建设矿山“三网合一”网络的技术探讨

王清和，项光辉，李文静，王 茜

（1.江西省煤炭工业科学研究所，江西 南昌330029；2.江西省矿山安全工程技术研究中心，江西 南昌330029）

矿山安全“六大系统”中的监测监控系统、人员定位系统、通信联络系统由于矿山安全规程对上述设施要求是在逐步完善，故在现场在建设时间上亦有先后，造成了三套系统的独立建设，在技术上形成了不尽合理的局面，导致了资源得不到合理利用，给三网的维护造成了困难，使井下网络系统复杂化。为了简化井下三网建设，合理利用网络资源，将三网合而为一是十分必要的。特别是对起步较晚的非煤矿山建设监测监控系统、人员定位系统、通讯联络系统的三网合一的井下网络系统是十分适宜的。现有独立建设监测监控系统、人员定位系统、通信联络系统的系统，需要在每个系统独自铺设一条通信电缆到井下巷道中去，这样既不利于管理又重复铺设了电缆，而采用三网合一的系统，将只需一条光缆直接布置到井下，这既节省了电缆，又大大提高了防雷等安全的性能，有效利用了网络资源。

1 监测监控系统、人员定位系统、通讯联络系统三网合一的实现方法

三网合一的实现方法：地面监控机房与井底车场、井下变电所等主要场所建设多台环网交换机，通过通信光纤将所有环网交换机组成一个工业以太环网，监测监控系统的环境监控、人员定位系统通过串口服务器接入环网交换机将井下的监控分站数据上传到地面监控机房；监测监控系统的视频监控通过网络视频服务器接入环网交换机从而把井下视频信号传输到监控机房；通讯联络的有线通讯系统通过语音网关接入环网交换机从而实现井底电话与地面监控机房的通信，无线通讯通过无线AP接入环网交换机从而实现井下电话与地面监控机房的通信。三网合一的核心是组建工业以太环网，其原理见图1。

图1 三网合一的系统

2 工业以太环网优点

工业环网具有如下的优点：

1）链路自动冗余备份。在工业环网中，它能自动冗余备份，能自动协商到达最近节点的路径，如果一处线路损坏，网络拓扑重新配置，达到正常网络状态只需300毫秒。

2）较长的传输距离。环型结构采用光纤介质类型，在传输中有低损耗的特性，使得传输线路的无中继传输距离变长，相邻站之间最大长度多模光纤可达2km，单模光纤可达40～60km，最大覆盖范围为100km。

3）具有较大的带宽。环网传输带宽可以为100Mbps、1000Mbps，同时采用新的多数据处理技术，使得网络在重负荷情况下，仍能保持很高的带宽。

3 监测监控系统以太环网的接入

3.1 安全监控系统的接入

传统的安全监控系统的工作模式如下：瓦斯、一氧化碳、氧气等传感器通过通信电缆连接监控分站（多台监控分站可以通过通信电缆并联起来），监控分站通过通信电缆连接信息传输接口，信息传输接口通过串口线连接监控机房安全监控系统的监控主机。在上面的工作模式中安全监控系统是无法接入工业以太环网。安全监控系统要想接入工业以太环网有两种办法：① 通过光纤接入；② 通过网线接入。通过光线接入的方式在现有的技术条件下不容易实现，因此不能采用光纤的方式将安全监控系统接入工业以太环网。采用网线的方式将安全监控系统接入工业环网的方式却很容易实现。在这里需要解决的一个问题是如何把传统的485／232信号转换成网络信号？针对这个问题必须使用一种信号转换设备来解决这个问题，串口服务器就是为了解决这个问题而设计出的网络设备。串口服务器提供串口转网络功能，串口服务器能够将RS－232／485／422串口转换成TCP／IP网络接口，实现RS－232／485／422串 口与TCP／IP网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP／IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离。利用串口服务器接入以太环网的安全监控系统的工作模式如下：瓦斯、CO、氧气等传感器通过通信电缆连接监控分站（多台监控分站可以通过通信电缆并联起来），监控分站通过通信电缆连接串口服务器，串口服务器通过网线连接环网交换机，监控机房安全监控系统的监控主机通过网线连接环网交换机，监控主机通过网络信号来收／发监控分站的通讯信号。

