煤礦WI-FI無線通信技術(shù)研究及應(yīng)用

【摘要】 本文研究是以徐莊煤礦通信需求為背景，為井下設(shè)計建設(shè)一套無線調(diào)度通信系統(tǒng)。針對當(dāng)前徐莊煤礦工業(yè)信息化的建設(shè)情況，對WI-FI無線技術(shù)及組網(wǎng)IP技術(shù)進行了研究分析，采用將WI-FI無線技術(shù)與光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)有效結(jié)合的方式，提出了基于WI-FI技術(shù)的井下無線調(diào)度通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并對方案進行具體的應(yīng)用分析、設(shè)計和研究。

【關(guān)鍵詞】 WI-FI 無線通信 煤礦 工業(yè)環(huán)網(wǎng)

一、緒論

由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，井下作業(yè)對生產(chǎn)管理有非常高的實時性要求，作為生產(chǎn)管理人員、電機車司機、絞車司機、瓦檢員、皮帶維護工等流動人員應(yīng)能夠與生產(chǎn)調(diào)度室及時取得聯(lián)系，將生產(chǎn)一線的各種情況上報，實現(xiàn)統(tǒng)一指揮統(tǒng)一調(diào)度。煤礦事故的發(fā)生是不確定性的，事故發(fā)生后必須依據(jù)當(dāng)時情況，采取果斷的措施進行處理，對井下人員進行緊急搶救，但對井下人員的監(jiān)控由于受各種條件的限制還很不完善，對于井下人員的情況不能及時反映，導(dǎo)致事故發(fā)生時不能及時、準確的得到井下人員的信息，無法做出正確的決策，以致會造成搶險不及時，有可能貽誤對生命的搶救。目前井下的有線通信遠遠不能適應(yīng)井下大量流動作業(yè)人員及其管理上的需要，因此研究應(yīng)用一套完善、可靠的井下無線通信系統(tǒng)對于煤礦提高效率和實現(xiàn)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于煤礦井下的特殊性，制約了井下無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，我國井下無線通信系統(tǒng)一直主要靠引進吸收國外的相關(guān)技術(shù)，但隨著近年來地面無線技術(shù)的快速發(fā)展，新型的無線技術(shù)越來越多的服務(wù)于煤礦井下。目前可用于煤礦井下的無線系統(tǒng)主要有：漏泄通信技術(shù)、透地通信技術(shù)、井下小靈通技術(shù)、WI-FI技術(shù)。

2.1 WI-FI技術(shù)

WI-FI（WirelessFidelity），是一種無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)與規(guī)格，也就是IEEE定義的無線通信標準IEEE802.11。無線局域網(wǎng)是有線局域網(wǎng)的擴展和替換，是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過無線HUB、無線訪問節(jié)點（AP）、無線網(wǎng)橋、無線網(wǎng)卡等設(shè)備使無線通信得以實現(xiàn)。WI-FI屬于短距離無線技術(shù)，覆蓋范圍可達幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。其整個系統(tǒng)以WI-FI無線網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議為基本架構(gòu)，以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個系統(tǒng)的主干傳輸平臺，形成有線主干與無線終端相結(jié)合的方式，覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域，最終實現(xiàn)煤礦寬帶無線通訊。

2.2 Wi-Fi與相關(guān)技術(shù)比較

漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災(zāi)變能力差、大量的串聯(lián)中繼設(shè)備導(dǎo)致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。感應(yīng)通信系統(tǒng)存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。透地通信系統(tǒng)存在著設(shè)備體積大、重量重、信道容量小、地面設(shè)備功率大、地面天線布置困難、單向通信（地面向井下）等問題。 PHS（小靈通）通信系統(tǒng)與3G（大靈通）通信系統(tǒng)存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗災(zāi)變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷?？紤]到礦井下的特殊性和經(jīng)濟性，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。

