無(wú)線(xiàn)Mesh技術(shù)在煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 鋒,顧 偉

(中電廣通股份有限公司， 北京 100081)

煤炭是我國(guó)主要的能源支柱，我國(guó)的煤炭資源儲(chǔ)量雖然列全球首位，但是我國(guó)大部分煤炭資源賦存條件較差，埋藏深、高瓦斯、地質(zhì)條件復(fù)雜。煤炭行業(yè)一直是我國(guó)安全事故頻發(fā)的高危行業(yè)。分析近年來(lái)發(fā)生的多起惡性的大型煤礦安全事故，我們可以看到，即使在國(guó)有的大型煤炭企業(yè)中，井下應(yīng)急通信技術(shù)仍基本處于空白：災(zāi)害發(fā)生后的及時(shí)全面地通知、應(yīng)急預(yù)案的迅速下發(fā)、井下情況的及時(shí)上報(bào)、各部分之間的協(xié)同通訊等，均缺乏有效的通信技術(shù)手段與裝備。許多事故中，都有礦工并非死于災(zāi)害的第一現(xiàn)場(chǎng)，而是死于回撤的途中或次生的災(zāi)害中的悲劇發(fā)生。國(guó)家安監(jiān)總局提出了到2015年中國(guó)所有煤礦，都將建立“監(jiān)測(cè)監(jiān)控”、“人員定位”、“緊急避險(xiǎn)”、“壓風(fēng)自救”、“供水施救”和“通信聯(lián)絡(luò)”等安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的要求。

1 現(xiàn)有應(yīng)急通信技術(shù)研究

迄今為止，我國(guó)煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)，主要以有線(xiàn)通信為主，無(wú)線(xiàn)通信為輔。

有線(xiàn)通信主要為礦用調(diào)度電話(huà)系統(tǒng)，其調(diào)度通信的功能與井下無(wú)源傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，使其具備一定的應(yīng)急通信能力。在許多災(zāi)害的案例分析中，我們可以看到，有線(xiàn)通信仍是上報(bào)災(zāi)害情況、部署應(yīng)急處理措施與通知撤離的主要通訊手段。但是，調(diào)度電話(huà)系統(tǒng)在應(yīng)急通信中，也存在一些不足：井下巷道長(zhǎng)，而部署的電話(huà)機(jī)數(shù)量相對(duì)較少且位置固定，在災(zāi)害場(chǎng)景下難以做到全面的通訊；通信線(xiàn)纜只在主井、大巷有環(huán)路冗余，而在災(zāi)害多發(fā)的采面、掘進(jìn)頭等位置均為星型連接，一旦災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致線(xiàn)纜損毀，通信就會(huì)中斷。

目前，井下的無(wú)線(xiàn)通信方式，主要有漏泄通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、CDMA(大靈通)通信、以及無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)通信系統(tǒng)等。從應(yīng)急通信功能的角度來(lái)看，這些技術(shù)或多或少均存在一些局限：

1.1 信道容量小

透地通信、漏泄通信、PHS(小靈通)通信均存在信道容量小的局限，難以適應(yīng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)呼叫量的激增，其中透地通信為單向傳輸，僅能支持一些文本信息的廣播；而小靈通每個(gè)基站只有3個(gè)語(yǔ)音信道。

1.2 網(wǎng)絡(luò)缺乏冗余能力

漏泄通信、PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)系統(tǒng)組網(wǎng)均為星型或鏈型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)不具備環(huán)路冗余能力，一旦連接井上井下的這根線(xiàn)纜受損，系統(tǒng)即陷入癱瘓。

1.3 對(duì)中心語(yǔ)音、認(rèn)證或數(shù)據(jù)交換機(jī)的依賴(lài)

PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)以及基于瘦AP(Fit)架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)，均嚴(yán)重依賴(lài)地面的中心語(yǔ)音或控制交換機(jī)，一旦災(zāi)害導(dǎo)致井下基站與地面的中心設(shè)備的失聯(lián)或地面交換主機(jī)發(fā)生故障，系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。

