某铁矿五网合一的井下安全避险系统*

王立杰 杨志强 刘 阳 马 宁

（河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司）

河北某铁矿井下安全避险系统初步设计存在系统扩展性和兼容性较差、系统链路连接稳定性较差、有线通信系统无总调度功能、各中段基站数量布置不合理等问题，这些问题的存在不仅易造成井下安全避险系统运行不稳定，导致系统发生故障时无法准确判断故障点位置而迅速做出响应［1］，更存在较大的安全隐患，易造成事故扩大化。为此，某铁矿展开系统地研究工作，最终形成一套基于五网合一的井下安全避险系统设计优化方案。

1 总体优化思路

采用井下人员定位、安全监测、视频监控、有线通信及自动化数据传输等五网合一的网络传输系统，由管控层、网络传输层、设备层的3层整体架构构成。其中网络传输层是采用千兆工业以太环网+WIFI+485转换装置的技术，将工业网络交换机与镁锶锑网络基站及几大煤炭院人员定位及安全监测技术有效融合，做到整体与分支、有线与无线，以及多形式接口技术的结合，各子系统终端设备采用多种接口形式就近接入各环网交换机和无线基站。地面通过虚拟服务器安装个子系统应用程序，实现整个系统的数据采集、数据传输以及数据展示。既满足规范及功能需求，又减少大量的线缆布设，降低投资成本。

2 网络系统

建设一套千兆环型工业以太网作为整个矿井信息传输的主干传输平台。地面配置2台核心交换机，井下配置8台节点交换机，通过24芯铠装光缆，从机房分别经过副井和北风井实现单环冗余。没有节点交换机的中段，用无线基站接入环网系统中。千兆环网具备冗余功能［1］，自愈时间小于20 ms，平均无故障时间不少于200 000 h，能及时诊断出故障点以便维修。主干网络节点提供多种形式的接口方式，方便井下各个子系统（包含人员定位、安全监测、视频监控、无线通信及后期建设的自动化子系统）的接入。网络系统结构见图1。

2.1 环网交换机布点

考虑到井下环境潮湿，为确保网络的稳定性，延长设备使用寿命，共布置8台环网交换机，分别布置在副井主提升机房二层信号室及井下各中段采区变电所，矿用24芯单模铠装井筒光缆用于主干环网。路线为地表调度中心机房→副井井口二层信号室→-170 m二号采区变电所环网交换机→-230 m二号采区变电所环网交换机→-245 m一号采区变电所环网交换机→-260 m中央变电所环网交换机→-409 m破碎变电所环网交换机→-260 m中段巷道→-110 m北风井变电所环网交换机→-110 m北南风井变电所环网交换机→地表调度中心机房，最终形成安全可靠的环型物理连接。没有节点交换机的中段，用无线基站接入环网系统中。

考虑到现场的恶劣条件，为减少因电源故障而产生的网络中断等事故发生几率，井下环网交换机选用赫斯曼品牌模块的工业交换机，均配备专用的不间断电源，可持续供电2 h。

2.2 环网网络设计

根据工业级交换机网络带宽的可控实际利用率，结合铁矿的实际所需带宽流量，并考虑到突发数据的端口阻塞可能和突发状况下传输量的增加，以及对环网承载的业务及数据流量的分析、未来网络业务的扩展性，整个工业以太环网网络骨干带宽设计为1 000 M。8台环网交换机均采用光纤端口和地面核心交换机组环，一个连接上级交换机，一个用于连接下级交换机，构成一个完整的光纤环路，当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时，整个网络会自愈，并在20 ms内恢复正常的通讯。同样-409、-448、-488 m 3个中段的基站也是通过环网耦合的方式接入环网，实现3个中段信息传输的冗余。

2.3 各中段网络设计

井下各中段主巷道共布置42台无线基站，同时每台基站处并列布置1台转换装置，每台基站通过12芯光纤串接至环网交换机。基站+转换装置包括WiFi模块、人员定位模块、安全监测模块及以太网光电口。基站是无线网络的接入点，选用镁锶锑KT112-F型基站，采用双无线模块设计，可同时支持802.11 b/g。基站与转换装置两者结合，可实现无线通信、安全监测及人员定位功能，提供Zigbee发射器（模块）的信息传输通道［2］，实现传感器接入。

2.4 网络管理

采用赫斯曼公司的网络管理软件对整个网络的所有设备进行统一的管理。

3 人员定位系统

系统主要包括地面调度中心、系统软件及显示部分、数据传输通道、无线收发部分及终端设备。其中无线收发部分采用无线基站+485转换装置，主要融合了WiFi无线技术、RS485转换技术、TCP/IP技术等，可多系统使用，还可以为视频及广播接入留有接口。终端设备采用ZigBee技术，低功耗，系统稳定漏读率低，被测人员通过检测点无需主动进行任何操作，不影响井下人员的正常通行和正常作业。

