煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)初探

張 軍

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)通信分公司，山西晉城048006）

煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)初探

張 軍

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)通信分公司，山西晉城048006）

為了提高礦井的安全管理水平，便于煤礦井上、井下工作人員的溝通和聯(lián)系，對(duì)當(dāng)前井下無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)的各種技術(shù)進(jìn)行了比較和分析，并結(jié)合實(shí)際對(duì)TD-SCDMA無(wú)線通信系統(tǒng)在井下的建設(shè)和實(shí)施進(jìn)行了闡述，對(duì)于煤礦井下通信系統(tǒng)的建設(shè)和信息化、工業(yè)化的融合具有一定的意義。

煤礦；TD-SCDMA；井下通信

我國(guó)煤礦井下地質(zhì)條件普遍比較復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，礦井巷道有的長(zhǎng)達(dá)幾十千米，作業(yè)地點(diǎn)分散，人員流動(dòng)性大，巷道和采掘工作面空間狹窄，環(huán)境中存在大量的有毒有害氣體，事故隱患極大。因此，建立完善的煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)于提高礦井現(xiàn)代化管理程度及勞動(dòng)生產(chǎn)率，加強(qiáng)安全防范，保障礦工生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全都具有重要意義。

從實(shí)際建設(shè)情況來(lái)看，目前各大礦井使用較多的井下無(wú)線通信系統(tǒng)為小靈通通信系統(tǒng)，但當(dāng)前小靈通面臨著清頻退網(wǎng)的問題，從技術(shù)角度來(lái)看，已經(jīng)屬于淘汰產(chǎn)品；從設(shè)備和技術(shù)層面來(lái)看，當(dāng)初支撐小靈通相關(guān)技術(shù)的廠家，如UT斯達(dá)康、中興、華為等公司已經(jīng)停止小靈通設(shè)備的生產(chǎn)，相關(guān)的技術(shù)支持也已停滯，備件和售后服務(wù)都是問題。綜合各方面原因，選用更加穩(wěn)定、先進(jìn)的井下無(wú)線通信系統(tǒng)也是一種趨勢(shì)。

1 現(xiàn)有井下無(wú)線通信技術(shù)分析

1.1 漏泄通信

漏泄通信實(shí)現(xiàn)原理是在井下巷道中敷設(shè)一條同軸電纜，電纜中間以開孔或疏編等方法有規(guī)則地破壞電纜屏蔽層的完整性，稱為漏泄電纜。漏泄電纜與漏泄設(shè)備輸出口連接后，電纜周圍會(huì)形成連續(xù)均勻的電磁場(chǎng)，這樣就起到了天線的傳輸作用。

漏泄通信技術(shù)可擴(kuò)展性較好，敷設(shè)自由靈活，可根據(jù)需要增加漏泄電纜長(zhǎng)度，可靈活調(diào)整和增加信道。缺點(diǎn)是信號(hào)覆蓋不均勻，容易出現(xiàn)盲區(qū)，另外容量較小。

1.2 感應(yīng)通信

感應(yīng)通信需要敷設(shè)感應(yīng)電纜，當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射無(wú)線信號(hào)時(shí)，信號(hào)影響感應(yīng)電纜產(chǎn)生感應(yīng)電流，其它的無(wú)線接收機(jī)接收到感應(yīng)信號(hào)后，將信號(hào)進(jìn)行放大和整波等處理，獲得信息，從而完成通信過(guò)程。

感應(yīng)通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資小，可實(shí)現(xiàn)快速敷設(shè)，但缺點(diǎn)是頻道容量較小，并且感應(yīng)信號(hào)容易受到其它電磁場(chǎng)的干擾。感應(yīng)通信和漏泄通信適合作為其它井下無(wú)線通信方式的補(bǔ)充。

