基于基站協(xié)作的煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)研究

王潤(rùn)北

(鄭州賽金電氣有限公司，鄭州450016)

1． 概述

煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的有線/無線相結(jié)合的通信系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦井的廣播通信、調(diào)度通信以及無線通信。系統(tǒng)將煤礦企業(yè)常用的通信系統(tǒng)進(jìn)行了整合，使之能夠通過一個(gè)應(yīng)急指揮中心進(jìn)行管理，廣播電話可以用于皮帶巷、工作面等各種復(fù)雜場(chǎng)合。系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)互聯(lián)互通，并能夠通過自身的緊急呼叫/廣播功能觸發(fā)人員定位卡上的物理報(bào)警裝置。通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在礦井的應(yīng)用，融合寬帶無線技術(shù)和傳感器技術(shù)，構(gòu)建有線/無線混合結(jié)構(gòu)的全覆蓋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有煤礦井下信息傳輸存在監(jiān)控盲區(qū)和不能實(shí)現(xiàn)全礦井的無縫全覆蓋監(jiān)控等問題。

2． 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

2．1 應(yīng)急通信保障系統(tǒng)軟件平臺(tái)的開發(fā)

如圖1所示，煤礦各通信系統(tǒng)通過應(yīng)急通信保障系統(tǒng)的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理。

建立一套涵蓋煤礦有線、無線相結(jié)合的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)礦井通信全覆蓋，發(fā)生災(zāi)難緊急情況具有一鍵通功能，一分鐘內(nèi)快速通知井下所有礦工安全撤離。

本軟件平臺(tái)功能特點(diǎn)包括:

整合語音通信系統(tǒng)，統(tǒng)一界面，統(tǒng)一管理;

調(diào)度室直接對(duì)擴(kuò)播、調(diào)度電話、手機(jī)各點(diǎn)進(jìn)行緊急呼叫或廣播;

各分機(jī)點(diǎn)、線狀態(tài)顯示;

分級(jí)管理，分級(jí)監(jiān)控;

一鍵通緊急廣播;

豐富靈活的軟件接口，支持定制開發(fā)。

圖1 煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)的軟件平臺(tái)

2．2 基于IP的數(shù)字式全雙工煤礦擴(kuò)播電話的開發(fā)

煤礦擴(kuò)播電話用于生產(chǎn)局部區(qū)域的通信，可以實(shí)現(xiàn)廣播式全雙工通話。如果出現(xiàn)事故異常，可以通過擴(kuò)播電話機(jī)給出聲光報(bào)警提示信號(hào);系統(tǒng)將傳統(tǒng)的擴(kuò)播電話及程控電話以數(shù)字電路和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)理念重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)語音電話機(jī)數(shù)字化、信號(hào)傳輸數(shù)字化、基于現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)集中控制的全數(shù)字語音電話系統(tǒng)。

本擴(kuò)播電話是一種通過IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)語音通信的一種全新的通訊設(shè)備?；贗P的煤礦擴(kuò)播通信是純數(shù)字?jǐn)U播系統(tǒng)，抗干擾性強(qiáng)，音質(zhì)好，不但具有傳統(tǒng)的擴(kuò)播電話系統(tǒng)的功能，還具備定時(shí)播報(bào)和背景音樂以及與地面調(diào)度臺(tái)互通等功能。除了集成調(diào)度電話功能，還支持以太網(wǎng)通信，可直接接入礦用調(diào)度電話系統(tǒng)。本產(chǎn)品中的IP擴(kuò)播電話終端可以與調(diào)度電話交換機(jī)、普通電話交換機(jī)連接;可以更方便的實(shí)現(xiàn)背景音樂播放、觸點(diǎn)信號(hào)遙控功能;主機(jī)界面直觀友好，功能齊全，操作簡(jiǎn)便，人機(jī)界面不僅具有形象逼真的動(dòng)態(tài)畫面和全中文顯示，還具有急停報(bào)警監(jiān)視、安全確認(rèn)機(jī)制和數(shù)據(jù)記錄功能。