1.4 缺乏電源后備能力

漏泄通信、PHS(小靈通)、CDMA(大靈通)系統(tǒng)，均不具備電源后備能力，災(zāi)害導(dǎo)致的斷電或線(xiàn)纜損毀，災(zāi)后的停電均會(huì)使系統(tǒng)癱瘓。

2 煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)需解決的問(wèn)題

煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)除了滿(mǎn)足本安防爆、可靠實(shí)用等一般性要求外,還需解決以下核心問(wèn)題:

2.1 應(yīng)急調(diào)度問(wèn)題

應(yīng)急場(chǎng)景下的通信調(diào)度與常態(tài)應(yīng)用是不同的，面對(duì)災(zāi)后第一時(shí)間迅速通告的需求，面對(duì)災(zāi)害發(fā)生后通信系統(tǒng)容易出現(xiàn)的呼叫量激增、多人同時(shí)呼叫同一調(diào)度號(hào)碼等導(dǎo)致的線(xiàn)路擁塞現(xiàn)象，應(yīng)急通信系統(tǒng)需具備特有的應(yīng)急調(diào)度功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)冗余問(wèn)題

災(zāi)害的發(fā)生極易對(duì)通信系統(tǒng)的線(xiàn)纜、通信基站等造成直接損毀，這就要求應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，必須具備多路由的網(wǎng)絡(luò)冗余功能，確保網(wǎng)絡(luò)中單點(diǎn)的線(xiàn)纜或設(shè)備損毀不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

2.3 電源冗余問(wèn)題

許多災(zāi)害的發(fā)生，容易對(duì)通信系統(tǒng)的供電線(xiàn)纜或供電設(shè)備造成損壞，而且根據(jù)煤礦安全操作規(guī)程，在火災(zāi)、瓦斯等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，必須有相應(yīng)的供電閉鎖乃至井下的整體停電，這就要求應(yīng)急通信系統(tǒng)具備電源冗余功能。

2.4 通信終端的應(yīng)急通信問(wèn)題

從許多成功救援的礦難案例中我們可以看到,災(zāi)后井下被困人員的有組織自救至關(guān)重要。但是，災(zāi)害中通信系統(tǒng)往往容易同時(shí)受損，如線(xiàn)纜中斷、設(shè)備損毀、供電停止等均易導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生區(qū)域與地面調(diào)度中心的通信中斷，這就需要通信終端在這種災(zāi)害場(chǎng)景下具備應(yīng)急脫網(wǎng)通信功能。

2.5 系統(tǒng)容量

面對(duì)災(zāi)害發(fā)生后通信系統(tǒng)容易出現(xiàn)的呼叫量激增導(dǎo)致的線(xiàn)路擁塞現(xiàn)象，應(yīng)急通信系統(tǒng)中通信基站的信道容量，必須具備足夠的冗余。例如，礦用小靈通系統(tǒng)的一臺(tái)通信基站，只有3路話(huà)音信道，基本可以滿(mǎn)足正常生產(chǎn)場(chǎng)景下的通訊，但對(duì)于應(yīng)急通信來(lái)講是不夠的。

在上述的應(yīng)急通信系統(tǒng)面臨的五個(gè)核心問(wèn)題中，較難實(shí)現(xiàn)的是采面與掘進(jìn)面的網(wǎng)絡(luò)冗余與通信終端的應(yīng)急通信功能，但隨著基于無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)(Mesh)技術(shù)與Vo-WLAN技術(shù)在煤礦通信中的應(yīng)用，使得這些功能的實(shí)現(xiàn)成為可能。

3 基于無(wú)線(xiàn)Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)

Mesh網(wǎng)絡(luò)，即“無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)”,它是一個(gè)無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，是由對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(ad hoc)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的可以不斷擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),任意的兩個(gè)設(shè)備均可以保持無(wú)線(xiàn)互聯(lián)。

