礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭萬波，　吳燕清

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶　400037；

2.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院， 重慶　400044；

3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭萬波1,2,3，吳燕清1,3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400037；

2.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院， 重慶400044；

3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶400039)

摘要：以礦山應(yīng)急救援指揮通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢為設(shè)計(jì)需求，結(jié)合三級(jí)指揮信息傳輸模型，提出了一種結(jié)合有線SHDSL、無線WiFi和衛(wèi)星通信技術(shù)的礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)傳輸速率高，通信距離長，滿足井下語音、視頻、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)和人員生命體征參數(shù)等多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合通信的需要。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急救援通信； 三級(jí)指揮； 有線通信； 無線通信； 衛(wèi)星通信

0引言

國內(nèi)礦山應(yīng)急救援指揮通信系統(tǒng)主要發(fā)展趨勢：① 能夠穿越復(fù)雜的深部礦井災(zāi)害環(huán)境，建立有線覆蓋距離大于10 km[1]、無線覆蓋距離大于2 km網(wǎng)絡(luò)，能長距離、快速、準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害事故指揮和專家輔助決策；② 建立井下可靠通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸災(zāi)區(qū)全方位信息數(shù)據(jù)(語音、視頻、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、人員生命體征參數(shù))[2]，采用有線、無線、衛(wèi)星等通信方式，實(shí)現(xiàn)天、地、井一體化快速組網(wǎng)[3]；③ 應(yīng)急救援指揮通信系統(tǒng)層次化[4-6]、單元化和標(biāo)準(zhǔn)化[7]，各種應(yīng)急救援指揮通信系統(tǒng)之間以及應(yīng)急救援指揮通信系統(tǒng)與井下生產(chǎn)調(diào)度、地面辦公系統(tǒng)應(yīng)兼容[8]；④ 符合應(yīng)急救援反復(fù)性、持久性的特點(diǎn)，救援設(shè)備能夠多次、長時(shí)間工作；⑤ 應(yīng)急救援指揮通信系統(tǒng)自供電[9]，即井下電網(wǎng)遭到破壞或需停電處理時(shí)，有電池或其他方式供電；⑥ 提高應(yīng)急指揮信息的真實(shí)性、可靠性和傳遞性[10-11]。本文以上述發(fā)展趨勢為設(shè)計(jì)需求，提出了一種結(jié)合有線SHDSL、無線WiFi和衛(wèi)星通信技術(shù)的礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1三級(jí)指揮信息傳輸模型

事故救援時(shí)，必須保證搶險(xiǎn)指揮部與地面基地、井下基地，井下基地與災(zāi)區(qū)救護(hù)隊(duì)，救護(hù)隊(duì)隊(duì)員之間通信正常[12]，因此，礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)宜采用三級(jí)指揮。三級(jí)指揮信息傳輸模型如圖1所示。指揮信息在井下指揮基地、井上指揮中心和遠(yuǎn)程指揮中心之間雙向傳輸；現(xiàn)場信息單向傳輸?shù)骄轮笓]基地、井上指揮中心和遠(yuǎn)程指揮中心；井下指揮基地根據(jù)現(xiàn)場信息指揮事故現(xiàn)場的救護(hù)隊(duì)隊(duì)員進(jìn)行救援工作。

2系統(tǒng)組成及功能

礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)，如圖2所示。有線通信系統(tǒng)由地面基地主機(jī)、地面基站、有線耳機(jī)、有線攝像頭、避雷器、井下基站和有線SHDSL終端組成，可以傳輸語音、視頻、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、人員生命體征參數(shù)等數(shù)據(jù)，有線通信方式可解決無線覆蓋距離短、帶寬衰減快、可靠性低的問題。無線通信系統(tǒng)分為地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)和井下無線通信系統(tǒng)兩部分：地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由動(dòng)中通衛(wèi)星站(移動(dòng)指揮部)、靜中通便攜式衛(wèi)星站(地面指揮中心)、遠(yuǎn)程衛(wèi)星中心站(國家(省)救援指揮中心)組成；井下無線通信系統(tǒng)主要由WiFi基站、WiFi中繼器、WiFi手機(jī)、WiFi攝像頭、WiFi環(huán)境偵測器和WiFi人員監(jiān)測器組成。無線通信可實(shí)現(xiàn)作業(yè)范圍的高帶寬覆蓋，克服有線通信移動(dòng)性差、作業(yè)困難的缺點(diǎn)。井下設(shè)備采用可更換備用電源，具有休眠喚醒功能，滿足應(yīng)急救援多次、長時(shí)間工作的需求。有線通信系統(tǒng)、地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)和井下無線通信系統(tǒng)之間采用TCP/IP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)高帶寬配接，可兼容工業(yè)以太網(wǎng)、辦公局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，充分發(fā)揮有線SHDSL、無線WiFi和衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　三級(jí)指揮信息傳輸模型