三、系統(tǒng)設(shè)計要求

煤礦井下是一個特殊的工作環(huán)境，有潮濕、易燃、易爆和腐蝕性氣體，無線傳輸衰耗大（例如，在地面通信距離可達數(shù)幾千米的對講機，在井下通信距離僅有百米）等特點。對于煤礦礦井這一特殊環(huán)境，徐莊煤礦井下無線通信系統(tǒng)不同于一般的地面無線通信系統(tǒng)，它應(yīng)有以下特殊的要求：

⑴無線通信的傳輸技術(shù)應(yīng)適應(yīng)煤礦井下的工作環(huán)境，設(shè)備還應(yīng)有防塵、防水、防潮、防腐、耐機械沖擊等防護性能。

⑵無線通信設(shè)備應(yīng)具有較強的抗干擾能力，應(yīng)采用安全性能好的本質(zhì)安全型。

⑷無線通信系統(tǒng)的體積不能很大，通信設(shè)備發(fā)射功率符合國標。

⑹無線通信設(shè)備的電源電壓波動適應(yīng)能力強，備用電源應(yīng)維持不小于2小時的正常工作。

⑺無線通信系統(tǒng)應(yīng)有較強的抗故障能力。

⑻系統(tǒng)應(yīng)具有較大的信道容量。能滿足礦井生產(chǎn)調(diào)度的需要，且可以與煤礦行政、調(diào)度通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，形成一個統(tǒng)一的、資源共享的通信平臺。

四、工作原理

徐莊煤礦所設(shè)計的礦井無線通信系統(tǒng)應(yīng)由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下分站和移動通信終端組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)整個系統(tǒng)的管理與控制，通過地面監(jiān)控系統(tǒng)可以對井下人員以及相應(yīng)設(shè)備進行實時的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可由服務(wù)器并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理軟件完成。井下分站為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分并負責(zé)多項功能。

系統(tǒng)工作原理：位于地面的管理主機通過交換機為進入到無線信號覆蓋區(qū)域的每一臺手持機分配一個IP地址，并自動為其在管理軟件中注冊，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。注冊后的手持機即可正常通話。呼叫時節(jié)點收到手持機發(fā)出的無線信號，并將其調(diào)制打包后通過礦用網(wǎng)絡(luò)交換機送到地面管理主機，經(jīng)軟件處理后又經(jīng)礦用網(wǎng)絡(luò)交換機送到覆蓋被呼叫手持機所在區(qū)域的節(jié)點，呼叫目標手持機接收信號后經(jīng)過振鈴提示并調(diào)制成語音給與持機者，完成一次通話。

4.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由IP交換機、地面環(huán)網(wǎng)接入器、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、礦用本安型光網(wǎng)絡(luò)終端、礦用本安型基站、礦用本安型WIFI手機及其它配套設(shè)備所組成。系統(tǒng)按實際使用要求，通過增加或減少基站的數(shù)量，改變無線覆蓋范圍，可實現(xiàn)全礦井、大區(qū)域或小區(qū)域的無線通信。

4.2 IP調(diào)度交換機

調(diào)度交換機是系統(tǒng)的軟交換中心，采用IP語音通信，同時支持語音通信，實現(xiàn)在一個網(wǎng)絡(luò)上傳遞語音和數(shù)據(jù)。集成全套的語音、數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和多種整合通信功能，滿足礦方的調(diào)度通信要求，并能適應(yīng)未來的發(fā)展。

4.3 環(huán)網(wǎng)接入器

為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供中繼和接口，為礦井信息化提供百兆以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息交換。礦用環(huán)網(wǎng)接入器與基站連接的接口，傳輸光信號或電信號。

