無(wú)線Mesh 技術(shù)在平朔東露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

張迎平，寧 浩，何 帥，趙 力

機(jī)電與自動(dòng)化

無(wú)線Mesh 技術(shù)在平朔東露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

張迎平1，寧 浩2，何 帥2，趙 力2

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州 036008；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

結(jié)合東露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，提出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的原則并介紹網(wǎng)絡(luò)布設(shè)情況及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)基站設(shè)備的自組網(wǎng)、車輛間及車輛與調(diào)度中心間能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換，實(shí)現(xiàn)無(wú)線Mesh技術(shù)在東露天礦的成功。

Mesh；卡車調(diào)度；露天礦

0 引 言

露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)[1]用于間斷工藝模式的露天礦進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度。由無(wú)線通訊系統(tǒng)、車載信息采集系統(tǒng)和調(diào)度中心系統(tǒng)3部分組成，其主要功能就是通過對(duì)所有礦山設(shè)備的速度、物料、工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)等信息的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)跟蹤與顯示，優(yōu)化調(diào)度設(shè)備運(yùn)行[2]，及時(shí)準(zhǔn)確地查詢統(tǒng)計(jì)當(dāng)前生產(chǎn)情況，以此達(dá)到降本增效的目的。是提高露天礦生產(chǎn)能力、節(jié)省投資、降低成本、提高礦山管理效率的有效手段[3]。

平朔東露天礦采用單斗電鏟裝載、卡車運(yùn)輸和可移動(dòng)膠帶機(jī)半連續(xù)工藝，設(shè)計(jì)能力20.0 Mt/a。東露天礦現(xiàn)有運(yùn)輸設(shè)備62臺(tái)、采裝設(shè)備13臺(tái)、輔助設(shè)備51臺(tái)、穿孔設(shè)備12臺(tái)。卡調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)需要在各個(gè)移動(dòng)機(jī)械設(shè)備上安裝定位終端，在礦采剝平臺(tái)上安裝無(wú)線傳輸基站，終端采集到的信號(hào)通過基站傳輸?shù)降V調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定位、智能調(diào)度、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、運(yùn)距計(jì)算、燃料管理、維護(hù)保養(yǎng)管理、人員績(jī)效管理、自動(dòng)繪制礦山地圖、以及生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，做到露天礦作業(yè)機(jī)械設(shè)備全程跟蹤監(jiān)測(cè)記錄。

1 無(wú)線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則[4]

1）采用自建無(wú)線自組通訊網(wǎng)絡(luò)，無(wú)限通訊網(wǎng)符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，通訊網(wǎng)絡(luò)帶寬高于200 MHz。

2）滿足未來(lái)采場(chǎng)的新增、擴(kuò)建、移除要求和大數(shù)據(jù)量傳輸要求。

3）可實(shí)現(xiàn)多采區(qū)統(tǒng)一或分區(qū)管理，滿足總數(shù)1 000臺(tái)左右車載終端的通信管理需求。

4）滿容量運(yùn)行狀態(tài)下，單機(jī)臺(tái)通訊速率不低于10 Mbps，機(jī)臺(tái)與中心通訊時(shí)延不大于5 ms。

5）無(wú)線系統(tǒng)支持802.11 g（2.4 GHz）和802.11a（5.8 GHz）等多種射頻技術(shù)和無(wú)線頻段。

6）無(wú)線系統(tǒng)支持上述的開放頻點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)具備抗干擾能力。

7）硬件具備防塵、防水、防震、防雷功能。

2 無(wú)線通訊系統(tǒng)著重解決的問題

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)置了業(yè)界最高的6模塊設(shè)計(jì)，提供了業(yè)界最高性能的Mesh系統(tǒng)，可以有效地解決大規(guī)模覆蓋的高性能要求。

同時(shí)，高模塊密度的Mesh基站將有能力支持多幅高增益的扇區(qū)天線，將根進(jìn)一步的擴(kuò)大每個(gè)扇區(qū)的覆蓋范圍，以及扇區(qū)內(nèi)移動(dòng)車載的接收信號(hào)強(qiáng)度；從而提供穩(wěn)定可靠的高帶寬，滿足多路視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的并發(fā)處理。