3.2 视频监控系统的接入

在传输距离比较长的情况下，传统的视频监控系统的工作模式如下：多台摄像头通过视频信号线连接多路的视频光端机的发射机，视频光端机的发射机通过光纤连接视频光端机的接收机（发射机和接收机必须配对使用），接收机通过视频信号线连接到硬盘录像机，硬盘录像机通过VGA连接线连接显示器来显示视频画面。在上面的工作模式中，视频监控也无法接入以太环网。虽然在上面的工作模式中利用了光纤，但是现有的设备没有办法直接从光纤中获取视频信号，因此必须将视频信号转换成网络信号才能将视频信号接入以太环网。在这里可以使用视频服务器来解决这一问题。通过视频服务器可以很方便的接入环网交换机从而接入环网。使用视频服务器接入以太网的视频监控系统的工作模式如下：多台摄像头通过视频信号线连接到视频服务器，视频服务器通过网线连接到环网交换机，监控机房视频监控系统的监控主机通过网线接入环网交换机，监控主机通过网络信号来接收摄像机的视频信号并通过显示器来显示视频画面。

4 人员定位系统以太环网的接入

传统的安全监控系统的工作模式如下：人员识别卡与读卡分站通过无线网络通信，读卡分站通过通信电缆连接定位分站（多台定位分站可以通过通信电缆并联起来），定位分站通过通信电缆连接信息传输接口，信息传输接口通过串口线连接监控机房人员定位系统的监控主机。人员定位系统接入工业环网的解决办法也是使用串口服务器，通过串口服务器将485信号转换成网络信号，然后串口服务器通过网线接入环网交换机即可。通过串口服务器接入工业环网的人员定位系统的工作模式如下：人员识别卡与读卡分站通过无线网络通信，读卡分站通过通信电缆连接定位分站（多台定位分站可以通过通信电缆并联起来），定位分站通过通信电缆连接串口服务器，串口服务器通过网线连接环网交换机，监控机房人员定位系统的监控主机通过网线连接环网交换机，监控主机通过网络信号来收／发定位分站的通讯信号。

5 通讯联络系统以太环网的接入

通讯联络系统包括有线通信联络系统和无线通信联络系统。《金属非金属地下矿山通信联络系统建设规范》（AQ2036－2011）中要求：金属非金属地下矿山应根据安全避险的实际需要，建设完善有线通信联络系统；宜建设无线通信联络系统，作为有线通信联络系统的补充。因此，通讯联络系统接入以太环网的实现就包括两部分内容：有线通信联络系统的接入和无线通信联络系统的接入。

5.1 有线通信联络系统的接入

传统的煤矿通信联络系统的工作模式如下：井下防爆电话和地面办公电话通过大对数通信线缆连接数字程控调度交换机，数字程控调度交换机通过网线连接调度室操作平台。在这种模式下，地面数字程控调度交换机与井下防爆电话直接是通过大对数电话线进行通信，整个通信系统没有接入光纤以太环网，没有充分利用主通信光缆作为骨干网高速传输的作用。针对这一问题，可以在系统中使用语音网关来解决。语音网关类似于普通的电脑交换机，它具备路由器和交换机的功能，后者的作用是将网络资源输出给多台电脑，而前者则是用来连接电话机用的，它可以将您家里或办公室里面的电话机、传真机或PBX与上网设备连接，也就是将公用电话交换网PSTN与IP网络连接起来，从而实现通过Internet网络进行语音通话的功能。使用语音网关接入光纤以太环网的工作模式如下：井下防爆电话和地面办公电话通过通信电缆连接语音网关，语音网关通过网线连接环网交换机，数字程控调度交换机和调度平台通过网线连接环网交换机，数字程控调度交换机和调度平台通过网络信号来与井下防爆电话和地面办公电话保持通信。

5.2 无线通信联络系统的接入

现阶段国内煤矿无线通信系统主要为：“小灵通”无 线通信系统；WIFI矿用宽带通信系统；矿用CDMA矿用通信系统这三大类〔1〕。综合考虑到矿用无线通信系统在技术先进性、可操作性、可靠性、实用性等方面要求，采用WIFI无线通信系统来接入以太环网。

WIFI无线通信系统的工作模式如下：矿用本安WIFI手机与矿用本安无线基站通过WIFI网络通信，矿用本安无线基站通过网线接入环网交换机，监控机房通信调度系统的数字调度主机通过网线连接环网交换机，数字调度主机通过网络信号来保持与矿用本安WIFI手机之间的通信。

6 结语

根据矿山的实际情况，在进行三网合一网络系统建设时必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投人生产和使用。在这种情况下非常适合使用以太环网技术将监测监控系统、人员定位系统、通信联络系统有效的融合在一起，实现矿山“六大系统”建设的三网合一，这样既为企业节省铺设多条通信线缆的费用，又减少了企业在后期维护过程的工作量。从目前的技术及成本上来看，采用以太环网技术实现监测监控系统、人员定位系统、通信联络系统的多网合一，是未来数字化矿山的发展方向。

〔1〕孙 维 .基于WIFI技术的矿井无线通信系统的设计与应用.煤矿安全，2010（4）.