礦用透水事故水聲通信救援系統(tǒng)研究

齊俊艷 王磊 喬莉

摘 要： 礦井透水事故發(fā)生后，通信系統(tǒng)往往會(huì)因?yàn)樵獾狡茐亩袛啵暇聼o法及時(shí)聯(lián)系，從而影響救援工作的開展。為了解決這一問題，提出一種用于礦用透水事故救援的應(yīng)急水聲通信系統(tǒng)。給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖、硬件框圖以及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)包含的三類節(jié)點(diǎn)：浸沒水里的節(jié)點(diǎn)、浮在水面的節(jié)點(diǎn)和陸地節(jié)點(diǎn)。分析表明，該系統(tǒng)能夠在透水事故發(fā)生時(shí)為井上井下人員提供有效的應(yīng)急通信途徑，確保救援工作有效開展。

關(guān)鍵詞： 礦井透水； 水聲通信； 應(yīng)急通信； 救援； 節(jié)點(diǎn)； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TN91?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0025?05

Abstract： After the mine water flooding accident， the acoustic communication system may be destructed， and then interrupted， the miner under or above the well can′t be contacted in real time， which affects the rescue work. An underwater acoustic emergency communication system for mine water flooding accident rescue is proposed to solve the above problem. The overall structure diagram and hardware block diagram of the system design， and software flowchart of the system function realization are given. Three kinds of nodes contained in the system are introduced in detail， including node submerged in the water， node floating above the water and land node. The analysis result shows that the system can provide an effective emergency communication channel for the staff under or above the well， and ensure the rescue work effectively while the system suffers from the water flooding accident.

Keywords： mine water flooding； underwater acoustic communication； emergency communication； rescue； node； wireless sensor network

0 引 言

煤礦是我國的主要能源，受我國煤礦復(fù)雜地形限制，透水事故頻繁發(fā)生。從歷年來發(fā)生的煤礦透水事故來看，事故一旦發(fā)生，井下全部電力供應(yīng)需要切斷，這直接導(dǎo)致礦井下各個(gè)通信設(shè)備無法正常使用，致使受困人員無法和地面救災(zāi)指揮部、井下救護(hù)基地取得及時(shí)有效的聯(lián)系，從而造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。例如，山西王家?guī)X煤礦透水事故、榨里一號(hào)井 “8.16”透水事故、龍南縣大羅煤礦“5.1” 透水事故等有線監(jiān)控因切斷電力不能正常使用，導(dǎo)致受困人員無法與井上取得有效聯(lián)系，未能進(jìn)行及時(shí)營救[1?3]。河南省支建煤礦發(fā)生透水事故，所幸通信線路沒有中斷，使用井下一部電話與井上人員取得了聯(lián)系，才使?fàn)I救人員了解了井下情況，保住了69名礦工的生命，這是歷次救援所沒有的[4]。針對(duì)有線監(jiān)控的缺陷，研究者們陸續(xù)提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，此類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的均是ZigBee節(jié)點(diǎn)。ZigBee是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[5]，它的優(yōu)點(diǎn)使得其在煤礦下得到廣泛的應(yīng)用。如基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)等無線監(jiān)控系統(tǒng)[6?7]。當(dāng)煤礦下發(fā)生透水事故時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)雖不受切斷電力的影響，但因均采用無線電波進(jìn)行消息傳輸，被水淹沒的節(jié)點(diǎn)無法進(jìn)行信息傳輸，這就導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效，以至井下情況無法及時(shí)地傳到井上救災(zāi)指揮部。

因此，透水事故一旦發(fā)生，有效的煤礦井下應(yīng)急通信技術(shù)裝備具有重要的價(jià)值。本文提出一種用于礦井透水事故水聲通信救援系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生透水事故時(shí)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井上井下人員的有效聯(lián)絡(luò)，確定井下人員所處環(huán)境狀況及安全狀況，給井上救援人員提供井下受困人數(shù)、生命體征、所處位置等精確信息，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害環(huán)境下井上井下人員的有效通信，從而有針對(duì)性地開展救援工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文研究的礦用無線水聲通信救援系統(tǒng)，考慮到透水事故發(fā)生后，巷道會(huì)出現(xiàn)有水區(qū)域或者無水區(qū)域兩種情況。因此，為了適應(yīng)這兩種情況，該通信救援系統(tǒng)需充分利用水聲通信與ZigBee技術(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)通信節(jié)點(diǎn)以滿足不同現(xiàn)場情況的技術(shù)方法。透水事故發(fā)生后，在無水區(qū)域采用事先布放好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，而有水區(qū)域就復(fù)雜一些，可分為巷道灌滿水和部分有水兩種情況，即有些時(shí)候水會(huì)灌滿整個(gè)巷道，而有些時(shí)候可能只會(huì)集中在低洼區(qū)域，在這樣的區(qū)域需要采用水聲通信技術(shù)完成信息傳遞。本文將水聲通信技術(shù)[8]與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[9?10]相結(jié)合，重點(diǎn)研究通信節(jié)點(diǎn)的開發(fā)。

