煤矿井下应急无线通信系统的建立研究

2016-12-12轩红新

中国新技术新产品 2016年16期

关键词：架构救援无线

轩红新

（开滦（集团）信息与控制中心，河北唐山 063000）

煤矿井下应急无线通信系统的建立研究

轩红新

（开滦（集团）信息与控制中心，河北唐山 063000）

从当前实践来看，国内煤矿井下系统中的救援设备比较落后、不齐全，而且应急通信技术、系统比较落后，工具设备布设不合理，以致于煤矿井下安全事故频发。其中，信息通信受阻，是造成救援不利、威胁井下人员生命安全的主要影响因素之一，如果不及时采取有效的措施予以防治，则会严重影响煤矿建设事业的可持续发展。本文将对当前煤矿井下应急通信技术及其现状进行分析，并在此基础上就如何建立切实可行的煤矿井下应急无线通信系统，谈一下自己的观点和认识，仅供参考。

应急系统；无线通信；煤矿井下作业；研究

近年来，随着社会经济的快速发展和煤矿开采技术的不断进步，煤矿井下开采强度、深度等均有所增加，生产安全问题相伴而生。据调查发现，煤矿井下安全事故防治、救援工作中，最为关键的就是要保持通信畅通，以便于及时地联系、准确地找到受困者的位置。

一、煤矿井下应急通信系统及其技术现状

从当前煤矿井下的情况来看，无线应急通信技术多应用在井下事故问题出现时及时掌握现场情况，为井下人员营救准备了条件。同时，该系统和技术与地面救援系统、指挥中心相连接，形成一个临时性的无线通信路线和网络系统。实践中为了能够有效避免发生二次事故，一旦发生矿井事故，则供电系统就会完全切断电力系统。在该种情况下，煤矿井下救援过程中，难以使用原井下通信系统保持联络。当救援人员下井后获得信息以后，难以给地面人员、指挥中心保持联系。在该种情况下，地上救援时，工作人员难以获得井下的现状信息资料，或者不及时或者不准确，不利于及时救援。井下救援过程中，无法有效了解相关信息，而且救援人员可能会置身于险境。煤矿井下通信系统，关系着井上、井下人员的安全和联系畅通行，保持井下应急系统通信畅通，意义重大。实践证明，切实可靠的应急通信系统，能够在救援过程中起到非常好的应用效果，既可以提高救援效率，又可以减少人员伤亡和财产损失。

当前国内煤矿井下作业实践中，井下应急通信以有线通信为主，虽然部分设备配备了先进的井下无线通信装置，但因系统不配套等而难以发挥其作用。对于传统的煤矿井下应急通信系统而言，其中有线通信主要采用的是调度电话及联络系统。从应用实践来看，该系统属于无源传输，在发生井下事故以后，即便没有电源供电，也可保持正常通信，而且通话质量能够有所保障。实践中，因上述通信模式和手段实际布设成本较其他模式下的布设方案经济成本要高一些，加之井下环境特别的复杂，很难全面把握，而且容易出现变动，所以所用的话机可能无法覆盖整个巷道。一旦发生故障，则造成井下通信出现严重的中断现象。有线通信系统作为一种矿井应急通信系统，虽然可靠、灵活，但是存在着一些安全隐患问题，难以有效满足客观需求。

随着科技水平的不断提高，目前国内已经逐步引入无线通信系统，虽然技术水平较之于以往有所提高，但是依然存在一些问题或瑕疵。比如，通信过程中容量相对较小一些，而且部分区域的通信受限以及通信距离短和对基站具有较强的依赖性等，甚至无法支持煤矿井下救援任务。针对这些问题，本文基于目前已有的、相对比较成熟的无线Mesh网络系统和技术手段，将其引入到井下用于应急救援通信，并重新设计了新的无线应急通信体系，以此来有效满足煤矿井下作业和应急救援通信需求。

二、煤矿井下应急无线通信系统构建策略

基于以上分析，笔者认为在当前煤矿井下作业和应急救援通信系统建设过程中，应当从以下几个方面着手。

（一）煤矿井下应急无线通信系统基本需求

对于煤矿井下应急无线通信系统而言，其与地面系统之间存在着较大的差异，具体体现在如下方面：

1.通信环境复杂性

煤矿巷道多存在着一些转角，这就导致无线信号传播受阻，会出现各种类型的信号强度影响因素，比如反射、多径衰落以及折射等。

2.线行受限分析

井下巷道一般采用封闭式，在有限空间范围内，内部分支、弯道和上下坡位置，会出现巷道内景复杂多变等现象，如不及时采取措施应对，则可能会形成非视距信号通信场景。

3.环境恶劣

当发生煤矿井下事故时，可能会产生易爆、燃气体，而且量比较大；同时，还可以出现渗水现象，对巷道结构造成破坏。基于此，在应急通信系统设计过程中，应当有强扩展性以及鲁棒性，以便于能够有效适应特殊的场景需求。