1）移動(dòng)車載切換過程中的數(shù)據(jù)流中斷/動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)選擇和切換問題[5]。當(dāng)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候，組成有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)架的交換機(jī)需要時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)每個(gè)MAC地址的位置，然后決定數(shù)據(jù)的交換（Switching）路徑。在一個(gè)快速移動(dòng)的平臺(tái)下，PC終端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程中移動(dòng)車輛需要在多個(gè)WIFI節(jié)點(diǎn)之間不斷的高速切換。當(dāng)PC終端的WIFI網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)跳轉(zhuǎn)的時(shí)候，去往PC終端的數(shù)據(jù)流仍將指向錯(cuò)誤的目標(biāo)地址，這種情況會(huì)一直持續(xù)直到交換機(jī)學(xué)習(xí)到該P(yáng)C終端新的位置（或連接），這將導(dǎo)致最終用戶的數(shù)據(jù)流持續(xù)中斷。

Access/One網(wǎng)絡(luò)可以有效的解決這一問題。Access/One系統(tǒng)中的每個(gè)無(wú)線回程模塊都會(huì)自動(dòng)廣播自己的交換表（switching table），該交換表包括所有與之相連的回程模塊和PC，這樣交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換路徑可以自動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的調(diào)整整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，這種更新交換表的方式允許最大程度的無(wú)中斷數(shù)據(jù)服務(wù)[6]。

為了保證車輛在無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)之間的快速的切換，系統(tǒng)需要進(jìn)行持續(xù)的掃描；MWS系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)的無(wú)線背景掃描（Background Scanning）來(lái)解決這個(gè)問題，設(shè)備通過背景掃描獲取無(wú)線環(huán)境中的上聯(lián)鏈路信息，其中包括信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、鏈路性能、所經(jīng)Mesh節(jié)點(diǎn)的負(fù)載等指標(biāo)，MWS通過將以上指標(biāo)做加權(quán)平均得到每個(gè)鏈路的綜合指標(biāo)，并以此來(lái)選擇主鏈路和備選鏈路；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主鏈路小于備選鏈路指標(biāo)一定數(shù)值后，MWS車載設(shè)備即進(jìn)行切換操作，數(shù)據(jù)鏈路從主鏈路切換到備選鏈路上。

2）設(shè)備和接口震動(dòng)問題。基站設(shè)備和車載設(shè)備需具備良好的抗擊打和抗震性，設(shè)備需符合ESTI 300-192-4規(guī)格以及Mil-STD-810標(biāo)準(zhǔn)。

3 無(wú)線Mesh建設(shè)方案

整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分為兩層，包括5.8 GHz骨干接入網(wǎng)和2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)，其中5.8 GHz骨干接入網(wǎng)負(fù)責(zé)中心站與基站之間的通信，2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)覆蓋整個(gè)區(qū)域，移動(dòng)終端通過2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)接入整個(gè)系統(tǒng)[7]。

整個(gè)通訊系統(tǒng)由基站的5.8 GHz單元組成的骨干無(wú)線網(wǎng)和基站的2.4 GHz單元組成的無(wú)線覆蓋網(wǎng)組成[8]。其中每個(gè)基站的5.8 GHz單元負(fù)責(zé)與其他2～4個(gè)基站的5.8 GHz單元進(jìn)行通信，作為根節(jié)點(diǎn)的基站5.8 GHz單元通過網(wǎng)線接入交換機(jī)，并最終接入調(diào)度中心局域網(wǎng)；作為中繼節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)的基站通過無(wú)線方式接入根節(jié)點(diǎn)基站?；镜?.4 GHz單元，負(fù)責(zé)與覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有車載終端通信，從而實(shí)現(xiàn)車載移動(dòng)終端通過基站，與調(diào)度中心之間的數(shù)據(jù)通信。

實(shí)際建設(shè)中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，利用現(xiàn)有的2個(gè)800 MHz塔，調(diào)度室的辦公樓上面安裝4根報(bào)桿，其余基站塔為4個(gè)25 MHz塔。

3.1 基站建立準(zhǔn)備

1）現(xiàn)場(chǎng)勘查。到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查，設(shè)計(jì)基站位置?；疚恢么_定原則：覆蓋區(qū)域廣，能同其它基站互聯(lián)，確保通訊無(wú)死角；可解決市電供電問題；具備安裝施工環(huán)境，便于后期維護(hù)。

