煤礦應(yīng)急救援通信技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢

胡青松，楊維，丁恩杰，李世銀，李冰皓

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2. 新南威爾士大學(xué)礦物與能源資源工程學(xué)院，悉尼 2052；3. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；4. 中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州 221008）

1 引言

煤炭在我國一次能源的生產(chǎn)和消費中占有重要地位，我國煤炭開采長期遭受瓦斯、水害、頂板等事故的困擾[1]。盡管絕大多數(shù)礦井部署了通信聯(lián)絡(luò)、災(zāi)害預(yù)警等輔助系統(tǒng)，但是重大事故仍時有發(fā)生，造成的人員傷亡依然十分嚴(yán)重。因此，在煤炭主體能源地位無法替代、煤礦事故無法完全避免的情況下，提升煤礦事故應(yīng)急處置和救援能力已上升為國家戰(zhàn)略：國家安全生產(chǎn) “十三五”規(guī)劃明確將“應(yīng)急救援能力建設(shè)工程”作為八大重點建設(shè)工程之一，煤礦安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃要求“提升煤礦事故應(yīng)急處置能力，完善煤礦應(yīng)急救援體系”。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定[2]，事故救援前必須進行災(zāi)區(qū)偵察，根據(jù)探測到的事故地點、波及范圍、災(zāi)區(qū)人員分布、潛在危險等因素制定救援方案和實施救援。在災(zāi)區(qū)偵察和事故救援中，迫切需要建立救援人員和地面救援指揮中心的通信聯(lián)系，確定被困人員及事故的位置，幫助救援指揮人員掌握現(xiàn)場態(tài)勢。盡管各種有線或無線通信設(shè)施在生產(chǎn)監(jiān)測控制和災(zāi)害預(yù)測預(yù)警中發(fā)揮了巨大作用，但是一旦發(fā)生事故，事故區(qū)域的部分通信節(jié)點和感知節(jié)點將會在事故中損毀，導(dǎo)致有線通信線路中斷，無線節(jié)點難以組網(wǎng)，進而導(dǎo)致溝通聯(lián)絡(luò)沒有保障，人員位置無從知曉，現(xiàn)場感知難以進行。顯然，為救援工作大規(guī)模部署有線或無線設(shè)施不太現(xiàn)實，因此，建設(shè)可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)，利用殘存資源和少量新添設(shè)備，滿足事故救援所需的溝通聯(lián)絡(luò)等需求，是實現(xiàn)及時有效救援的重要保障。

礦井應(yīng)急救援通信系統(tǒng)必須具有災(zāi)變情況下的頑存能力、災(zāi)變后的按需重構(gòu)能力，以及通信與感知并重的特性。然而，當(dāng)前煤礦中有的沒有安裝應(yīng)急通信系統(tǒng)，僅僅部署了用于正常生產(chǎn)的礦用通信網(wǎng)絡(luò)；有的雖然部署了應(yīng)急通信系統(tǒng)，但只是地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的簡單移植，使用效果并不佳。隨著有線/無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)和云計算的快速成熟，礦井應(yīng)急通信呈現(xiàn)出可重構(gòu)化、協(xié)同化、云計算化[3]，甚至“空天地井”聯(lián)合優(yōu)化的趨勢[4]。本文擬對礦井應(yīng)急通信的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、主要挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢進行全方位的綜述，并提出一種新穎的基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)的應(yīng)急通信模式，為礦井應(yīng)急通信研究提供一定借鑒。

2 煤礦應(yīng)急救援的通信需求與總體架構(gòu)

礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)是整個煤礦通信系統(tǒng)的有機組成部分，旨在建立起救援一線與地面救援指揮中心的通信聯(lián)系，服務(wù)于煤礦災(zāi)后探查和應(yīng)急救援。本節(jié)通過分析煤礦應(yīng)急救援的通信需求，構(gòu)建煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)的架構(gòu)體系。

