高速大带宽自组网通讯技术在金属矿矿井的应用

孙 越，张东永

(金川集团公司二矿区，甘肃 金昌 737100)

1 前言

随着矿井生产规模不断扩大，对作业智能化、安全化、无人化和少人化要求不断提升，要求井下特别是采掘面能够实现快速组建通讯网络，以满足矿井网络结构演化，巷道规模不断壮大，对人身安全和生产安全越来越高的要求。目前，井下综合管理自动化初步实现了各种监测监控系统的网络化集成，通过网络互联实现了多种子系统数据互通，为井下精准开采、无人开采提供了技术支撑。而5G通讯技术的高速大带宽网络的普及，势必成为未来矿井通讯系统的核心主干网络。但是井下采掘作业面，经常变动，并不适合5G通讯网络的铺设。采掘面是矿井最危险、工况最复杂、人员设备最密集的区域，非常需要一种能够快速构建的物联网结构形式[1]，满足人与人、人与设备之间的互联互通。本文针对采掘作业面经常变动的特性，引入物联网思维，在作业面尝试了一种无线自组网、大带宽、能多级连跳的通讯网络技术，可以快速完成采掘面物联网构建，并将信息接入现有主干网络，实现了井下采掘面的人员通讯、视频监控，以及采掘面与地面之间的语音和视频通讯。

2 矿井通讯网络现状以及井下无线通讯技术分析

2000年后，我国矿井强制推行6大系统，其中视频监控系统、人员定位系统、语音通讯系统都涉及矿井特种通讯网络设备。总体来说目前矿井使用的网络是以有线网络为主，无线网络为辅。考虑矿井通讯的特殊性，其网络多采用千兆工业以太环网作为骨干网，无线网和工业总线作为支网接入环网中。井上井下网络之间通过防火墙隔离，实现井上井下统一的矿井网络通讯体系，具体如图1所示。

图1 矿井网络一般架构

矿井的主干网目前是有线网络，沿主巷道固定布线，不可移动，在地质变形、井下运输以及动态变化的掘进工作面中易受破坏，维修成本高。因此，对于矿井来说，最理想的方案是实现井下通信无线全覆盖，这也是未来矿井通讯网络的发展趋势。能够用于井下，并已经做过尝试的无线通信系统种类较多，主要有以下6种[2-4]，其工作频率、带宽、速度、抗干扰能力不尽相同，以下分别比较。

(1)透地通讯技术通过地磁波传感原理来工作，其发射的无线电波穿透地层，实现井下与地面的通讯。透地通讯技术设备主要包括天线设备、传呼机和大功率发射机。此技术功耗高、带宽低、易受电磁波干扰，一般用于井下突发状况的救助。

(2)漏缆通讯需要在巷道内敷设泄露电缆，其通信频率在高频段，覆盖范围很广，可达矿区的每一角落。具体实施时，漏缆沿巷道铺设，在需要无线信号接入区域的漏缆上开孔，无线信号就能从开孔处向外传播。这种通讯方式电磁波沿电缆线纵向传播，衰减小。但是漏缆通讯抗干扰能力较低，不适合移动通讯，不能完全适应高效灵活的井下通信需求。

(3)井下蜂窝移动通信技术就是将地面蜂窝移动通信技术移植到井下，其结构原理和性能与地面蜂窝通信系统几乎相同。现有矿井大部分使用的是第三代数字蜂窝移动通讯系统(3G网络)，能够提供语音、视频和其他通讯服务。针对井下步行人员和慢速移动矿车下具有384kbps速率能力，静止状态速率可达2Mbps。随着4G技术的普及，近几年，一部分矿井在井下尝试使用4G通讯技术，虽然通讯带宽可以扩展到10M左右，但是仍然不能满足井下大量数据，特别是视频监控数据传输要求。而且蜂窝移动通信系统装备结构复杂，都是有线连接，价格昂贵，无自组网功能。

(4)超宽带(UWB)无线技术一般是指信号相对带宽不小于0.2或绝对带宽不小于500MHz,并使用指定的31～10.6GHz频段的通信方式。超宽带通信具有带宽高、功耗低、抗多径和集成化程度高等特点,在井下通信中有一定应用前景。但是，由于UWB占用的频带基本覆盖了现有无线通信系统频段，对现有无线设备造成很大干扰。而且由于UWB信号随传播距离增加快速衰减,因此超宽频带通信系统适合短距离通信。

