输IP化，从而改善井下布线的安全性，提高传输距离，方便调度控制，并为井下通信系统的进一步升级改造打好基础。

3．3 与现有扩播电话互联互通关键技术的研究

本系统设计的专用转换器能够实现与其他各种厂家型号扩音电话和以太网之间的通信转换。

扩播系统接口:该接口连通四芯电缆，其中两条是电源线，两条是信号线。

IP网络接口:该网络接口是RJ45接口，用于与工业以太网交换机连接，收发数据。

每条皮带机扩音线路只需要配备一台数字化转换器即可，它的接口如图4所示。

图4 与现有扩播电话的互联

转换器模拟接口满足各种型号的扩音电话接口要求，能驱动最多25部扩音电话或KB转换器，最大传输距离达25Km。KB转换器以太网接口是10/100MHZ自适应的，符合标准IEEE802．3/IEEE802．3U标准。

3．4 与现有无线通信系统(Wi－Fi、小灵通等设备)互联互通关键技术的研究

矿区使用的Wi－Fi手机和本安型小灵通能够实现井上井下之间的双向通信。Wi－Fi手机和小灵通可通过中继网关设备接入矿用应急广播通信系统，作为应急广播通信的信息发布手段之一，与其他既有及新建通信系统协同工作，最大限度地满足井下通信和广播需要。

4． 结语

煤矿应急通信保障系统对各个环节以及各部分系统进行有机的整合，形成联动机制，从而大大提高各类事故的防范能力和紧急情况下的处置能力。该系统的广泛应用，将进一步解决目前各煤矿没有覆盖全矿区的“一键”紧急广播通信手段、系统彼此相对独立、不具备协同工作能力、联动性差等问题，为煤炭安全生产管理水平的进一步提高提供有力的技术保障。

［1］李学来，胡敬东．煤矿应急救援技术的研究及应用现状［J］．煤炭工程，2005(4)．

［2］王平津．煤矿瓦斯安全多级监管中的信息技术［J］．煤炭科学技术，2004(4)．

［3］沈成权．浅谈煤矿安全监控系统的细化应用［J］．煤矿安全，2005(2)．

［4］［美］库奇．数字与模拟通信系统［J］．通信技术，2007(11)．

［5］樊昌信．现代通信原理［J］．通信技术，2009(10)．

［6］李文峰，李华．矿山无线通信技术研究［J］．煤碳科学技术，2008(7)．