Wimax接入技術(shù)在礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝 芳

（龍巖農(nóng)業(yè)學(xué)校，福建 龍巖364000）

龍巖市作為福建省的主要產(chǎn)煤區(qū)域，在取得喜人的成績的同時，煤礦事故頻發(fā)，給國家和人民帶來巨大的損失.造成煤礦事故的主要原因是煤礦安全技術(shù)相對落后，安全管理制度不健全，礦井下的安全監(jiān)測設(shè)施不足等.此外，煤礦安全信息化技術(shù)不先進(jìn)，礦井下的信息不能實(shí)時地傳送至安全監(jiān)測中心及上級安全監(jiān)管部門，也是造成煤礦事故的原因之一.如果能安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將礦井下的視頻信息實(shí)時傳送至礦井上，管理人員就可對礦井下的生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，及時進(jìn)行安全隱患的排查，將事故率降至最低.因此，礦井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)顯得尤為重要.但是，考慮到礦井下環(huán)境較復(fù)雜，不確定因素較多，采用傳統(tǒng)的有線模式來進(jìn)行視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于布線繁瑣、新增監(jiān)控點(diǎn)較難且成本較高，此種方法不可取.傳統(tǒng)的無線模式大都采用Wifi接入技術(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，雖然能解決有線模式的不足，但是由于 Wifi信號穿透能力差、傳輸距離近、傳輸速率不足，無法滿足礦井下的視頻信息的可靠傳輸.而基于IEEE802.16協(xié)議的Wimax無線寬帶接入方式具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、成本低的優(yōu)勢，能適應(yīng)礦井下復(fù)雜環(huán)境中的視頻信息的實(shí)時傳輸.本文采用Wimax作為礦井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)礦井下的實(shí)時信息的傳輸，從而最大程度上預(yù)防礦井下的事故發(fā)生.

1 Wimax技術(shù)

1.1 Wimax概述

Wimax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），是全球微波互操存取的簡稱［1］，是當(dāng)前電信運(yùn)營商及設(shè)備制造商最為關(guān)注的熱點(diǎn)之一.它以IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用無線方式實(shí)現(xiàn)“最后一公里”的寬帶接入技術(shù).Wimax的優(yōu)勢很多，主要體現(xiàn)在其集成了Wifi無線接入技術(shù)的移動性和靈活性，同時又具有xDSL等基于線纜的傳統(tǒng)寬帶接入技術(shù)的高帶寬特性，其技術(shù)優(yōu)勢是傳輸距離遠(yuǎn)、速率高、系統(tǒng)容量大、多媒體通信服務(wù)廣泛、安全性好、互操作性佳、應(yīng)用范圍廣等［2］.

1.2 Wimax的組網(wǎng)模式

Wimax的應(yīng)用場景非常廣泛，但主要應(yīng)用在基于IP數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù)寬帶無線接入，具體工作模式包括點(diǎn)對多點(diǎn)寬帶無線接入、點(diǎn)對點(diǎn)寬帶無線接入、蜂窩狀組網(wǎng)方式等.Wimax對于不同的應(yīng)用場合，能夠靈活、快速地進(jìn)行部署.Wimax主要由核心網(wǎng)接口、用戶站、網(wǎng)管系統(tǒng)、中繼站、基站和無線終端等組成［3］.其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 Wimax網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.3 Wimax標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

Wimax系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)有3個：802.16、802.16－2004和802.16e－2005，各版本間的技術(shù)細(xì)節(jié)比較如表1所示.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦井下通道狹小、拐彎處多，環(huán)境較為復(fù)雜，各個監(jiān)控點(diǎn)之間呈非視距的狀況居多，因此，無線信號在礦井下的穿透力大為減弱.同時，隨著生產(chǎn)進(jìn)度的推移，礦井下的監(jiān)控點(diǎn)發(fā)生改變，需經(jīng)常移動或新增監(jiān)控點(diǎn).為了適應(yīng)這些特殊情況，滿足礦井下的視頻監(jiān)控需求，同時又能降低成本，本文采用單基站蜂窩組網(wǎng)模式進(jìn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將基站設(shè)置在地面上，礦井下設(shè)置多個Wimax中繼站.其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

表1 Wimax標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)細(xì)節(jié)對照表

2.2 Wimax基站

Wimax基站主要起視頻監(jiān)控終端和視頻監(jiān)控服務(wù)器的連接作用，通常采用扇形定向天線和全向天線進(jìn)行信號發(fā)送和接收.它可以提供較靈活的子信道的配置及部署功能，同進(jìn)可依據(jù)監(jiān)控終端的群體狀況不斷地升級和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò).由于采用的是蜂窩組網(wǎng)模式，本系統(tǒng)采用扇形覆蓋方式進(jìn)行信號發(fā)送和接收.

2.3 Wimax中繼站

Wimax中繼站是用于放大Wimax信號的基本設(shè)備，充當(dāng)基站與視頻監(jiān)控終端設(shè)備間信號傳輸?shù)闹欣^，延伸視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍.由于礦井彎且窄的特點(diǎn)，以串行的方式安裝多個 Wimax中繼站，即可構(gòu)成一個連續(xù)的線性覆蓋信號區(qū)域，為無線攝像機(jī)等監(jiān)控設(shè)備提供接入信號，同時可為其他擴(kuò)展系統(tǒng)的設(shè)備提供接入信號.