(5)WiFi通信技术遵循802.11体系，采用TCP/IP协议，利用以太网进行传输，传输速率达54Mb/s。如工作在2.4GHz频段附近，传输距离可达300m。该技术易于链接、发射功率小、设备种类多样、可用于语音图像传输。目前，WiFi基站以网桥方式在矿井内部署。但网桥是点对点传输的，而且没有路由功能，一般仅限于两点之间无线传输，而且两点之间要可视，不能遮挡。矿井蜿蜒曲折，金属矿井可视直线距离一般不超过100m，如果用没有路由功能的网桥实现跳接，那么在部署的时候需要人工选择传输路由，如果一个网桥出问题需要更换，整个系统就需要重新做一遍，后期维护费用非常高。在矿井掘进作业面向前推进，增加一个网桥时，整个系统同样需要重新配置一遍。可见，在动态生产变化的矿井中，基站和基站之间的无线连接，以及基站之间的自组网功能十分重要。而Mesh网络可以非常方便地实现自组网。

(6)无线Mesh通信网络是一种采用多跳路由、对等网络结构，该网络具有可以动态自组网，自管理、自修复、自平衡功能，其传输带宽达到数百兆，能够传输多路视频。但是Mesh网络大多采用私有协议，设备不能直接互联，这大大限制了Mesh在矿井中的使用。更为重要的是，Mesh采用同频通讯机制，理论上讲每经过一次跳接，其通讯带宽减小二分之一，所以一般情况下，Mesh的跳接次数有严格限制，否则其带宽会迅速衰减。

综上所述，当前矿井通讯网络距离全面覆盖、任意互联、智能统一管理的要求还有很大差距，井下物联网的建立在目前的生产实践中越来越必要。可见，虽然人类社会已经从信息化发展到智能移动通讯时代了，但是针对井下采矿这种最危险的行业领域的通讯要求，现在还没有找到一种完美的解决方案。矿井，特别是采掘作业面急需找到一种无线、大带宽、能够自组网、能够多跳而不衰减带宽，而且是低成本的网络通讯技术，以便能够在不断变动的作业面快速实视频传输、语音通讯、设备互联、人人互联的物联网通讯系统。2018年，出现一种新的大带宽自组网无线通讯技术——STRONGLINK技术，该技术融合了Mesh、路由、AP等功能，比较适合矿井作业面使用，通过半年在金川公司二矿区1038中段两个盘区的初步验证，效果良好，解决了井下方便部署、井下井上视频通讯、语音通讯、充填高度监控等问题。

3 技术原理与应用测试

20世纪90年代，美军为了实现基层作战单元之间的通讯互联，提出了Ad Hoc通讯框架，在此基础上形成了一种能够自组网和多级跳接的无线Mesh 网络，该技术基于 IP通讯协议，可看作是 Internet 的无线版本，融合了传统无线网络( WLAN) 和 Ad Hoc 网络的技术优势，能够动态自组织、自维护、自配置。但是在使用过程中也发现很多缺点，特别是在多级跳接上并不能像设想的那样实现多个基站之间无线链接，而是受到其基础框架和原理的限制。

单模块模式Mesh的接入点只有一个信道，无线客户端接入和回程流量转发只能使用这个信道。当更多的Mesh节点加入网络中时，回程流量占用了信道的大部分带宽，这造成单模块Mesh节点不能同时发送和接收数据。在双模块Mesh方案中，客户端接入和回程传输分别由两个模块完成，上行和下行共享回程信道。虽然无线客户端流量将得到一定改善，但是由于所有的回程Mesh节点必须工作在同一个频率上，无线资源竞争和射频干扰还会导致不可预期的时延。

STRONGLINK网络技术借用了Mesh网络的思想，每个网络节点使用三个模块的专用无线链路接口，第一个模块用于客户端的流量接入，第二个模块用于上行无线回程流量传输，第三个模块用于下行无线回程流量传输，具体如图2所示。图中AP和STATION分别用两个相同的MCU并行工作，实现了基站之间的高速互联。因为每个链路都工作在独立的信道上，这个无线网络的方案与单模块或双模块Mesh方案相比，在自组网、无损多跳和延时性方面都得到大幅提升。为了增加STRONGLINK的通用型，该网络采用了802.11a、802.11c(MIMO)协议，保证了该网络能够与现有的手机、WIFI设备和网络设备直接互联，在不改变现有网络的情况下，迅速部署和接入已有网络。为了解决基站之间能够互不干扰的无线接续问题(多跳)，STRONGLINK技术采用了两种不同频段2.4GHz和5.8GHz，并使用了不同的信道，从而避免了同频干扰问题。由于节点之间采用无线级联方式通信，每个节点都可与其他节点使用点对多点(point-to-point)连接，因此理论上讲，无线级联没有跳数的限制。

