基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

劉 偉

（神東煤炭集團(tuán)安監(jiān)局，鄂爾多斯 017209）

在煤礦開(kāi)采事業(yè)的不斷發(fā)展下，礦井開(kāi)采深度和強(qiáng)度也在不斷增加，在煤礦生產(chǎn)速度的加快下，相應(yīng)的煤礦生產(chǎn)安全問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)。從當(dāng)前發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)存在技術(shù)落后、設(shè)備設(shè)施不完善等問(wèn)題，在很大程度上制約了煤礦應(yīng)急救援工作的開(kāi)展。在現(xiàn)代信息科技的發(fā)展下，無(wú)線通信技術(shù)也得到了更進(jìn)一步的發(fā)展，一系列無(wú)線技術(shù)開(kāi)始被人們投入到煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中，并獲得了較大的成功。為此，文章結(jié)合當(dāng)前礦井通信場(chǎng)景的應(yīng)用發(fā)展實(shí)際情況，結(jié)合煤礦井下應(yīng)急通信需求，以MESH網(wǎng)絡(luò)為基本研究切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)，在對(duì)基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的深入研究下使其更好的滿足了煤礦井下救援行動(dòng)對(duì)通信質(zhì)量的要求，提升了煤礦井下救援效率，確保了相關(guān)工作人員的安全。

1 無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)

在無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展下，第三代移動(dòng)通信技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，在以往覆蓋范圍大、涉及廣泛的通信技術(shù)之外，短距離無(wú)線通信技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，其中發(fā)展最為快速的是無(wú)線MESH技術(shù)。MESH技術(shù)也被人們稱(chēng)作是無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)技術(shù)，在具體應(yīng)用中是一種具有多跳、自組織的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。MESH無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信和其他網(wǎng)絡(luò)通信相比的差異主要體現(xiàn)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)模式兩個(gè)方面。在具體應(yīng)用中，無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)能夠和多種無(wú)線技術(shù)結(jié)合在一起形成一種多跳鏈路網(wǎng)絡(luò)。

2 煤礦井下開(kāi)采應(yīng)急通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

煤礦井下開(kāi)采應(yīng)急通信主要是指在煤礦事故發(fā)生之后，事故狀態(tài)下的煤礦現(xiàn)場(chǎng)事故工作人員、地面救援指揮中心等多個(gè)部門(mén)之間形成的一種臨時(shí)通信線路。在煤礦出現(xiàn)安全事故的時(shí)候，為了避免事故的擴(kuò)大以及事故的再次發(fā)生，在事故之后需要及時(shí)切斷井下供電系統(tǒng)。在切斷井下供電系統(tǒng)之后，救援工作的開(kāi)展無(wú)法使用之前的井下通信系統(tǒng)，救援人員獲取的信息資料也無(wú)法在第一時(shí)間傳遞給相關(guān)部門(mén)人員，由此使得整個(gè)救援活動(dòng)延遲。由此可見(jiàn)，井下應(yīng)急通信系統(tǒng)在井下救援工作中能保持救援人員和地面指揮中心的通信暢通變得十分重要，可靠的應(yīng)急救援通信系統(tǒng)能夠更好的幫助救援人員開(kāi)展工作，減少井下救援工作損失。

3 基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)需求

基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，特殊的信號(hào)傳播環(huán)境。受煤礦井下巷道形狀的影響，煤礦井下通信信號(hào)的傳播環(huán)境和地面無(wú)線系統(tǒng)之間存在較大的差異，巷道轉(zhuǎn)折過(guò)程中的信號(hào)傳播會(huì)形成多種反射，由此對(duì)煤礦應(yīng)急救援通信信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生了較大的影響。第二，基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信空間受到的限制較大。巷道是一個(gè)封閉的空間，在空間彎曲道、結(jié)構(gòu)的變化下會(huì)加劇巷道內(nèi)部場(chǎng)景的復(fù)雜。另外，在煤礦井下應(yīng)急救援過(guò)程中，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)伴隨救援行動(dòng)的開(kāi)展發(fā)橫變化，為此要求基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第三，基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信環(huán)境惡劣。在煤礦井下出現(xiàn)事故之后會(huì)伴隨而來(lái)大量可燃可爆氣體，由此對(duì)巷道原來(lái)的結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p害。為此，在煤礦井下應(yīng)急救援通信設(shè)計(jì)中需要增強(qiáng)巷道的拓展性。煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)深受煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)特殊性的影響，為了能夠讓煤礦井下通信系統(tǒng)更好的工作。特殊環(huán)境中的應(yīng)急通信系統(tǒng)需要具備以下幾方面的特點(diǎn)：①煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)在工作的過(guò)程中要密切關(guān)注巷道的信道環(huán)境。②無(wú)線應(yīng)急通信系統(tǒng)大多要設(shè)置成鏈狀多跳結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)寬帶的下降和上升都能夠在可容納的范圍內(nèi)。