1.3 透地通信

透地通信系統(tǒng)是通過(guò)大功率發(fā)射機(jī)，將超低頻信號(hào)通過(guò)數(shù)十千米長(zhǎng)的環(huán)型天線傳輸，使超低頻信號(hào)穿透巖層直接到達(dá)井下巷道的接收器，從而完成通信。

透地通信優(yōu)點(diǎn)是接收方式靈活方便，接收器可集成在井下車輛上，缺點(diǎn)是造價(jià)較高且容量有限。

1.4 小靈通通信

小靈通又名無(wú)線市話，以微蜂窩技術(shù)通過(guò)無(wú)線方式接入，可以實(shí)現(xiàn)小靈通終端之間通信。小靈通通信是一種較為成熟的井下通信方式，國(guó)內(nèi)大部分礦井都采用此種通信方式。但因小靈通占用頻率的問題，該技術(shù)已逐步退出市場(chǎng)，相關(guān)廠家已不提供技術(shù)支撐?，F(xiàn)有使用小靈通的礦井都已開始更換設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。

1.5 TD-SCDMA 3G通信

3G通信是現(xiàn)在主流的通信技術(shù)，相關(guān)設(shè)備成本相比前幾年已大幅降低。如井下通信使用3G通信，不但語(yǔ)音通話效果和容量可以保證，而且還可解決數(shù)據(jù)傳輸問題和圖像傳輸問題。

綜上所述，TD-SCDMA 3G通信技術(shù)先進(jìn)，能滿足井下通信需求，本文主要探討基于TD-SCDMA技術(shù)的井下3G通信系統(tǒng)的建設(shè)問題。

2 TD-SCDMA建設(shè)過(guò)程分析

2.1 建設(shè)目標(biāo)

TD-SCDMA技術(shù)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)中我國(guó)自主定義的通信標(biāo)準(zhǔn)，采用非對(duì)稱的雙工模式，具有頻譜利用率高、信道容量大、布網(wǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前先進(jìn)并且成熟的無(wú)線通信系統(tǒng)技術(shù)。本文介紹利用TD-SCDMA技術(shù)建設(shè)井下3G無(wú)線通信網(wǎng)，針對(duì)礦區(qū)和井下特殊的作業(yè)環(huán)境和實(shí)際使用習(xí)慣，開發(fā)出滿足使用需求的井下通信網(wǎng)。建設(shè)完成后需達(dá)到以下目標(biāo)：

1）3G信號(hào)可實(shí)現(xiàn)井下巷道的無(wú)線覆蓋，包括工作面等高危區(qū)域。

2）通信信號(hào)清晰，受井下環(huán)境干擾小。系統(tǒng)容量大，可多用戶同時(shí)通話。

3）除語(yǔ)音外，支持?jǐn)?shù)據(jù)和圖像、視頻的無(wú)線傳送。

4）投資控制在可承受的范圍內(nèi)。

5）后續(xù)技術(shù)升級(jí)簡(jiǎn)單方便。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于TD-SCDMA技術(shù)的礦用無(wú)線通信系統(tǒng)一般分為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制單元（RNC）、基帶處理單元（BBU）、基站（RRU）和無(wú)線終端4部分。其中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制單元（RNC）是整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的核心部分，應(yīng)位于井上調(diào)度室主機(jī)房，基帶處理單元（BBU）是接入部分，視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和礦井情況位于不同的分機(jī)房，之間用光纜連接?；荆≧RU）根據(jù)生產(chǎn)礦井井下的實(shí)際情況位于井下不同位置，布放原則是便于施工并且可有效地提高無(wú)線信號(hào)的覆蓋面，RRU自帶后備電源，以便特殊情況下停電時(shí)，無(wú)線信號(hào)不中斷?；鶐幚韱卧˙BU）與井下基站（RRU）之間通過(guò)井下光纜連接，一個(gè)BBU接入光接口板后通過(guò)光纜連接多個(gè)RRU，另外RRU采用光纜串連的方式，這樣一個(gè)BBU光口可帶多臺(tái)井下基站，最遠(yuǎn)基站可距離40 km。主控單元RNC可通過(guò)若干個(gè)2 M口（由話務(wù)量多少?zèng)Q定）使用七號(hào)信令與地面行政固定電話互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信與固定電話之間的互連互通。無(wú)線終端由具體使用人持有，應(yīng)通過(guò)井下防爆入網(wǎng)測(cè)試，為礦用本安手機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃

2.3.1 主機(jī)房規(guī)劃及建設(shè)

建設(shè)中根據(jù)實(shí)際情況將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制單元（RNC）和基帶控制單元（BBU）放在井上調(diào)度室主機(jī)房，并且放在1個(gè)機(jī)柜內(nèi)，此機(jī)柜采用雙路供電，除市電外另配1套5 kVA UPS及蓄電池，并采用雙路電源自動(dòng)切換統(tǒng)一進(jìn)行供電和管理。BBU和RNC之間采用光纖互連。BBU根據(jù)本礦實(shí)際配置2塊光接口板，接口板光口通過(guò)光纜接井下基站。調(diào)度機(jī)房另配光配線柜，井下不同巷道光纜匯至調(diào)度室機(jī)房光配線柜內(nèi)進(jìn)行熔接，光纜連接井下各基站。

另外需特別強(qiáng)調(diào)的是，系統(tǒng)設(shè)備除滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求外，在結(jié)構(gòu)、隔爆接合面、外殼機(jī)械強(qiáng)度、堅(jiān)固件、引入裝置及電氣安全等方面均應(yīng)符合各自產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

2.3.2 光纜敷設(shè)

光纜敷設(shè)原則是根據(jù)基站設(shè)計(jì)位置，方便維護(hù)和基站擴(kuò)展。實(shí)際建設(shè)中光纜設(shè)計(jì)為24芯，由井下調(diào)度室分別至主斜井、猴車硐室、井下主變和二變，并通過(guò)巷道延伸至各工作面。另外，考慮到其它信息化需求以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建設(shè)另一條光纜環(huán)路，由井下調(diào)度室至副斜井、運(yùn)輸巷、大巷至各工作面和風(fēng)井，環(huán)路由SDH傳輸設(shè)備互連，形成SDH光環(huán)網(wǎng)。如此則大幅提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，一旦井下某處事故造成光纜中斷，相關(guān)信息及語(yǔ)音能夠從另一側(cè)光路迂回進(jìn)行傳輸，保證業(yè)務(wù)不中斷。另外，SDH光環(huán)網(wǎng)也能夠保證其它井下信息化建設(shè)的容量和接入。

2.3.3 井下基站建設(shè)

井下基站設(shè)計(jì)和建設(shè)是整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。井下基站根據(jù)不同巷道的實(shí)際情況進(jìn)行布放，保證信號(hào)覆蓋范圍的最大化。布點(diǎn)原則：

1）直巷主要采用定向天線覆蓋，根據(jù)巷道寬度、密度覆蓋長(zhǎng)度在800～2 000 m。

2）彎曲巷道采用泄露電纜，每400 m設(shè)立1個(gè)基站。彎曲巷道基站布置規(guī)劃見圖2。

圖2 彎曲巷道基站布置示意圖

3）巷道交錯(cuò)區(qū)域，在交叉路口設(shè)立1個(gè)基站，并采用定向天線進(jìn)行分別覆蓋。

根據(jù)以上原則，在主斜井、副斜井、立井、工作面、泵房、運(yùn)輸巷、風(fēng)井各個(gè)硐室規(guī)劃若干數(shù)量基站，保證信號(hào)覆蓋最大化。斜井和平巷的基站布置規(guī)劃見圖3。

圖3 斜井基站示意圖

基站為井下隔爆本安型基站，1個(gè)基站語(yǔ)音信道數(shù)為72個(gè)，可以滿足基本的語(yǔ)音通信容量，使用定向天線進(jìn)行覆蓋，基站之間使用井下光纜串聯(lián)。另外井上應(yīng)配置部分基站，保證主井口以及工業(yè)廣場(chǎng)的信號(hào)覆蓋。