2.1 煤礦應(yīng)急救援的通信需求分析

如上文所述，當(dāng)前煤礦的做法通常是將為正常生產(chǎn)而部署的煤礦通信系統(tǒng)兼做應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)，因此有必要考察一般煤礦通信系統(tǒng)的影響因素。煤礦通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇受多個互相矛盾的因素制約，主要包括以下3個方面。

1) 數(shù)據(jù)類型多樣。煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)既包括機械化設(shè)備的運行狀態(tài)、井下作業(yè)人員的位置信息和生命體征、煤礦巷道內(nèi)的環(huán)境信息，也包括安裝于井下關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)控視頻，以及地面和井下或井下不同區(qū)域之間的語音或視頻等。此外，隨著煤礦生產(chǎn)過程的推進，新的數(shù)據(jù)需求還會不斷產(chǎn)生。因此，礦井骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)的吞吐量必須足夠大，以保證大量異構(gòu)煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

2) 傳輸及時可靠。只有準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的一手資料，地面決策指揮人員才能全面掌控井下的動態(tài)生產(chǎn)情況，以便進行有針對性的安全監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度。同時，及時準(zhǔn)確地將地面調(diào)度指令傳輸?shù)街付ㄈ藛T和設(shè)備，是保證生產(chǎn)效率和安全水平的必備條件。因此，煤礦通信中的傳輸可靠不但體現(xiàn)了無丟失、無差錯的基本要求，而且包含了時延、時延抖動、確定性等 QoS(quality of service)約束。

3) 部署方便靈活。井下多數(shù)巷道（特別是主干巷道）是固定不變的，適合部署高帶寬大容量的有線通信系統(tǒng)。另一方面，綜采工作面和掘進工作面等巷道隨著開采的推進而動態(tài)變化，適合部署成本低廉、結(jié)構(gòu)可變、移動靈活的移動網(wǎng)絡(luò)。另外，沒有主干網(wǎng)絡(luò)的分支巷道，也宜使用無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為有線網(wǎng)絡(luò)的有益補充，以便擴大通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋范圍。

煤礦應(yīng)急救援場景下通信聯(lián)絡(luò)的目的與正常生產(chǎn)情況有很大差別。正常生產(chǎn)情況下，所有通信和信息化設(shè)施均為煤炭生產(chǎn)服務(wù)，目的是保安全提效率。而煤礦事故通常會造成部分井下人員因巷道堵塞或受傷嚴(yán)重的原因而無法主動撤離，不得不在井下等待救援。在時間就是生命的情況下，通信聯(lián)絡(luò)的首要目標(biāo)是搶救被困人員。在開展救援時，及時準(zhǔn)確地掌握事故發(fā)生地點、事故區(qū)域環(huán)境參數(shù)及其變化情況、巷道破壞程度、影響范圍、探測被困人員位置并了解其身心狀態(tài)等信息，是進行救援決策和實施救援的重要依據(jù)，而事故區(qū)域和地面之間的通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)是實現(xiàn)事故現(xiàn)場感知和信息傳輸?shù)南葲Q條件。

因此，煤礦應(yīng)急通信具有如下典型特點。

1) 數(shù)據(jù)量大小不是重點。應(yīng)急救援通信的第一要務(wù)是確定被困人員位置，只要能夠建立救援人員和被困人員的通信聯(lián)絡(luò)，哪怕只是打點信號，都能夠極大程度地避免救援的盲目性，大幅提高救援成功率。

2) 頑存性強。煤礦應(yīng)急通信設(shè)備極有可被煤礦事故損毀，應(yīng)通過地下埋入、鋼管內(nèi)鋪纜、適度冗余等方式，增強通信系統(tǒng)的抗災(zāi)能力。

3) 重構(gòu)能力強。礦井內(nèi)的應(yīng)急通信節(jié)點應(yīng)具有極強的自組織能力，在事故發(fā)生后，殘存通信資源應(yīng)能夠快速自主地重構(gòu)成網(wǎng)，第一時間為救援決策指揮提供事故現(xiàn)場信息。