3.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)包含地面指揮調(diào)度中心、井下無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)鏈路、現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍等。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)鏈路由交換機(jī)、無(wú)線中繼站、無(wú)線多參數(shù)檢測(cè)儀器等設(shè)備共同組成。在發(fā)生煤礦井下突發(fā)安全事故的時(shí)候，無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠快速搭建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為煤礦井下救援工作的順利開(kāi)展提供重要支持?；跓o(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)符合我國(guó)煤礦井下發(fā)展需要，設(shè)計(jì)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)具有救護(hù)隊(duì)員體溫、心跳、呼吸頻率等生命特點(diǎn)信息監(jiān)測(cè)功能，能夠更加及時(shí)的掌握救援人員的身體情況，避免救援人員在救援工作中出現(xiàn)二次傷亡。第二，基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)配備了多參數(shù)氣體測(cè)定器，有效解決了災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)高濃度有害氣體的測(cè)定難問(wèn)題。第三，基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)采用了無(wú)線混頻多數(shù)據(jù)通信技術(shù)，提升了語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等多種信息的實(shí)時(shí)性傳播。

3.3 煤礦井下無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

3.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

煤礦井下無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和地面無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)不同，在具體工作中，煤礦井下空間受空間的限制較大，工作環(huán)境特殊，由此決定礦井無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)絡(luò)在礦井大巷中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)出一種鏈狀結(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的煤礦井下無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的影響表現(xiàn)如下：第一，節(jié)點(diǎn)工作模式。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)周?chē)话阒淮嬖趦蓚€(gè)左右的臨近節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是點(diǎn)到點(diǎn)的工作模式。地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由于空間開(kāi)闊不受限制，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出和多個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)通信的特點(diǎn)，是一種一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的工作模式。第二，路徑單一。地面無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間的連接較多，且工作路徑的選擇要綜合考慮跳數(shù)、往返時(shí)間等問(wèn)題。第三，充分考慮設(shè)備的安裝布置。下井救援時(shí)間有限，在設(shè)備安排的過(guò)程中需要考慮中繼設(shè)備的重量和待機(jī)時(shí)間，通過(guò)合理布置設(shè)備來(lái)確保救援時(shí)間的充足，提升救援工作效率。第四，多跳傳輸。井下無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)受節(jié)點(diǎn)功率小、巷道狹長(zhǎng)分布特點(diǎn)的影響，網(wǎng)絡(luò)的接入和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)繁重。

3.3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)不僅需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無(wú)線信號(hào)傳播特點(diǎn)，而且還需要加強(qiáng)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性、業(yè)務(wù)類(lèi)型、用戶權(quán)限等問(wèn)題的考慮。第一，移動(dòng)性。地面無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)MESH路由節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性較低，終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度變化較快，在節(jié)點(diǎn)的不斷融入下會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。第二，業(yè)務(wù)類(lèi)型。為了實(shí)現(xiàn)搜救隊(duì)員和地面組織的通信，語(yǔ)音業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。由此需要路由維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)不能消耗較多的網(wǎng)絡(luò)資源。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

以煤礦突發(fā)事件為基本案例，在災(zāi)變發(fā)生之后礦井破壞不嚴(yán)重的情況下可以應(yīng)用基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)進(jìn)行救援。首先，將中繼器的第一跳直接接入到現(xiàn)有的井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中，之后利用井下的有線網(wǎng)絡(luò)完成應(yīng)急通訊指揮操作。其次，在井下安排布置監(jiān)控主機(jī)，通過(guò)RJ45接口來(lái)將監(jiān)控主機(jī)接入到地面交換機(jī)中。再次，救護(hù)人員將生命傳感器綁在自己的胸部，每個(gè)人攜帶一個(gè)數(shù)據(jù)信息收集儀器，利用儀器內(nèi)部的裝置來(lái)獲取救護(hù)人員的生命體態(tài)信息。采集儀器同時(shí)通過(guò)有線的方式來(lái)和攝像儀器、傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器等進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)和地面調(diào)度系統(tǒng)的有效對(duì)講。最后，救護(hù)人員內(nèi)在到達(dá)指定的位置之后，應(yīng)用無(wú)線接收器和多個(gè)參數(shù)氣體進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，煤礦安全生產(chǎn)是確保我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的重要關(guān)鍵。煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)作為煤礦事故救援的重要設(shè)備之一，得到了人們的關(guān)注和應(yīng)用。文章根據(jù)井下應(yīng)急通信系統(tǒng)的實(shí)施需求，將基于MESH網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)引入到地下，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)的井下應(yīng)急通信系統(tǒng)，就該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了探究，以期能夠有效提升煤礦井下救援工作效率。