設(shè)計(jì)的礦用無線水聲通信救援系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由井下人員便攜的陸地移動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、用于將采集到的陸地?zé)o線信號(hào)和水下聲波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸?shù)年懰盘?hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、水下通信傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和地面遠(yuǎn)程控制管理中心構(gòu)成。正常情況下，系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)附近的瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度等信息，作為基本監(jiān)測設(shè)備使用。但當(dāng)透水事故發(fā)生，煤礦內(nèi)出現(xiàn)不同深度的水時(shí)，漂浮在水面上的水聲換能節(jié)點(diǎn)2，5，7立刻由睡眠狀態(tài)變?yōu)閱拘褷顟B(tài)，迅速與水里節(jié)點(diǎn)1，3，4，6和陸地節(jié)點(diǎn)8，9進(jìn)入組網(wǎng)狀態(tài)，組網(wǎng)完成后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)信息互傳。井下人員可能處在不同的位置，有部分人員可能在救生艙，提前部署在救生艙的節(jié)點(diǎn)與井下人員的手持設(shè)備進(jìn)行通信，井下人員通過手持設(shè)備把自己的位置、身體狀況等信息傳輸至井上的遠(yuǎn)程控制管理中心；有部分人員可能站在高處，井下人員身上的手持設(shè)備與提前部署在附近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，最終把自己所處的位置、身體狀況、環(huán)境狀況等信息通過節(jié)點(diǎn)1傳輸給節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)2傳輸給節(jié)點(diǎn)3，……，這樣進(jìn)行多跳傳輸，最終把信息傳輸至井上的遠(yuǎn)程控制管理中心。在部分有水的情況下，一方面，陸地移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過與水中的通信節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)將消息傳輸至井上的遠(yuǎn)程控制管理中心；另一方面，陸地移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，將信號(hào)傳輸至水下通信傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以多跳的方式進(jìn)一步傳輸至遠(yuǎn)程控制管理中心[6]。在巷道灌滿水時(shí)，則不能采用陸地?zé)o線傳輸?shù)姆绞?，那么就只能通過陸地移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、水下通信傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，最終以多跳方式將信號(hào)傳至遠(yuǎn)程控制管理中心[7]。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 井下人員便攜的嵌入式移動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

井下人員便攜的嵌入式移動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括用于采集環(huán)境參數(shù)信息的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)處理模塊與無線模塊雙向通信連接。數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎瑪?shù)據(jù)處理模塊采用STM32F107芯片實(shí)現(xiàn)，無線模塊采用CC2531用以傳輸ZigBee信號(hào)[8?9]。除此之外，該節(jié)點(diǎn)還包括語音模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、晶振電路、復(fù)位電路、電源，節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示。其具體工作原理為：節(jié)點(diǎn)由井下人員隨身攜帶，正常情況下能夠采集人員附近的瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度等信息，作為基本監(jiān)測設(shè)備使用[10]。一旦有透水事故發(fā)生，部署在距離最近的水聲換能設(shè)備發(fā)射災(zāi)難預(yù)警信號(hào)，該節(jié)點(diǎn)收到預(yù)警信號(hào)后，迅速進(jìn)入組網(wǎng)狀態(tài)，組網(wǎng)完成后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)信息互傳[11]。井下人員根據(jù)自己收到的其他人員發(fā)來的信息了解不同地點(diǎn)的災(zāi)害情況，從而發(fā)布自己的信息，節(jié)點(diǎn)根據(jù)事先存儲(chǔ)的井下地圖信息確定安全的逃生路線，找到就近的避難場所。此外，所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息逐跳傳輸，最終匯聚到吸收節(jié)點(diǎn)[12]，該節(jié)點(diǎn)為特殊的水聲換能器模塊，分為固定和移動(dòng)兩類。固定節(jié)點(diǎn)由生產(chǎn)單位按照提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提前布放在相關(guān)地點(diǎn)[13]，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由救援人員按需布放，用于收集井下人員發(fā)送的信息及向井下發(fā)布指令信息。

2.2 水聲換能器節(jié)點(diǎn)