4.4 礦用本安基站

無線網(wǎng)絡(luò)的接入點，是無線收發(fā)單元，它是從用戶到網(wǎng)絡(luò)以及從網(wǎng)絡(luò)到用戶之間的通信傳輸站。通過雙絞線與礦用DSL接口連接或通過光纜與礦用環(huán)網(wǎng)接入器連接，或直接與礦用環(huán)網(wǎng)接入器連接。根據(jù)不同的使用環(huán)境，可配置不同增益值及方向的天線。井下分站作為礦井移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，應(yīng)具有多項重要功能。因為考慮到分站的體積重量以及分站內(nèi)部包括多個功能模塊，不適宜做成本質(zhì)安全型，因此將分站做成隔爆兼本質(zhì)安全型。

4.5礦用本安WIFI手機

本安手機是無線通信系統(tǒng)的終端設(shè)備。完成話音或數(shù)據(jù)信號與無線信號之間的轉(zhuǎn)換，與基站間構(gòu)成無線鏈路，實現(xiàn)無線移動通信。每一臺進入無線AP覆蓋范圍的合法WIFI手機，均通過地面管理服務(wù)器分配一個IP地址，并進行注冊。呼叫時，基站將收到的手機無線信號處理后通過以太網(wǎng)交換機送到地面管理服務(wù)器，地面管理服務(wù)器根據(jù)手機的相關(guān)信息，處理后再通過以太網(wǎng)交換機送到目標手機所在區(qū)域的基站，呼叫手機完成相互通話。

五、設(shè)計方案

徐莊煤礦無線通信系統(tǒng)設(shè)計方案：將徐莊礦井上的辦公區(qū)域采用地面無線基站進行覆蓋，在井上系統(tǒng)信號覆蓋區(qū)域，手提電腦和智能手機終端均可自由上網(wǎng)；井下采用防爆無線基站對主要巷道進行覆蓋，井上井下基站通過線纜接入基站控制器，井下防爆基站控制器通過光纜與交換設(shè)備連接。設(shè)備擁有豐富的中繼接口，可以通過語音交換機與礦上現(xiàn)有的行政交換機以及局端交換設(shè)備對接，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，方便后期的擴容。同時該系統(tǒng)遵循信息產(chǎn)業(yè)部相關(guān)標準，綜合應(yīng)用智能天線、幀同步等高新技術(shù)，通過標準化、開放的接口實現(xiàn)與其他交換設(shè)備的對接等，實現(xiàn)終端井上井下以及公網(wǎng)的通話功能；通過調(diào)度臺的接入，可以實現(xiàn)井上井下無線終端的一體化調(diào)度，極大地提高煤礦安全生產(chǎn)管理效率。

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為井下設(shè)備和井上設(shè)備。井上設(shè)備包括：地面通信與監(jiān)測中心控制計算機、IP調(diào)度臺、數(shù)據(jù)服務(wù)器和交換機；井下設(shè)備由井下基站、連接光纜、井下手機、識別卡等組成。

無線通信終端通過無線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)；IP調(diào)度臺通過以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)連接；多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)之間通過光纖互連組成千兆多環(huán)型、環(huán)型、鏈型或星型的任意組合網(wǎng)絡(luò)；識別卡通過無線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)。數(shù)據(jù)服務(wù)器模塊包括網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、人員定位服務(wù)器和視頻管理平臺服務(wù)器，所有管理平臺服務(wù)器均通過以太網(wǎng)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)連接。

IP調(diào)度臺內(nèi)置有SIP服務(wù)器，用以實現(xiàn)VoIP通話；IP調(diào)度臺通過話音中繼接口與公網(wǎng)市話系統(tǒng)或企業(yè)內(nèi)部電話系統(tǒng)互聯(lián)，從而實現(xiàn)井下人員間、井下到礦區(qū)、井下到公網(wǎng)的全面通話。井上、下設(shè)備均安裝有不間斷后備電源系統(tǒng)，在停電環(huán)境中系統(tǒng)可以正常工作。系統(tǒng)滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備安全技術(shù)要求。