4) 通信與感知能力并重。應(yīng)急通信節(jié)點應(yīng)具有現(xiàn)場態(tài)勢感知能力，從而幫助救援人員安撫被困人員情緒，指導(dǎo)被困人員自救和互救，實現(xiàn)被困人員與救援人員協(xié)同救援，增強救援針對性和救援效果。

2.2 煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)信號傳播介質(zhì)的不同，可將煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)分成4類，即有線系統(tǒng)（TTW, through the wire）、無線系統(tǒng)（TTA, through the air）、透地系統(tǒng)（TTE,through the earth）、混合系統(tǒng)（MMT, mixed medium type）[5-6]。TTW 可以采用雙絞線、同軸電纜、漏泄饋線、光纜，甚至電力線等線纜，但每種線纜都有其特性和缺陷。TTA技術(shù)種類繁多，所工作的頻段也各異，進而導(dǎo)致通信容量、傳輸時延等存在很大差別。TTE利用超低頻或甚低頻電磁波穿透能力強的特性，以大地為傳播媒介傳輸信號，主要應(yīng)用在地面和井下之間無法部署通信線纜且難以使用TTA技術(shù)的場景。

考慮到上述制約因素，煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)通常采用一種混合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。從傳輸媒介而言，該結(jié)構(gòu)混合使用了有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，采用一個骨干、多個分支、若干專線，輔以無線通信網(wǎng)絡(luò)的模式[7]。一個骨干即一個骨干網(wǎng)絡(luò)，大多采用千兆甚至萬兆工業(yè)以太網(wǎng)，可通過2個井筒與地面連通，也可通過單個井筒，圖1中給出的是2個井筒的示例。各種礦用通信設(shè)施就近接入或通過分支交換機接入骨干網(wǎng)，或通過現(xiàn)場總線（如 CAN（controller area network）、Profibus、RS-485等）接入骨干網(wǎng)[8]。從拓撲結(jié)構(gòu)而言，該結(jié)構(gòu)采用環(huán)型、樹型、網(wǎng)狀型混合拓撲結(jié)構(gòu)，其中，骨干網(wǎng)絡(luò)一般采用環(huán)型結(jié)構(gòu)，以增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性；分支網(wǎng)絡(luò)通常采用樹型結(jié)構(gòu)，以增強網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性；無線網(wǎng)絡(luò)大多采用網(wǎng)狀型拓撲，以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和可靠度。

圖1所示的混合式煤礦通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠充分適應(yīng)煤礦環(huán)境中的制約因素。由于采用了千兆甚至萬兆工業(yè)以太網(wǎng)，因此能夠傳輸類型多樣的煤礦數(shù)據(jù)。由于工業(yè)以太網(wǎng)解決了普通以太網(wǎng)的實時性和確定性難題，能夠保證數(shù)據(jù)的及時可靠傳輸。由于可用現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡(luò)對主干網(wǎng)絡(luò)進行按需擴展，滿足了部署靈活的要求。甚至為了增強應(yīng)急通信系統(tǒng)的抗災(zāi)能力，有些礦井在有線網(wǎng)絡(luò)的線纜選用和施工中做了特殊處理，比如選用抗拉能力和抗砸斷能力強的線纜，將線纜埋入在巷道底板中或穿入鋼管中。此外，輔以具有重構(gòu)能力的煤礦物聯(lián)網(wǎng)、具有穿巖能力的通信系統(tǒng)（如透地通信），將大幅提高應(yīng)急通信系統(tǒng)的頑存性、感知能力和重構(gòu)能力。

3 煤礦應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 TTW煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)