水聲換能器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)處理模塊通過無線模塊與水聲換能器雙向通信連接。數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?。?shù)據(jù)處理模塊采用STM32F107芯片實(shí)現(xiàn)，無線模塊采用CC2531用以傳輸ZigBee信號(hào)。除此之外，該節(jié)點(diǎn)還包括功率放大器、晶振電路、復(fù)位電路、電源，該節(jié)點(diǎn)還具有ZigBee信號(hào)接收與發(fā)送、超聲波信號(hào)發(fā)送與接收、水聲通信組網(wǎng)、ZigBee通信組網(wǎng)、事故檢測觸發(fā)喚醒等功能，節(jié)點(diǎn)框圖如圖3所示。其具體工作原理為：該節(jié)點(diǎn)被立體布置在礦井不同高度的位置，具有濕度、水位綜合檢測功能。平時(shí)為了節(jié)省能量，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)[14]，當(dāng)檢測到有透水事故發(fā)生后，漂浮在水面上的模塊立即由睡眠狀態(tài)進(jìn)入喚醒狀態(tài)，作為換能器開始工作，將接收到的ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換成水聲信號(hào)。同理，該模塊接收其他模塊發(fā)送過來的水聲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為ZigBee信號(hào)，即模塊作為無線網(wǎng)絡(luò)的吸收節(jié)點(diǎn)使用[15]。

2.3 水聲通信傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

如圖4所示，該節(jié)點(diǎn)主要包含傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器Modem組成）以及電源4個(gè)核心組件。信號(hào)傳感單元和通信單元均與處理單元連接，處理單元通過通信單元與其他的水聲通信節(jié)點(diǎn)連接。

圖5所示為該節(jié)點(diǎn)的一種具體實(shí)現(xiàn)方式，該節(jié)點(diǎn)包括順次連接的A/D轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊及D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器用于連接模擬信號(hào)輸入，D/A轉(zhuǎn)換器用于連接模擬信號(hào)輸出。通信模塊的信號(hào)輸入及輸出端連接有對(duì)應(yīng)的CDMA解調(diào)及CDMA調(diào)制模塊，用于對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)[16]，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋礦井區(qū)域的信息，并通過多跳自組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)經(jīng)由換能器節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)）傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心。

3 組 網(wǎng)

協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)[17]，程序運(yùn)行至網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)ZDO_NETWORK_INIT事件，此后調(diào)度程序會(huì)在ZDO層任務(wù)函數(shù)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)初始化事件進(jìn)行處理，并最終通過調(diào)用設(shè)備啟動(dòng)函數(shù)ZDO_StartDevice（）進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)操作。ZDO_StartDevice函數(shù)根據(jù)邏輯設(shè)備類型、啟動(dòng)模式、信標(biāo)事件、超幀長度等啟動(dòng)參數(shù)選擇調(diào)用網(wǎng)絡(luò)形成函數(shù)或調(diào)用網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)函數(shù)。如果為協(xié)調(diào)器設(shè)備，則通過網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建申請(qǐng)；如果為路由設(shè)備或者終端設(shè)備，則執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)函數(shù)NLME_Network Discovery Request（）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。確定為協(xié)調(diào)器之后，網(wǎng)絡(luò)層利用MAC層進(jìn)行信道能量掃描，選擇能量最弱的，也就是ZigBee設(shè)備最少的信道。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建結(jié)果由網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求確認(rèn)函數(shù)交由ZDO層進(jìn)行處理，網(wǎng)絡(luò)形成成功則對(duì)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行更新，形成失敗則繼續(xù)產(chǎn)生ZDO_NETWORK_INIT事件，重新發(fā)出網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求。組網(wǎng)完成后，一方面，陸地移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，將信號(hào)傳輸至水下通信傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再以多跳的方式傳輸至陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，該模塊將接收到的水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成ZigBee信號(hào)，通過串口傳輸至遠(yuǎn)程控制管理中心；另一方面，陸地移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將信號(hào)通過串口傳送給STM32F107芯片進(jìn)行處理后，發(fā)送給無線收發(fā)裝置進(jìn)行傳輸。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法流程圖如圖6所示。

4 結(jié) 論

本文研究了礦用無線水聲通信救援系統(tǒng)，充分利用陸地移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、陸水信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)和水下通信傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和水聲通信技術(shù)相結(jié)合，組建用于透水事故發(fā)生時(shí)應(yīng)急通信的傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在礦井電力中斷的情況下，井上井下人員之間的通信聯(lián)絡(luò)，從而有效地開展救援工作，避免大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，具有很大的應(yīng)用前景。

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