Mesh WLAN網(wǎng)絡(luò)要比單跳網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定,這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)通信中,網(wǎng)絡(luò)性能的發(fā)揮并不是僅依靠某個(gè)節(jié)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的鏈型或星型網(wǎng)絡(luò)中,如果固定的節(jié)點(diǎn)或線(xiàn)路發(fā)生故障,那么該節(jié)點(diǎn)下所有的無(wú)線(xiàn)設(shè)備都不能進(jìn)行通信。而在Mesh WLAN網(wǎng)絡(luò)中,如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障,可以重新再選擇另一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,數(shù)據(jù)仍然可以高速地到達(dá)目的地。Mesh WLAN技術(shù)使無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)配置網(wǎng)絡(luò),并使網(wǎng)絡(luò)效率最優(yōu)化的特性。提供自我組織、自我修復(fù)、更新動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接,確保網(wǎng)絡(luò)安全等等功能。

胖AP(Fat)架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，基于VoWLAN的通信機(jī)制，通信系統(tǒng)中的各基站之間、各通信終端之間的通信，均可以不依賴(lài)地面中心交換或控制設(shè)備，即使與地面中心端設(shè)備失連后，系統(tǒng)內(nèi)部仍可以互相通信，實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)通信的功能，使得災(zāi)后被困人員可以實(shí)施組織自救；該系統(tǒng)可以架構(gòu)在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)之上，從而具備環(huán)網(wǎng)冗余的功能，系統(tǒng)中單點(diǎn)或單邊的設(shè)備、線(xiàn)纜損毀不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，在救災(zāi)應(yīng)急通信方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

將基于胖AP(Fat)架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)通信技術(shù)與無(wú)線(xiàn)Mesh 技術(shù)相結(jié)合，可以很好地解決煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)急需解決的問(wèn)題：

3.1 采面無(wú)線(xiàn)組環(huán)

煤礦的主副大巷容易形成冗余網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)的可靠性較高,但煤礦中災(zāi)害集中多發(fā)的采面與掘進(jìn)面由于受到巷道布置方式與采面回撤的限制，一直無(wú)法形成冗余網(wǎng)絡(luò)：煤礦掘進(jìn)面往往是一條死胡同，缺少網(wǎng)絡(luò)冗余的回路路由，煤礦采面雖然兩側(cè)均有巷道，物理上具備形成冗余回路的路由，但由于采面處于不斷移動(dòng)的回采作業(yè)過(guò)程中，且采面環(huán)境惡劣，大型機(jī)電設(shè)備集中，采煤過(guò)程中支架的不斷移動(dòng)、飛濺的煤塊等，使通信設(shè)備與線(xiàn)纜在采面很容易被損壞,但使用采面無(wú)線(xiàn)組環(huán)方式,可以解決上述問(wèn)題。

在采區(qū)兩側(cè)的主輔順槽內(nèi)，采用通信基站間有線(xiàn)傳輸+無(wú)線(xiàn)覆蓋的方案，在采面的兩側(cè)通信基站之間，采用無(wú)線(xiàn)傳輸+無(wú)線(xiàn)覆蓋的通信方式，實(shí)現(xiàn)在環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備、線(xiàn)纜易損的采面，使用Mesh WLAN或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)覆蓋與傳輸，在采面上實(shí)現(xiàn)主/輔順槽通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形連接。

采面環(huán)網(wǎng)形成的意義不僅在于應(yīng)急通信系統(tǒng)，采面是煤礦生產(chǎn)的核心區(qū)域之一，各種設(shè)備集中，采面環(huán)網(wǎng)的形成對(duì)采面工業(yè)自動(dòng)化出傳輸網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的冗余性能的提升，也具重要意義。

3.2 光纖/無(wú)線(xiàn)互為備份

無(wú)線(xiàn)Mesh 技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信基站之間光纖/無(wú)線(xiàn)互為備份組環(huán)的功能。通信基站之間以光纖通信為主鏈路，在光纖鏈路中斷后，自動(dòng)切換到無(wú)線(xiàn)Mesh的備份鏈路。與圖1相比，通信基站之間的通信增加了一條無(wú)線(xiàn)Mesh備份鏈路；也可以實(shí)現(xiàn)擺脫光纖的全無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)傳輸，即通信基站之間采用無(wú)線(xiàn)Mesh技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)與覆蓋，省去了光纖鏈路的建設(shè)與維護(hù)。因?yàn)椴蓞^(qū)環(huán)境下光纖的施工與維護(hù)較為困難，這樣就可以實(shí)現(xiàn)全無(wú)線(xiàn)Mesh的采區(qū)傳輸而非僅僅是無(wú)線(xiàn)采面。