雖然磁石式電話、聲能電話、貝爾信令電話、撥號與尋呼混合系統(tǒng)、無源光網(wǎng)絡(luò)等都在煤礦通信系統(tǒng)中得到過應(yīng)用，但是應(yīng)用較少，本文只討論目前使用最為廣泛的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場的一種分層通信網(wǎng)絡(luò)，用于連接現(xiàn)場的智能設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器等）、控制器（如PLC（programmable logic controuer）、調(diào)節(jié)器等）、人機接口等設(shè)備[10-11]，實現(xiàn)控制中心與現(xiàn)場、現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)值、狀態(tài)、事件、控制命令等數(shù)據(jù)的傳輸。與傳統(tǒng)的直接使用通信線纜連接設(shè)備的方案相比，現(xiàn)場總線的信息傳輸質(zhì)量更高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大，能夠大幅節(jié)省電纜和減少安裝費用，添加或刪除現(xiàn)場設(shè)備更加容易。在煤礦通信網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場總線通常被用作骨干網(wǎng)絡(luò)的分支，而骨干網(wǎng)絡(luò)則采用既能滿足現(xiàn)場需求，又與辦公網(wǎng)絡(luò)一脈相承的工業(yè)以太網(wǎng)。

要將以太網(wǎng)用于煤礦領(lǐng)域，重點是解決以太網(wǎng)的不確定性和非實時性問題[12-13]。以太網(wǎng)的 MAC（media access control）層采用了CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection）協(xié)議，其發(fā)前偵聽機制雖可降低沖突發(fā)生概率，但是難以做到完全避免。一旦檢測到?jīng)_突，網(wǎng)絡(luò)中所有站點必須隨機退避一段時間后方可嘗試再次發(fā)送。因此，數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否會發(fā)生沖突無法預(yù)測，發(fā)生沖突后等待多長時間才能重發(fā)無法預(yù)知，數(shù)據(jù)最終能否傳輸成功沒有保證。因此，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸不但是非實時的，而且具有相當(dāng)大的不確定性，這對需要實時監(jiān)控的煤礦生產(chǎn)和應(yīng)急救援而言是致命的。針對這一問題，工業(yè)以太網(wǎng)多從抑制沖突、降低沖突概率，或以確定方式解決沖突等方面入手加以解決。

很多現(xiàn)場總線協(xié)議不能提供額外時間保證，即使能提供也很有限，比如Ehernet/IP、Modbus TCP、Modbus RTPS、Profinet CBA和Profinet I/O。有些協(xié)議使用了額外的層，比如 EPL（ethernet power link）、EPA（ethernet for plant automation）、P-Net on IP、VNET/IP和TCnet。EPA采用了基于固定周期的TDMA（time division multiple access）策略，它拋棄了效率較低的輪詢機制，節(jié)點之間的同步通過IEEE 1588協(xié)議實現(xiàn)。Profinet I/O解決了自動化設(shè)備的遠程輸入/輸出（I/O, input/output）問題，所有自動化設(shè)備和I/O設(shè)備之間的信息交換是周期性的。Profinet IRT添加了同步傳輸，每個節(jié)點連接到一個專門設(shè)計的交換機，在傳輸同步數(shù)據(jù)的時候，其他數(shù)據(jù)會被交換機阻塞。此外，該交換機也具有直通功能和數(shù)據(jù)優(yōu)先級功能，從而使同步數(shù)據(jù)的抖動較小，同時極大地降低了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的時延。

由于具有上述優(yōu)勢，Profinet在煤礦行業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用非常廣泛[14]，用以無縫整合現(xiàn)有各個子系統(tǒng)[15]，如礦井提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等，實現(xiàn)整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的統(tǒng)計監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和管控一體化。ControlNet及我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EPA也有一定應(yīng)用[16-17]。主干網(wǎng)通過工業(yè)級交換機為全礦地面及井下各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口，如果在使用過程中光纖網(wǎng)絡(luò)在某點斷開，網(wǎng)絡(luò)也能照常工作，而且系統(tǒng)能及時診斷出故障點以便維修。敷設(shè)光纜根據(jù)環(huán)網(wǎng)需求和冗余性選用單模阻燃光纜。需要注意的是，為了保證調(diào)度的可靠性，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)必須專線專用，不能接入骨干網(wǎng)絡(luò)；礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)不能和圖像監(jiān)視系統(tǒng)共用同一芯光纖。