井下各中段及井口共设计128个定位收发器，分别布置在各个中段马头门、变电硐室、斜坡道、机修硐室、避难硐、炸药库、南北风井以及各个采面，实现全矿井覆盖。收发器通过四芯电缆接入转换装置，其供电来自转换装置内，不需额外配置电源箱。收发器采用ZigBee技术，实时接收定位卡的发射信号，通过无线基站和环网，把数据实时传输至地面服务器加以处理。基站采用12芯光纤级联，收发器通过4芯电缆接入信号转换接入装置实现网络信号的转换。无线收发器覆盖矿井全部范围，能实时准确地监控到井下人员分布情况，系统漏检率<10-4。定位卡具有双向呼叫功能：当井下某处发生紧急情况时，监控主机可以给某区域发送紧急寻呼，当井下某人员发生紧急情况时，该人员可以向调度主机发送求救信号。

在附属楼至副井井口通廊内设计一块3 m2的户外P6全彩LED显示屏，实时显示人员出入井情况、井下人员分布情况。在通廊内配置4通道闸机，配套无源卡和发射卡，实现入井唯一性检测功能，出入井记录、考勤。系统主机安装在地表调度中心，完成人员信息编码采集、识别、加工、显示、存储、查询和报表打印等功能。

4 通信联络系统

通信联络系统包括有线通信系统和无线通信系统［1］。地面核心交换设备采用有线/无线一体化设计，可同时支持有线和无线设备的接入。调度台采用一体化设计［3］，可全局对手机、井下电话实现调度。一体化交换机和现有的地面行政调度机通过数字中继实现对接，达到生产调度、行政办公无缝对接。

4.1 有线通信系统［4］

有线通信网络采用大对数电缆，从机房出发，分别从副井和北风井直接敷设至各个中段水平副井马头门处，并接入电话分线箱，确保任何一条通信线缆发生故障后，另外一条线缆的容量应能担负井下各中段通信终端的通信能力。井下各中段共设计电话终端85部，分别从电话分线箱内引出5对电话线接至各终端电话机。以3~5部电话为一个小区域，共同1根5对电话线，统筹利用各中段5对电话线线缆，减少线缆敷设量。

4.2 无线通信部分

井下共设计40部矿用手机，通过一体化调度交换机［5］，利用工业以太环网作为主传输通道，通过井下的WiFi网络覆盖，实现手机与手机、手机与座机点对点通话。其无线通信与人员定位系统见图2。

5 安全监测监控系统

安全监控系统共设计一氧化碳、低浓度甲烷、风速、开停、负压、烟雾、顶板围岩应力共计158台各式传感器，实时有效监控井下生产区域的各个工矿参数，为矿井生产提供安全保障［3］。系统采用无分站设计，通过串口服务器把各个传感器监测到的数据实时传输至地面服务器中。部分智能传感器采用分体式设计，探头部分可以根据需要灵活替换，二次仪表部分为通用件，节约后期更换成本。

各类传感器采用四芯线缆通过485接口就近接入转换装置或环网交换机中，通过网络实时传输数据到调度中心上位机。监测软件平台上可显示相关环境参数、生产工况参数的实时值及累计值、图形和表格，实时显示、动、静态图形、曲线、采掘平面图、模拟量配置图等，并具有数据储存、超限报警、打印各种表格等多种功能。

6 视频监控系统

井下共设计10台防爆网络高清摄像仪、86台高清网络摄像仪，分别布置在马头门、采区变电所、风机硐室、消防材料库、炸药库、卸矿硐室、装载硐室等人员密集进出场所以及井下重点生产场所。为保证系统的稳定性，每5台摄像仪通过光缆串接的方式接入环网交换机，实现数据传输，在地面接入硬盘录像机与视频综合管理平台，实现视频的集中显示、存储、回放和管理［2］，保障了视频数据与其他数据物理传输不相互影响。

7 结论

本研究结合铁矿矿井建设实际，结合工业网络交换机、无线基站及人员定位、安全监测产品，对各家先进设计理念与成熟技术产品进行技术研究，形成一整套技术先进、经济合理、链路连接安全稳定、兼容性高、扩展性强的集井下人员定位、无线通信、安全监测、视频监控及自动化数据传输等五网合一技术的井下安全避险系统优化方案，从源头消除系统设计存在的缺陷及隐患，保障井下安全避险系统安全高效稳定运行，各监测数据传输稳定，充分发挥其保障矿山安全生产的重大作用，实现为矿山安全生产服务的目标。