擴(kuò)播話機(jī)通過接收從串口傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU輸出到A/D轉(zhuǎn)換模塊和編碼解碼器，最后經(jīng)過功率放大器到擴(kuò)音喇叭實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音廣播。來自IP擴(kuò)播電話的轉(zhuǎn)換端口的數(shù)字語音信號(hào)通過芯片微處理器，拆包并提取語音數(shù)據(jù)送入VS1003B對(duì)其進(jìn)行解壓與解碼再由芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換還原成語音模擬信號(hào)輸出。井下人的模擬語音信號(hào)通過芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的PCM信號(hào)，再由VS1003B進(jìn)行壓縮編碼，壓 縮 后 數(shù) 據(jù) 輸 出 給 FPGA 芯 片。EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器除了提供系統(tǒng)所需的所有時(shí)序外，還對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和打包傳輸給IP擴(kuò)播電話的轉(zhuǎn)換端口。

2．3 調(diào)度程控電話廣播裝置的開發(fā)

可以通過以太網(wǎng)口，就近接入井下工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，地面?zhèn)鬏斀涌谕ㄟ^以太網(wǎng)上的交換機(jī)與井下本安廣播分站進(jìn)行通訊，組成工業(yè)以太網(wǎng)+通信電纜的模式。

本系統(tǒng)話機(jī)帶有源音箱，在接收到電話呼叫后振鈴三聲以內(nèi)摘機(jī)，則實(shí)現(xiàn)普通聽筒通話;若振鈴三聲未摘機(jī)，則電話機(jī)自動(dòng)接通，并把接收到的語音轉(zhuǎn)接到有源音箱進(jìn)行擴(kuò)音播放。

2．4 基于Wi－Fi礦用無線通信

礦用無線通迅系統(tǒng)采用Wi－Fi與TCP/IP相結(jié)合的技術(shù)，在煤礦井下實(shí)現(xiàn)了語音信息的無線傳輸。專門根據(jù)煤礦井下環(huán)境和巷道電磁波的傳輸特性設(shè)計(jì)研制的礦用無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)采用全本安設(shè)計(jì)，可以在工作面、回風(fēng)巷等高瓦斯環(huán)境中使用。通過無線信號(hào)進(jìn)行空間覆蓋的礦井寬帶無線通訊系統(tǒng)，可與礦上行政電話系統(tǒng)、有線調(diào)度電話系統(tǒng)無縫銜接，利用礦用本安手機(jī)、固定電話等終端接入設(shè)備來實(shí)現(xiàn)群呼、組呼等功能，從而實(shí)現(xiàn)井上對(duì)井下的語音調(diào)度以及井下對(duì)井上的信息反饋，并真正實(shí)現(xiàn)了無線通信、調(diào)度通信和行政通信一體化、井下通信和井上通信一體化，使煤礦無線通訊技術(shù)躍上一個(gè)新的臺(tái)階，進(jìn)而能夠更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速的進(jìn)行生產(chǎn)指揮、調(diào)度、搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)、安全監(jiān)測(cè)、移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，是煤礦通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的理想選擇。基于Wi－Fi礦用無線通信系統(tǒng)是基于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)、采用TCP/IP、Wi－Fi和SHDSL等協(xié)議開發(fā)的新一代礦用無線通信系統(tǒng)，它由IP調(diào)度交換系統(tǒng)、地面環(huán)網(wǎng)接入器、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、礦用本安型DSL接口、礦用本安型無線基站、礦用本安型Wi－Fi手機(jī)、礦用攝像頭及其他配套設(shè)備組成，能實(shí)現(xiàn)礦區(qū)井上與井下的語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸功能。

2．5 無線視頻監(jiān)控

系統(tǒng)基于當(dāng)前先進(jìn)的視頻采集、數(shù)據(jù)壓縮還原、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)設(shè)計(jì)而成。系統(tǒng)采用單對(duì)雙絞線數(shù)字傳輸、Wi－Fi無線通信取代原有的光纖傳輸方式，采用固定與移動(dòng)音、視頻監(jiān)控模式，填補(bǔ)了國內(nèi)市場(chǎng)空白。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控終端、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)、監(jiān)控中心等部分。根據(jù)監(jiān)控傳輸方式的不同，還可以分為有線監(jiān)控和無線監(jiān)控。隔爆攝像儀通過有線方式連接。本安攝像儀既可以通過有線連接，也可以通過無線連接。

3． 關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)