其帶來(lái)的益處是：雙鏈路備份使得在災(zāi)害導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)多點(diǎn)光纖故障或多點(diǎn)基站故障的場(chǎng)景下，仍可以保障通信鏈路的傳輸，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的冗災(zāi)性能。無(wú)線(xiàn)備份傳輸鏈路的增加，由于WLAN無(wú)線(xiàn)通信具備的縫隙傳輸、空間傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，使得系統(tǒng)在冒頂、水災(zāi)(非沒(méi)頂)等災(zāi)害場(chǎng)景下的無(wú)線(xiàn)通信仍存在可能，系統(tǒng)冗災(zāi)通信能力進(jìn)一步提高。

3.3 Wi-Fi手機(jī)脫網(wǎng)通信

Wi-Fi手機(jī)脫網(wǎng)通信功能是指井下的手機(jī)或通信基站，在與地面的調(diào)度交換機(jī)或控制器失聯(lián)后，手機(jī)之間仍然可以直接或通過(guò)井下的通信基站實(shí)現(xiàn)相互通信。避免因?yàn)榫?、井下系統(tǒng)失聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓，使災(zāi)后被困井下人員之間仍然可以互相通信，以便發(fā)現(xiàn)、組織被困人員向安全區(qū)域撤離、提示使用自救器、進(jìn)入逃生艙等自救工作。目前的移動(dòng)通信技術(shù)體制中,只有基于VoWLAN技術(shù)的Wi-Fi手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)該功能。

3.4 后備電源

基于無(wú)線(xiàn)Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)基站，每臺(tái)均單獨(dú)配置后備電源與電池，確保在災(zāi)后救援的黃金時(shí)間內(nèi)，基站工作不受井下停電或供電線(xiàn)纜損毀的影響。

3.5 應(yīng)急調(diào)度

基于無(wú)線(xiàn)Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)，具備對(duì)有線(xiàn)電話(huà)與無(wú)線(xiàn)通信話(huà)路的強(qiáng)插、強(qiáng)拆功能，以避免共同呼叫導(dǎo)致的擁塞；具備廣播、組播、會(huì)議、輪詢(xún)、群發(fā)緊急通知短信、群發(fā)應(yīng)急預(yù)案等功能，以實(shí)現(xiàn)災(zāi)后通信的及時(shí)有效。

綜上所述，基于無(wú)線(xiàn)Mesh 技術(shù)的煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)采用了無(wú)線(xiàn)/有線(xiàn)一體化，生產(chǎn)/行政一體化的融合調(diào)度通信主機(jī)，采用具備無(wú)線(xiàn)Mesh功能的胖AP(Fat)架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)技術(shù)，架構(gòu)在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)之上，各基站均配置后備電源，使用具備脫網(wǎng)通信功能的移動(dòng)終端，即能滿(mǎn)足煤礦企業(yè)正常生產(chǎn)、管理的需要，又大幅提高了系統(tǒng)的冗災(zāi)與應(yīng)急通信能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤礦作為高危險(xiǎn)行業(yè)，井下出現(xiàn)緊急或?yàn)?zāi)害情況概率遠(yuǎn)大于其他工業(yè)環(huán)境。而在應(yīng)對(duì)緊急或?yàn)?zāi)害情況的時(shí)候，可靠的通信是非常重要的救援保障。煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)，多年來(lái)一直是行業(yè)的難點(diǎn)與空白，現(xiàn)有的礦用小靈通、大靈通以及瘦AP架構(gòu)(Fit)的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，均難以在應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中起到應(yīng)有的作用。無(wú)線(xiàn)Mesh WLAN通信技術(shù)以其具有的無(wú)線(xiàn)傳輸、自動(dòng)配置、自我修復(fù)、自我優(yōu)化等功能特點(diǎn)，提高了煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的冗災(zāi)性能與冗災(zāi)類(lèi)別，將成為煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)乃至煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的首選技術(shù)。

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