2.4 無線攝像機(jī)

無線攝像機(jī)用于視頻信號的采集，可實(shí)時地將礦井下的工作情況上傳到主控室和上級安全監(jiān)管部門，對礦井下的安全情況進(jìn)行監(jiān)管，及時排查安全隱患，從而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn).考慮到井下的光線問題，攝像機(jī)還應(yīng)有紅外夜視功能，同時應(yīng)具有云臺功能，且配備Wimax無線模塊.系統(tǒng)中的無線攝像機(jī)安裝均遵循GB 50348《安全防范工程技術(shù)規(guī)范》和GA／T367《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》的相關(guān)規(guī)定.

圖2 礦井無線監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵問題的解決

系統(tǒng)建立時，應(yīng)注意基站及中繼站的選址、基站設(shè)備的配置、抗干擾無線傳輸技術(shù)的選擇等關(guān)鍵問題.

3.1 基站及中繼站的選址

在礦井下，信號覆蓋區(qū)域通常以非視距及高屏蔽環(huán)境為主，雖然Wimax接入技術(shù)在非視距中傳輸性能較好，且在非視距環(huán)境下最優(yōu)的覆蓋半徑為2km，但考慮到礦井下的環(huán)境惡劣及監(jiān)控視頻信息的特殊性，基站及中繼站的選址如果不合理，將直接影響監(jiān)控視頻信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性.因此，根據(jù)礦井地形的實(shí)際情況，應(yīng)在礦井洞口附近設(shè)置一個基站，在礦井下設(shè)置多個中繼站，使各監(jiān)控點(diǎn)都能有較強(qiáng)的信號覆蓋，從而保證監(jiān)控視頻信息可靠和穩(wěn)定地傳輸.

3.2 基站設(shè)備的配置

IEEE802.16協(xié)議對接入設(shè)備的空中接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，且各設(shè)備之間具有互操作性.由于目前國內(nèi)不開放3.5GHz固定無線寬帶接入系統(tǒng)的空中接口，且用3.5GHz接入設(shè)備的成本較高［4］，因此，本系統(tǒng)選用成本較低的IEEE802.16－2004系統(tǒng)取代3.5GHz固定無線寬帶接入系統(tǒng).又由于接入點(diǎn)有著分布不均勻的特點(diǎn)，1套基站設(shè)備理論上只能覆蓋1個扇區(qū)面，因此，需根據(jù)接入點(diǎn)的數(shù)量及視頻監(jiān)控系統(tǒng)對帶寬的需求，確定基站設(shè)備扇區(qū)面的角度和數(shù)量.

3.3 抗干擾無線傳輸技術(shù)

為了確保視頻信息能在井上、井下可靠地傳輸，頻率的規(guī)范使用就顯得尤為重要，IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了頻率使用范圍為2～66GHz.由于在2～6GHz的頻率范圍內(nèi)，Wimax才能最好地發(fā)揮在非視距無線移動傳輸中的優(yōu)勢［5］，而目前國內(nèi)尚未對Wimax頻段的使用進(jìn)行明確規(guī)范，且2.5GHz及3.5GHz頻段都已被占用，因而阻礙了國內(nèi) Wimax技術(shù)的發(fā)展［5］.在實(shí)際應(yīng)用過程中，需進(jìn)行規(guī)范的頂層設(shè)計(jì)，規(guī)范Wimax頻率的使用范圍，選擇有利于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)控的方案，例如，可引入認(rèn)知無線電技術(shù)，更好地提高礦井下視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力.

建議系統(tǒng)采用4扇區(qū)的蜂窩信號覆蓋，每扇區(qū)為1個信道，使得蜂窩的重新使用率為1∶1.根據(jù)礦井下對通信使用頻點(diǎn)的規(guī)劃與要求，規(guī)定Wimax網(wǎng)絡(luò)的使用頻段為20～60GHz的帶寬.同時考慮到礦區(qū)周邊環(huán)境中其他無線頻段帶來的干擾，應(yīng)使用頻譜儀進(jìn)行掃描，排除干擾頻率，確保相對干凈的頻段.

4 Wimax接入技術(shù)在礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

將礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，在福建省龍巖市蘇邦煤礦的2號井中進(jìn)行了試驗(yàn).在控制中心和洞口中間處設(shè)置了1個 Wimax基站；在礦井下，考慮到井下環(huán)境的復(fù)雜性和Wimax的特點(diǎn)，設(shè)置了3個中繼站，使得每個中繼站邊緣處都能有較強(qiáng)的信號覆蓋.測試示意圖如圖3所示.

圖3 礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試示意圖

5 結(jié) 語

本文提出了基于Wimax接入技術(shù)的礦井視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)具有安裝簡易、實(shí)時性高、靈活性強(qiáng)、監(jiān)控范圍廣及可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)有線接入方式布線繁瑣和無線接入方式信號不強(qiáng)等問題，并可將此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，為構(gòu)建礦井下其他監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò).同時，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)可推廣應(yīng)用到國內(nèi)大、中型礦井中，為我國的礦業(yè)生產(chǎn)保駕護(hù)航.當(dāng)然，如何改善和增強(qiáng)視頻監(jiān)控圖像的畫面質(zhì)量，保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，還有待深入研究.

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