2）坐標(biāo)采集?，F(xiàn)場(chǎng)初步選定基站位置后，由地測(cè)專業(yè)技術(shù)人員利用GPS設(shè)備采集該點(diǎn)坐標(biāo)信息，采集完成后，將該信息在礦區(qū)地形圖上標(biāo)注出來(lái)。

3）選點(diǎn)。結(jié)合采礦計(jì)劃、礦山推進(jìn)速度，確定最終基站位置。

3.2 固定基站實(shí)施規(guī)劃

固定基站安裝，共計(jì)8個(gè)固定基站?；舅?shí)現(xiàn)全礦坑網(wǎng)絡(luò)覆蓋，露天礦移動(dòng)無(wú)線寬帶系統(tǒng)的基站分布如圖1所示。

無(wú)線Mesh基站組網(wǎng)示意圖如圖2所示，8臺(tái)固定基站之間組成動(dòng)態(tài)自感應(yīng)的網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)，提供自修復(fù)、自冗余功能；每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都有多條回傳鏈路可選，根據(jù)Mesh算法自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行回傳，當(dāng)有其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出故障可以最快的自動(dòng)切換到鄰近節(jié)點(diǎn)，提供最高的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1 基站布置

圖2 基站信號(hào)覆蓋圖

礦區(qū)在北幫和東加油站處有2個(gè)800 MHz通信塔，把5、6、8號(hào)節(jié)點(diǎn)安裝在通信塔上，其中北邦通信塔有光纜可以做落地點(diǎn)，這種方式能更好加快施工進(jìn)度和更好的信號(hào)覆蓋，Mesh基站屬于高頻率不會(huì)對(duì)通信塔造成影響。

圖2可以看出，可以實(shí)現(xiàn)全礦坑的2.4 GHz無(wú)限覆蓋。其中固定基站節(jié)點(diǎn)可以選用全向天線和定向天線結(jié)合，定向扇區(qū)天線90°或120°可對(duì)較遠(yuǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，覆蓋區(qū)域重疊、冗余度高，提升了露天礦礦區(qū)總體的場(chǎng)強(qiáng)水平。

固定基站的供電是通過24 V直流電壓供電。24 V直流電壓通過以下方式供給：UPS電源輸出穩(wěn)定220 V交流電給電源轉(zhuǎn)換模塊CLG-150-24A，電源轉(zhuǎn)換模塊輸出穩(wěn)定的24 V直流電到基站端口，然后通過直流防雷進(jìn)入基站電源端口進(jìn)行供電。

4 無(wú)線Mesh基站調(diào)試

調(diào)試內(nèi)容包括天線位置固定及方向選擇，重點(diǎn)在于天線朝向和角度是否為設(shè)計(jì)要求的覆蓋方向，在覆蓋方向內(nèi)是否存在死角，覆蓋方向內(nèi)的數(shù)據(jù)通信鏈路是否暢通。

4.1 主鏈路信號(hào)及帶寬測(cè)試（5.8 GHz）

從表1可以看出，1號(hào)落地點(diǎn)與2號(hào)點(diǎn)位連接的場(chǎng)強(qiáng)接收和發(fā)射都為-61 dBm，2號(hào)和3號(hào)點(diǎn)位之間的場(chǎng)強(qiáng)接收為-6 dBm，發(fā)射為-63 dBm，3號(hào)和4號(hào)點(diǎn)位之間的場(chǎng)強(qiáng)接收為-68 dBm，發(fā)射為-69 dBm，5號(hào)落地點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)位之間的場(chǎng)強(qiáng)接收為-66 dBm，發(fā)射為-72 dBm，6號(hào)和7號(hào)點(diǎn)位之間的場(chǎng)強(qiáng)接收為-62 dBm，發(fā)射為-60d Bm，5號(hào)落地點(diǎn)和8號(hào)點(diǎn)位之間的場(chǎng)強(qiáng)接收為-48 dBm，發(fā)射為-47 dBm。