3.2 TTA煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)

礦井無線通信系統(tǒng)具有不同于地面系統(tǒng)的一些特殊要求[18]，比如設(shè)備必須防爆、抗衰落、抗干擾能力強，體積不能太大、發(fā)射功率要小，并且要具有較強的防塵、防水、防潮、防腐、耐機械沖擊等性能。目前，可用于煤礦的無線通信技術(shù)較多[19]，如蜂窩通信（井下小靈通/3G/4G/5G）、Wi-Fi、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor networks）、可見光通信（VLC，visible light communication）、RFID（radio frequency identification）、UWB（ultra wide band）等，本文重點介紹在礦井中廣泛使用的Wi-Fi、WSN和具有極大應(yīng)用潛力的UWB和VLC技術(shù)。

3.2.1 礦用Wi-Fi

基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率較高，已成為井下主流無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有力競爭者。從1999年發(fā)布Wi-Fi 1和Wi-Fi 2所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11b和 IEEE 802.11a，到 2018年 10月發(fā)布Wi-Fi 5標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac[20]，Wi-Fi技術(shù)已經(jīng)非常成熟。最新的Wi-Fi 6增強了稠密和擁擠（即大量用戶同時訪問）情況下的性能，能量效率和頻譜利用率更高。IEEE 802.11通過點協(xié)調(diào)功能（PCF,point coordination function）管理信道接入[21]，來處理對傳輸時間要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)的沖突和退避。混合式協(xié)調(diào)功能（HCF, hybrid coordination function）對PCF進行了擴展，以支持參數(shù)化數(shù)據(jù)流，這與實際的傳輸調(diào)度更為接近。

礦用 Wi-Fi無線通信統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單[22]，支持TCP/IP協(xié)議，擴展性好，方便與基于工業(yè)以太網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)互連互通，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和圖像的綜合傳輸。同時，礦用Wi-Fi系統(tǒng)也支持Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠開發(fā)出強插、強接、群呼、錄音、脫網(wǎng)通信等功能，并可通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與調(diào)度通信系統(tǒng)的無縫連接，實現(xiàn)礦井的移動語音調(diào)度。此外，通過對調(diào)度平臺、AP（access point）、終端設(shè)備的集成優(yōu)化，可在一定程度上克服跨AP通話時可能出現(xiàn)的無線信道帶寬不穩(wěn)定、語音通話時延較大、斷話等方面的缺陷。

當(dāng)井下AP與地面交換機之間的連接線纜中斷時，基站服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動電話仍然可以通話，因此抗故障能力強。為了讓W(xué)i-Fi組網(wǎng)更加靈活，Wi-Fi聯(lián)盟在2010年發(fā)布了Wi-Fi Direct，該網(wǎng)絡(luò)中沒有處于主導(dǎo)地位的 AP，各個移動站處于平等地位，相互之間可以自組成網(wǎng)，特別適合應(yīng)用在無法部署線纜的災(zāi)害救援場景中。

圖2 煤礦工作面WSN與Wi-Fi的混合部署

3.2.2 礦用WSN

WSN由分布式的自治節(jié)點構(gòu)成[23]，這些節(jié)點具有低功耗、可編程、多參數(shù)感知、組網(wǎng)簡單靈活等特點[24]，對網(wǎng)絡(luò)故障和節(jié)點移動具有較強的適應(yīng)能力，在進行事故救援時的應(yīng)急通信組網(wǎng)中具有較大優(yōu)勢。礦用 WSN的核心功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并具有一定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，但是大量數(shù)據(jù)的傳輸仍然需要借助有線網(wǎng)絡(luò)或 Wi-Fi等無線網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，因此WSN節(jié)點一般部署于無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)接口的周圍。前面已經(jīng)述及，礦井有線網(wǎng)絡(luò)一般采用工業(yè)以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線，而無線/有線網(wǎng)絡(luò)的接口位置往往由有線網(wǎng)絡(luò)決定[25]，因此需要通過研制合適的節(jié)點部署策略，礦用 WSN以便適應(yīng)有線網(wǎng)絡(luò)接口位置，使覆蓋度和感知效率滿足使用需求。