图2 STRONGLINK技术的基站互联模型

为了验证STRONGLINK网络多跳后的通讯效果，设计了一系列测试，跳数从1到增加到15，测试流量经过多跳后的降低程度。测试时，流量通过了从客户端相连的节点到流量发生服务器这个菊花链上的多个节点。服务器用于测量TCP和UDP带宽性能，并允许调整不同的参数和特征，它还可以报告带宽、时延和丢包率。测试场地如图3所示，测试结果如图4所示。可见，本基站带宽可以在15跳以后，仍然保持347MHz。

图3 测试场地

图4 测试结果

4 井下实际应用测试效果

2019年6月，在金川公司二矿区井下逐步展开基于STRONGLINK的通讯系统试验。将一台无线基站和井下环网连接，环网到各工作面采用无线基站多级连跳的方式无线组网，同时在巷道内形成WiFi覆盖，在工作面使用便携式网络高清无线摄像机，通过无线基站将现场视频画面传输到休息硐室职工的终端设备上，同时监控视频可以通过环网上传到地面监控室，便携式网络高清摄像机可以实现监控的快速部署。所有设备供电采用专用的应急电源，在断电后自身携带的电池续航能力在8～9h，现场安装图片和无线视频监控如图5所示。

图5 通讯基站和无线便携网络高清摄像机

STRONGLINK音视频通讯系统：在井下巷道和地面办公楼部署无线基站，基站多跳后，形成WiFi覆盖，在核心机房安装音视频通讯服务器，在调度中心安装多媒体调度平台，终端设备安装配套软件，连接WiFi后可以实现音视频通讯。系统拓扑如图6所示。

图6 系统拓扑图

STRONGLINK矿车无线视频监控系统：在矿车上安装有两台无线网络摄像机，在矿车沿途布设一系列自组网基站，矿车上的无线视频监控系统在矿车行进时，在基站之间漫游，就可以将矿车运行的画面传输到操作室的显示器上。矿车司机通过监控画面，直观、实时地观察并掌握矿车的运行状态和设备的实际运行情况。同时该监控视频可以通过环网上传到地面监控室。这套系统拓扑如图7所示。

图7 系统拓扑图

通过近半年的试用和验证，证明STRONGLIK通讯方案比目前井下使用的其他无线通讯方案更加适合于矿井使用，特别适合经常变动的采掘作业面使用，可以构成采掘区物联网系统，除了上述多视频同时接入、音频传输、矿车移动视频传输以外，正在验证的设备还有带有视频监控和语音对讲的智能头灯，视频对讲，UWB人员定位等，其优势十分明显：

(1)能够快速完成井下巷道内多点数据高速大带宽传输及WiFi信号覆盖。

(2)具有无线自组网功能，开机就能建立链接，布署和拆除方便快捷。

(3)无线自动灾备接续，通信链路鲁棒性强。

(4)可以多级跳接，网络扩展延伸能力强。

(5)采用通用TCP/IP协议，支撑多种设备接入。

5 结论

通过本次试验验证以及多年井下工作感受，笔者认为未来矿井通讯系统应的发展应该在以下方面得到提升和加强：

(1)矿井信息采集体量越来越大，未来数据量将增加10～100倍，通讯网络需要更高的带宽容量。

(2)由于井下生产导致通讯网络随开采进度不断拓展，设备和通信终端也在不断迁移，矿井的通讯网络应当具备自动布置和自我管理能力。

(3)随着5G的推广，矿井物联网会很快铺开，需要网络具有密集接入能力。

(4)无人采矿、智慧传感要求通讯网络具有更高的实时性。

(5)未来矿井物联网中终端接入管理不再按具体系统划分，网络接入点分布更多、更广，需要矿井通讯网络具有动态接入与安全识别能力。

(6)井下作业危险大，尤其是工作面风险因素最多、设备最密集，在这个区域使用的网络应当具备灾变条件下的自愈能力和区域自持能力。

通过半年多对STRONGLIK通讯技术和设备的试用，能够感受到该技术与其他已有技术相比在大带宽、自组网、密集接入能力、实时性和灾备能力上有一定改善，在矿区已经实现了人在硐室检测充填高度，井下人员之间视频通讯，井下井上视频通讯等功能。由于该基站带有路由功能，网络配置比传统的网桥简单，在采掘作业面推进或更换采掘盘区时，无线基站挪动也不必像网桥一样重新设置路由，减少了大量工作。应该说该技术还是比较适合用于井下作业面通讯要求的，当然，作为一种新技术，如何更好地在井下使用，还需要更多的摸索。