表1 鏈路信號(hào)及帶寬統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過測(cè)試，Mesh網(wǎng)絡(luò)在丟失備份落地點(diǎn)時(shí)能夠迅速的計(jì)算鏈路并重路由切換到最優(yōu)的備用鏈路上，切換丟包為3個(gè)，Mesh網(wǎng)絡(luò)在丟失主干中繼點(diǎn)時(shí)，其下聯(lián)鏈路也能夠迅速的計(jì)算鏈路并重路由切換到最優(yōu)的備用鏈路上，切換丟包為1個(gè)，保證了Mesh網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障點(diǎn)時(shí)也能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行不掉線。

4.2 礦坑下覆蓋場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試（2.4 GHz）

2.4GHz覆蓋測(cè)試主要針對(duì)各主站對(duì)礦坑下主干道路、卡車行走區(qū)域、電鏟采面及排土場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行全面覆蓋，保障網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行中卡調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

通過實(shí)際使用的車載CPE進(jìn)行礦坑覆蓋區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)的接收測(cè)試，設(shè)備安裝在工程車上，天線固定高度為2 m，通過筆記本后臺(tái)實(shí)時(shí)記錄各區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度及ping包延遲。重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度見表2。

Mesh基站2.4 GHz可以對(duì)整個(gè)礦坑做覆蓋，覆蓋測(cè)試無(wú)盲區(qū)，漫游切換無(wú)中斷情況，但車載CPE在漫游切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟包，部分?jǐn)鄬涌窟吘壍貐^(qū)信號(hào)在-75～-80 dBm左右，后期在電鏟安裝移動(dòng)基站后覆蓋效果會(huì)有很大改善，并且這次測(cè)試車輛天線的安裝高度為2 m，但在實(shí)際應(yīng)用中卡車上的天線安裝高度應(yīng)該在4～5 m左右，這對(duì)于天線的接收效果會(huì)增加3～5 dBm左右，所以在后期卡調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行后能保證其正常穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 重點(diǎn)測(cè)試區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度

5 結(jié) 論

通過在露天礦假設(shè)8個(gè)固定基站組成礦山無(wú)線Mesh基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，通過固定基站、移動(dòng)基站相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)礦區(qū)信號(hào)覆蓋無(wú)盲區(qū)，車輛在基站之間的切換迅速且穩(wěn)定，能夠有效的滿足現(xiàn)場(chǎng)卡車調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的需要，也為后續(xù)的其他系統(tǒng)接入提供好的平臺(tái)。

［1］何帥，楊志勇等.基于GPS技術(shù)的露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)［J］.煤礦安全，20l2（6）：74-75．

［2］煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司.露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)研究報(bào)告［R］.撫順：煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，2011．

［3］何帥.國(guó)外某露天礦GPS生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)［J］.露天采礦技術(shù)，2016（5）：34-36．

［4］張國(guó)祥，崔鳳，胡國(guó)華.Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在露天礦山調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.包鋼科技，2014，40（6）：64-66．

［5］高淑娟，王凱，寧浩.Mesh技術(shù)在露天礦生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用.露天采礦技術(shù)，2013（4）：66-69．

［6］杭成寶.無(wú)線Mesh網(wǎng)在露天礦的應(yīng)用.露天采礦技術(shù)，2014（11）：66-68．

［7］何林，李克民.無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在露天礦通信系統(tǒng)中的應(yīng)用前景.金屬礦山，2012，41（4）：118-120．

［8］霍燕斌，杭成寶.無(wú)線Mesh技術(shù)在神華勝利露天礦GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用.露天采礦技術(shù)，2013（11）：52-55.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Application on w ireless M esh technology of truck dispatching system in Pingshuo East Open-pit M ine

ZHANG Yingping1,NING Hao2,HE Shuai2,ZHAO Li2
(1.East Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036008,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)

Combining with the construction of truck dispatching system in East Open-pit Mine,the article presents the wireless network setting principle and introduces the network layout and the field test results,which can realize the fast switching among base station equipment of the ad hoc network,inter vehicle and vehicle and control center,and realize the successful application of wireless Mesh technology in East Open-pit Mine.

Mesh;truck scheduling;open-pitmine

TD679

B

1671－9816（2017）09－0070－04

2017-06-20

張迎平（1973—），男，山西嵐縣人，本科，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，現(xiàn)任中煤平朔集團(tuán)東露天機(jī)電副礦長(zhǎng)。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.018

張迎平，寧浩，何帥，等.無(wú)線Mesh技術(shù)在平朔東露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：70-72.