5.2無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計

徐莊煤礦井下巷道長、復(fù)雜，井下基站量偏多，考慮無線網(wǎng)絡(luò)的可管理性和將來的擴充性，采用中央控制的無線交換機和基站接入架構(gòu)。所有的管理都由位于網(wǎng)絡(luò)核心的無線交換機來實現(xiàn)，大大簡化了對無線接入點設(shè)備的配置管理和維護工作，因此突破了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的管理和維護瓶頸，實現(xiàn)了“零配置”管理和維護。

無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計如下圖1所示：

5.3基站的無線信號覆蓋設(shè)計

5.3.1地面設(shè)備配置

地面設(shè)備主要由IP/PBX網(wǎng)絡(luò)語音交換機、無線交換機、數(shù)據(jù)處理交換機、大基站、全向大功率天線組成； IP/PBX網(wǎng)絡(luò)語音交換機、無線交換機、大基站、維護臺與數(shù)據(jù)處理交換機通過網(wǎng)線連接；無線交換機通過光纜與井下基站控制器連接。地面用大功率基站進行覆蓋，小基站進行室內(nèi)補盲。

①大基站：在空曠無格擋的情況下，覆蓋半徑約600米，同時信號可以覆蓋所處樓層下面一層。

②小基站：覆蓋半徑約100米，大基站覆蓋不到的樓層，可以視情況架設(shè)小基站，以實現(xiàn)信號的全覆蓋。

5.3.2井下設(shè)備配置

井下設(shè)備主要由基站控制器、基站、電源、手機、標識卡組成；井下的骨干網(wǎng)由基站控制器之間通過光纜鋪設(shè)而成；基站與基站控制器之間可以通過礦用通信電纜或光纜連接，手機、標識卡與基站通過空中接口進行通信，每一個基站和基站控制器都有一個單獨的電源供電。也可根據(jù)現(xiàn)場使控制器與某一臺基站共用一臺電源。

一個基站配有兩根高頻的全向或定向天線和4根低頻的全向或定向天線；每一根天線都有主、副天線之分，主天線既可以發(fā)射信號也可以接收信號，而副天線只可以接收信號。用有線連接時，基站與基站之間相距400米左右；用無線網(wǎng)橋技術(shù)時，基站與基站之間相距300米左右?；镜男盘栐诮?jīng)過彎道以后，衰減非常厲害，在做全覆蓋時，巷道的每一個拐角都要裝基站。

六、應(yīng)用情況

根據(jù)要求，我礦對主副井、-400井底車場、-750井底車場、-400軌道大巷、II1猴車道、-400皮帶大巷、-750軌道大巷、東九猴車道、II3猴車道、西翼猴車道、II3軌道下山、-750皮帶大巷、皮帶暗斜井、采煤工作面及地面工業(yè)廣場等主要人員通過區(qū)域地點安裝了無線通信基站。目前系統(tǒng)已安裝無線基站約130臺，并為班組長及管理人員配備了210臺本安型手機。系統(tǒng)自2014年5月初在徐莊礦安裝調(diào)試并運行以來，已經(jīng)達到了預(yù)期的目的，整體運行情況穩(wěn)定。

七、結(jié)束語

煤礦提高安全生產(chǎn)管理效率，不僅要有正確的決策機制和決策機構(gòu)，還要有高效實時的通信手段，特別是日常安全生產(chǎn)管理、緊急事故時的指令能實時傳達到礦井的各個工作地點，確保安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。建立井下無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下工作人員進行實時通信與監(jiān)測，便于指揮調(diào)度中心和其他管理人員與井上下人員之間實時便捷通信，實時調(diào)度生產(chǎn)和動態(tài)跟蹤，對于提高安全生產(chǎn)管理水平、促進煤礦安全預(yù)警體系的建立和完善，使煤礦安全監(jiān)察由被動式變?yōu)轭A(yù)防式具有重要的意義。

本文研究設(shè)計的礦井移動通信系統(tǒng)，利用了WI-FI無線局域網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單有效，便于部署與運維，符合和滿足礦用特定的使用環(huán)境與安全要求，可承載目前井下環(huán)境主要的通信業(yè)務(wù)，必將有廣闊的前景。