礦用WSN節(jié)點可分成3種類型，即傳感節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)作節(jié)點[9]，其中，傳感節(jié)點負責(zé)采集感興趣的礦井現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將感知結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點；路由節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)關(guān)；協(xié)作節(jié)點通過協(xié)同的方式為別的節(jié)點提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，它可以是路由節(jié)點，也可以是傳感節(jié)點。為了滿足礦井 WSN節(jié)點的感知需求，WSN節(jié)點宜采用MEMS（microelectro mechanical system）等新興技術(shù)，克服傳統(tǒng)催化式礦用傳感器的缺陷，如催化中毒導(dǎo)致感知結(jié)果誤差嚴(yán)重、耗電過快導(dǎo)致監(jiān)測空洞等問題。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，WSN節(jié)點應(yīng)具有較強的自適應(yīng)組網(wǎng)能力和重構(gòu)能力，以適應(yīng)煤礦巷道通信信道復(fù)雜多變的特點，并提高應(yīng)急情況下網(wǎng)絡(luò)損毀后的快速自愈能力。

3.2.3 礦用UWB

UWB的強穿透力對于救災(zāi)救援信號的傳輸十分有利。由于 UWB采用了持續(xù)時間極短、占空比極低的窄脈沖信號[18]，因此通過多徑信道后的直射波、反射波或折射波不易重疊，接收機在接收的時候容易分辨出不同路徑的信號，有助于降低煤礦巷道中強多徑效應(yīng)的影響。UWB信號占用的頻段極寬（3.1～10.6 GHz），與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)所使用的頻帶存在重疊，因此必須限制其發(fā)送功率，以免對現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)造成干擾，這導(dǎo)致其最大傳輸距離僅為10 m左右。不過，煤礦井下不存在地面那樣眾多的無線通信系統(tǒng)[26]，不用過于考慮對其他無線通信系統(tǒng)的干擾，因此可以適度增大發(fā)射功率以提高傳輸距離，使UWB的傳輸距離達到200 m甚至更遠。在保持發(fā)射功率不變的情況下，降低數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以達到提高傳輸距離的目的。

在礦井中，可將UWB作為WSN的物理層技術(shù)，從而充分利用WSN和UWB的優(yōu)勢。一方面，WSN具有分布式、自組織、頑健棒性高、擴展性好等優(yōu)勢，可以動態(tài)組網(wǎng)以便采集和傳輸數(shù)據(jù)。另一方面，UWB具有功耗低、速率高、抗干擾和抗多徑能力強、定位精度高等優(yōu)勢，適合在礦井復(fù)雜多變的環(huán)境中實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)通信，并提供基于位置的服務(wù)。因此，結(jié)合WSN和UWB的優(yōu)勢，構(gòu)建基于UWB的礦用WSN，可以顯著提高WSN的感知能力、通信距離和覆蓋范圍，增強網(wǎng)絡(luò)通信容量、傳輸速率和可靠性，提高測距和定位精度，這對應(yīng)急救援是非常有利的。

在工作面使用的時候，UWB調(diào)制方式宜采用BPM（bi-phase modulation）[27]，因為在信息源的“0”和“1”碼元概率相等時沒有離線譜線，即使碼元概率不相等，它的離線譜線也很少，這對低功耗WSN而言非常有價值。發(fā)送符號可采用二階高斯波形，接收端采用非相干接收方式，以降低接收機結(jié)構(gòu)?；赨WB的WSN已在礦井多媒體信息傳輸[28]、移動目標(biāo)定位[29]等方面得到了廣泛應(yīng)用，并在礦井災(zāi)后塌方體成像[30]、塌方體下生命特征檢測[31]等方面取得一定研究成果，不過仍然需要針對煤礦巷道特點，大力研究普適性強的煤礦巷道UWB信號信道傳輸模型、適合于礦井環(huán)境的UWB調(diào)制方法、UWB信號壓縮感知方法，以及UWB與其他無線技術(shù)融合使用方法等關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.4 礦用VLC