2.3.4 對(duì)外互連

系統(tǒng)對(duì)外互連在系統(tǒng)出口設(shè)置，根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際使用需要和其它通信系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)籌安排。主要包括：

1）對(duì)本礦調(diào)度機(jī)的互連，使用接口中繼板連接。

2）對(duì)本礦行政機(jī)的互連，使用七號(hào)信令，鏈路用2個(gè)2 M端口互連，實(shí)行同號(hào)段等位拔號(hào)。

3）對(duì)互聯(lián)網(wǎng)出口的互連，出口通過(guò)3層交換機(jī)上連至互聯(lián)網(wǎng)骨干交換機(jī)，另外根據(jù)不同用戶的實(shí)際使用權(quán)限進(jìn)行控制，包括訪問公司內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)等。

3 系統(tǒng)功能及應(yīng)用

3.1 語(yǔ)音基本通信

實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端之間清晰、穩(wěn)定、高保真的通話，同時(shí)保證無(wú)線通信系統(tǒng)與地面行政固定電話之間無(wú)障礙通話（最好是同號(hào)段等位拔號(hào)）。

3.2 短信息應(yīng)用

無(wú)線終端之間可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信息收發(fā)，并可實(shí)現(xiàn)短信息群發(fā)。同時(shí)可通過(guò)管理服務(wù)器平臺(tái)向各無(wú)線終端進(jìn)行短信通知。

3.3 可視通話業(yè)務(wù)

利用無(wú)線通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端之間實(shí)時(shí)雙向傳輸通話雙方的視頻圖像和語(yǔ)音，可達(dá)到面對(duì)面交流的效果。

3.4 語(yǔ)音補(bǔ)充業(yè)務(wù)

可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通知、免打擾、三方通話、呼叫等待、呼叫轉(zhuǎn)移以及不同的通話權(quán)限管理等補(bǔ)充業(yè)務(wù)和定制服務(wù)。

3.5 數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)

井下人員可通過(guò)礦用手機(jī)終端將拍攝的工作面圖像和視頻等信息實(shí)時(shí)上傳至井上服務(wù)器，或分發(fā)至指定范圍和權(quán)限的人員。無(wú)線終端可通過(guò)網(wǎng)關(guān)訪問井上辦公網(wǎng)甚至因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)掌上OA和郵件收發(fā)。此外無(wú)線終端還可收發(fā)井下各監(jiān)控探頭數(shù)據(jù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的深度融合。

4 小結(jié)

井下無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用便于煤礦井上、下工作人員的溝通和聯(lián)系，充分利用可有效提高礦井的安全管理水平，保證礦井事故救援、井下設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的順利進(jìn)行，為礦井進(jìn)行科學(xué)的管理提供了有力的信息化支撐。井下無(wú)線通信系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)已成為煤礦信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，該系統(tǒng)的順利建設(shè)和使用必將有力地推動(dòng)煤礦信息化和工業(yè)化的融合。

Wireless Communication System Construction of Underground Coal Mine

Zhang Jun

In order to enhance the safety management level of coal mine，facilitate the communication and contact of ground and underground worker，contrasts and analyzes all kinds of current technologies on wireless communication system construction of underground coal mine.Combines the practice，expounds the construction and implementation process of TD-SCDMA wireless communication system in coal mine，it has certain guiding significance for communication system construction of underground coal mine and the fusion of informatization and industrialization.

Coal mine；TD-SCDMA；Underground communication

TD67

B

1672-0652（2014）12-0015-03

2014-10-14

張軍（1974—），男，山西晉城人，1996年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事企業(yè)通信、網(wǎng)絡(luò)及礦井信息化建設(shè)研究工作（E-mail）13327561823@189.cn