3．1 與礦井人員定位系統(tǒng)互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)的研究

本系統(tǒng)的軟件平臺(tái)將煤礦人員定位系統(tǒng)與通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了互聯(lián)，在平時(shí)生產(chǎn)中能夠?qū)崟r(shí)了解井下人員的準(zhǔn)確數(shù)量、流動(dòng)情況及分布情況，從而提高礦井的生產(chǎn)效率。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，井下人員通過人員定位卡上的緊急按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)井上調(diào)度室的緊急呼叫，救援人員可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，迅速了解有關(guān)人員的位置情況并與之進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率。

3．2 與礦井工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入關(guān)鍵技術(shù)的研究

本項(xiàng)目組研發(fā)了多種接入方式的礦用綜合IP語音接入網(wǎng)關(guān)，本IP電話語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用先進(jìn)數(shù)字語音通信技術(shù)，基于IP通信，支持靜態(tài)、動(dòng)態(tài)IP地址和IP地址智能學(xué)習(xí)功能。

IP語音網(wǎng)關(guān)將從調(diào)度臺(tái)由工業(yè)以太網(wǎng)傳來的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成適合RS485傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，發(fā)送到各個(gè)擴(kuò)播電話機(jī)，以便在井下擴(kuò)播。其接口如圖2所示。

圖2 語音網(wǎng)關(guān)接口圖

為確保礦用綜合接入網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)性和可靠性，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用改進(jìn)TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)擴(kuò)展各種現(xiàn)場(chǎng)總線接口，完成需要的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，確?；ヂ?lián)互通，提高系統(tǒng)的兼容性，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件需要完成各種協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，修改TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)主要由系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和人機(jī)接口幾個(gè)主要部分組成。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

IP電話語音網(wǎng)關(guān)用于礦井?dāng)U播對(duì)講系統(tǒng)中。其主要目的是在保留礦井老式模擬話機(jī)投資的基礎(chǔ)上將語音傳輸IP化，從而改善井下布線的安全性，提高傳輸距離，方便調(diào)度控制，并為井下通信系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)改造打好基礎(chǔ)。

3．3 與現(xiàn)有擴(kuò)播電話互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)的研究

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)與其他各種廠家型號(hào)擴(kuò)音電話和以太網(wǎng)之間的通信轉(zhuǎn)換。

擴(kuò)播系統(tǒng)接口:該接口連通四芯電纜，其中兩條是電源線，兩條是信號(hào)線。

IP網(wǎng)絡(luò)接口:該網(wǎng)絡(luò)接口是RJ45接口，用于與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接，收發(fā)數(shù)據(jù)。

每條皮帶機(jī)擴(kuò)音線路只需要配備一臺(tái)數(shù)字化轉(zhuǎn)換器即可，它的接口如圖4所示。

圖4 與現(xiàn)有擴(kuò)播電話的互聯(lián)

轉(zhuǎn)換器模擬接口滿足各種型號(hào)的擴(kuò)音電話接口要求，能驅(qū)動(dòng)最多25部擴(kuò)音電話或KB轉(zhuǎn)換器，最大傳輸距離達(dá)25Km。KB轉(zhuǎn)換器以太網(wǎng)接口是10/100MHZ自適應(yīng)的，符合標(biāo)準(zhǔn)IEEE802．3/IEEE802．3U標(biāo)準(zhǔn)。

3．4 與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)(Wi－Fi、小靈通等設(shè)備)互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)的研究

礦區(qū)使用的Wi－Fi手機(jī)和本安型小靈通能夠?qū)崿F(xiàn)井上井下之間的雙向通信。Wi－Fi手機(jī)和小靈通可通過中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入礦用應(yīng)急廣播通信系統(tǒng)，作為應(yīng)急廣播通信的信息發(fā)布手段之一，與其他既有及新建通信系統(tǒng)協(xié)同工作，最大限度地滿足井下通信和廣播需要。

4． 結(jié)語

煤礦應(yīng)急通信保障系統(tǒng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)以及各部分系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的整合，形成聯(lián)動(dòng)機(jī)制，從而大大提高各類事故的防范能力和緊急情況下的處置能力。該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將進(jìn)一步解決目前各煤礦沒有覆蓋全礦區(qū)的“一鍵”緊急廣播通信手段、系統(tǒng)彼此相對(duì)獨(dú)立、不具備協(xié)同工作能力、聯(lián)動(dòng)性差等問題，為煤炭安全生產(chǎn)管理水平的進(jìn)一步提高提供有力的技術(shù)保障。

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