圖2　礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)組成

3系統(tǒng)測試

在地面和礦井模擬巷道(巷道長約700 m，具有常用礦用設(shè)備和照明電網(wǎng))對礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)進(jìn)行測試。

3.1有線SHDSL通信

采用線纜串接的方式(線纜參數(shù)：線芯直徑為0.8 mm(銅芯)，直流電阻≤90 Ω/km，分布電容≤0.06 μF/km，固有衰減≤1.10 dB/km)，在假設(shè)誤碼率較小的情況下，用統(tǒng)計(jì)軟件測試通信距離和傳輸速率：當(dāng)井下基站與WiFi基站、地面基站或有線SHDSL終端的距離為4～6 km時(shí)，地面基站與井下無線覆蓋區(qū)域的有線通信距離可達(dá)到8～12 km，傳輸速率穩(wěn)定在1.5 Mbit/s，能夠可靠傳輸2～5路視頻數(shù)據(jù)，8～10路語音、環(huán)境監(jiān)測或人員生命體征數(shù)據(jù)，滿足有線通信長距離、高速率、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸需求。

3.2無線WiFi通信

采用10個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)串接的方式[13](節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)強(qiáng)度相等，節(jié)點(diǎn)相距150～200 m，節(jié)點(diǎn)1以盡可能大的速率向節(jié)點(diǎn)10發(fā)送數(shù)據(jù)，中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù))，測試中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)與端到端吞吐量的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。隨著中繼節(jié)點(diǎn)的增加，端到端吞吐量逐漸降低，到第10個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，無線傳輸距離達(dá)到1.5 km，端到端吞吐量降低至6.7 Mbit/s，能可靠傳輸2～3路視頻數(shù)據(jù)，4～6路語音、環(huán)境監(jiān)測或人員生命體征數(shù)據(jù)，滿足無線通信多級(jí)中繼高速率傳輸數(shù)據(jù)的要求。

圖3　中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)與端到端吞吐量的關(guān)系

3.3衛(wèi)星通信

采用2個(gè)BGAN探險(xiǎn)者E700和衛(wèi)星組成衛(wèi)星通信測試網(wǎng)，數(shù)據(jù)通信終端采用近端計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)來模擬，數(shù)據(jù)通信終端與衛(wèi)星通信測試網(wǎng)之間采用TCP/IP接口，近端計(jì)算機(jī)通過衛(wèi)星通信測試網(wǎng)訪問遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)，如圖4所示。經(jīng)測試，衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地面全方位網(wǎng)絡(luò)覆蓋，傳輸速率穩(wěn)定在512 kbit/s，能基本滿足1路視頻數(shù)據(jù)，2～4路語音、環(huán)境監(jiān)測或人員生命體征數(shù)據(jù)傳輸需求。

圖4　衛(wèi)星通信測試框架

4結(jié)語

礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)匯集有線、無線、衛(wèi)星通信技術(shù)于一體，在救援現(xiàn)場與井下指揮基地、井上指揮中心及遠(yuǎn)程指揮中心之間快速建立通信連接，采集語音、視頻、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)和人員生命體征參數(shù)信息。該系統(tǒng)現(xiàn)場測試效果良好，其全方位立體覆蓋的通信模式滿足應(yīng)急救援指揮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞的需求。

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Design of integrated communication system of mine emergency rescue command

ZHENG Wanbo1,2,3,WU Yanqing1,3

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037,China; 2.College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;3.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Abstract:Taking development trend of mine emergency rescue command communication system as design requirements, a design scheme of integrated communication system of mine emergency rescue command which combines with wired SHDSL, wireless WiFi and satellite communication technologies was proposed based on three-level command information transmission model. The test results show that the system meet needs of converged communication of various real-time data such as voice, video, environment monitoring parameter and personnel vital sign parameter with high transmission rate and long communication distance.

Key words:emergency rescue communication; three-level command; wired communication; wireless communication; satellite communication

中圖分類號(hào)：TD655/77

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-07 15:24

作者簡介：鄭萬波(1981-)，男，四川自貢人，副研究員，博士研究生，現(xiàn)主要從事礦井應(yīng)急救援通信和工程物探儀器及裝備方面的研究工作，E-mail:zwanbo2001@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK04B09)；重慶市前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2014jcyjA90027)。

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-01-24；責(zé)任編輯：盛男。

文章編號(hào)：1671-251X(2016)03-0084-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.020

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1524.020.html

鄭萬波，吳燕清.礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(3)：84-86.