LED（light emitting diode）燈具有光轉(zhuǎn)化效率高、壽命長、發(fā)熱率低[32]等特點，并且可以快速切換光強，這種切換的速度極快以致肉眼無法察覺，因此可以用于調(diào)制并傳輸數(shù)據(jù)。在煤礦巷道特別是煤礦工作面使用VLC具有得天獨厚的優(yōu)勢：首先，煤礦巷道中本來就有照明燈具，因此不需要專門為VLC系統(tǒng)大幅追加投資；其次，煤礦巷道不但沒有太陽光等強背景噪聲干擾，而且黑色的煤壁對可見光的反射能力很弱，因此通信比較穩(wěn)定可靠。此外，VLC所使用的帶寬極高，因此擁有更大的信道容量和更高的傳輸速度。

以煤礦工作面為例[34]，在液壓支架頂部安裝LED照明燈具，這些燈具兼做傳輸語音、視頻、數(shù)據(jù)等信息的光源基站，而位于巷道內(nèi)的礦工是煤礦VLC系統(tǒng)的移動節(jié)點，如圖3所示[33]。除了照明燈基站和移動節(jié)點外，構(gòu)成工作面VLC系統(tǒng)的設(shè)備還包括照明用電力電纜和綜保電力載波裝置。照明用電力電纜為工作面原有的127 V低壓照明電纜，照明燈基站和綜保電力載波均連接在照明用電力電纜上。因此，煤礦工作面VLC系統(tǒng)真正的可見光通信部分其實是移動節(jié)點與照明燈基站部分，它們之間實現(xiàn)了雙向無線移動通信，而綜保電力載波與井下環(huán)網(wǎng)交換機或分支交換機連接，將煤礦工作面的數(shù)據(jù)經(jīng)由有線骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛?。然而，在發(fā)生礦井事故時，照明燈基站由于供電中斷而無法繼續(xù)工作，因此應(yīng)大力研究LED光源部署優(yōu)化技術(shù)、LED燈之間的無線自組網(wǎng)技術(shù)和煤礦VLC系統(tǒng)多用戶技術(shù)，實現(xiàn)救援人員、被困人員等對象之間的自組成網(wǎng)。

圖3 工作面可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 TTE煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)

TTE通信是一種有力的礦井事故應(yīng)急救援通信手段[6]，以大地作為媒介傳播極低頻信號[35]，主要有磁感應(yīng)、地電極和彈性波3種傳輸方式，其中，磁感應(yīng)方式使用得最普遍，彈性波和地電極方式在低頻段依賴于地層傳播[36]，因此受地層特性影響很大，應(yīng)用于中間煤層和采空層時會嚴(yán)重影響信號強度。磁感應(yīng)方式則是通過天線輻射進行低頻電磁波傳輸，由于不同地層和空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率基本相同，不存在層面反射問題，因此通信過程受到大地介質(zhì)和地層結(jié)構(gòu)影響較小。另外，地電極和磁感應(yīng)這2種方式是近場通信，不存在多徑效應(yīng)，而彈性波方式存在多徑效應(yīng)和衰落現(xiàn)象。從能量利用效率的角度而言，地電極方式在低頻段的能量效率要顯著高于磁感應(yīng)方式，而彈性波方式的能量效率最差。

為了實現(xiàn)礦井磁感應(yīng)TTE通信，需在地面和井下分別架設(shè)閉合線圈天線作為發(fā)射裝置和接收裝置，通過改變發(fā)射線圈中的電流產(chǎn)生時變電場，引起接收線圈所包圍的有效面積的磁通量變化，從而在接收線圈導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如圖4所示[37]。為了提高發(fā)射線圈的磁場強度，要求發(fā)射回路和接收回路中的電容、線圈電感和工作頻率滿足共振條件。這種通信方式的最大缺陷是發(fā)射天線太大，給在空間有限的煤礦巷道中部署和使用帶來了很大不便。