4.无电源供电

井下事故发生以后，就会将原供电系统切断，整个系统中的所有需电设备均无法正常运行，甚至可能会造成供电设备损坏。由此可见，在现代无线通信系统建设过程中，应当解决好自我安全供电问题。煤矿井下应急救援通信系统的使用环境、场景等都非常的特殊，要求系统质量更高。根据实况，我们结合已掌握的情况，建立切实可靠的煤矿井下应急救援通信系统，其必须满足以下要求。

第一，系统载频不宜过低。因煤矿井下信号通道所处的环境比较复杂和特殊，如果系统载频过低，则收发信号过程中可能更加依赖于感应线路来实现传输之目的。

第二，多跳结构以及自组织。煤矿井下空间有较多的转折，通信信号受阻概率也非常大，无线应急救援通信系统应当有多跳结构，基于中介转发来放大信号，以确保点对点的通信良好性。在此过程中，还应当设计自组织性，以便于形成网络，并与煤矿井下部署。

第三，体积小、能耗低。煤矿井下救援设备，应当在井下空间内优化布设，而且要严格控制体积，方便携带。整个通信系统的能耗不能太大，可自行解决安全供电问题，确保能够在井下持续供电。

（二）优化设计系统架构

基于上文对煤矿井下应急通信系统的建设需求分析，以下将对Mesh网络系统应用基础上的应急通信系统架构进行设计。

从整体架构来看，该系统采用了分级无线网络模式，具体由MC以及MR组成。实践中，如果出现了煤矿井事故或者人员受到了威胁，则救援人员只需携带MC和MR进入受难井下巷道，即可展开及时搜救工作。不同的MR之间连接以后，又形成了一个骨干网络系统，此时搜救人员可携带MC，只需与其中一个MR正常连接，即可与地面保持正常通信。对于不同的MC而言，彼此之间的相互通信可基于MR实现转发之目的，由此便建立起一套比较完整的应急通信系统。

（三）优化设计系统硬件

1.器件优选

从功能层面来讲，MR主要用于信号转发及其放大等，对于硬件设备而言，其主要包括控制器、电源模块、存储器件以及无线通信模块和外围电路等。

第一，维控制器。维控制器对整个通信系统、性能等会产生较大的影响，基于对芯片性能可以有效满足利用场景的考虑，具有一定的运算、逻辑判断等能力，确保外部接口更加的丰富，本文选用的是S3C2440A型芯片，令其作为MR之MCU，实际上是一种精简指令集处理设备，缓存16K、主频400MHz，并且可实现操作系统的正常运行。

第二，无线模块。对于无线模块来讲，其主要功能是数据信息接收以及发送，无线通信芯片采用nRF24L01，在ISM频段集成的数据链路协议非常完整，而且速度能够达到2Mbps，只需简单的进行外围电路布设即可利用。

2.硬件架构

元器件选定以后，再优化设计硬件整体架构，对于MR整体架构而言，模块核心是MCU，通过无线收发模块、总线等进行通信、传输命令和数据。较之于MR而言，MC架构有相似之处，只是增加了一些语音通话功能，在整体架构上二者均可利用。

3.接口电路

第一，对存储单元接口进行电路优化设计。本文所研究的通信系统存储单元，主要利用了FLASH以及SDRAM存储器。对于SDRAM而言，主要作为系统内存应用，其频率与总线之间保持一致，能够有效进行快速擦写。然而，实践中应当不断进行刷新，以确保数据的客观有效性。对于FLASH而言，其作为非易失性存储设备，掉电以后数据信息也不丢失，而且能够随意擦写，一般作为固态存储装置，可存储代码以及相关信息数据。

第二，优化设计电源电路。该系统中的无线网卡需供电电源5V，存储器电源3.3V，MCU电源需1.3V。实践中，为了确保电压的统一需求，供电采用5V电源，利用芯片对电压处理以后，电压3.3V。