位于煤礦井下的透地通信設(shè)備可以放置于礦工腰間，由電池供電。該設(shè)備可以作為一個信標(biāo)，當(dāng)災(zāi)害導(dǎo)致頂板垮落使某個區(qū)域無法到達時，用以輔助確定受困礦工位置并與其通信。地面的敏感接收裝置接收受困礦工發(fā)出的周期性窄帶信令脈沖，并對信號源進行定位，從而確定受困礦工位置。一旦確定位置，就在受困礦工上方的地面部署一個大尺寸的發(fā)射裝置，建立地面與受困礦工的直接語音通信。

圖4 磁感應(yīng)TTE信號傳輸原理

若采用基于振動的彈性波方式，則可用多個子陣列（而不是由多個單獨的地震檢波器）組成的一個陣列來接收振動信號，因為子陣列方式的SNR（signal to noise ratio）更高。在發(fā)生礦難時，若某礦工的所有可能逃生路徑都被切斷，則該礦工按照如下方式與地面建立聯(lián)系：1) 戴上有害氣體防護面罩，在受困位置等待地面信號；2) 地面人員引爆3個射孔彈；3) 當(dāng)?shù)V工聽到3次射孔彈聲音之后，就用硬物敲打礦井較硬的區(qū)域若干次；4) 如果聽到來自地面的聲音回應(yīng)，便可確定自己的敲擊信號已被地面收到，若沒有接收到地面的響應(yīng)，需每隔一段時間（比如15 min）重復(fù)敲擊動作。

3.4 TTW-TTA混合技術(shù)

某些礦井通信技術(shù)不是單純采用 TTW 或TTA，而是結(jié)合了二者的優(yōu)勢，比如中頻感應(yīng)通信和漏泄通信就是其中的典型代表。中頻感應(yīng)通信利用礦井巷道敷設(shè)的導(dǎo)線、金屬管道等導(dǎo)體對電磁波的導(dǎo)行作用傳輸信息[38]，這對于礦井應(yīng)急通信具有一定吸引力，因為礦井巷道中廣泛存在金屬導(dǎo)線和金屬管道。漏泄通信通過在同軸電纜上開孔或開槽的方式[39]，使信號在沿著同軸電纜傳播的同時，也能向電纜周圍產(chǎn)生漏泄場強而實現(xiàn)無線通信功能。由于篇幅所限，這里僅討論漏泄通信方式。

漏泄通信主要由漏泄電纜、功分器、雙向中繼器等組成，其中，漏泄電纜（如圖5所示）是其核心組成部分[40]。漏泄電纜是一種具有規(guī)律性開槽或開孔結(jié)構(gòu)的同軸電纜，兼具信號傳輸線和發(fā)射天線的特性。按照開孔形式的不同，可將漏泄電纜分成耦合型和輻射型2種，前者只適合短距離通信，應(yīng)用于煤礦的漏泄通信一般采用后者。當(dāng)電磁波沿著電纜傳輸?shù)臅r候，從開孔輻射到周圍空間，通過而產(chǎn)生漏泄場，使移動終端獲取到信號能量，實現(xiàn)與地面基站的通信。同時，也可將井下信號耦合到漏泄電纜中，將其傳輸?shù)降孛婊蚓缕渌胤?，從而實現(xiàn)雙向通信。漏泄通信不受環(huán)境影響，組網(wǎng)能力強、可靠性高、傳輸距離遠，可以覆蓋到包括豎井井筒、斜井巷道在內(nèi)的需要無線通信的礦井區(qū)域，用于傳遞語音數(shù)據(jù)、打點信號等。

針對傳統(tǒng)的漏泄通信系統(tǒng)存在的無線覆蓋面積不大、傳輸帶寬不高的問題，人們提出了一些改進型的方法和產(chǎn)品。一種方法是利用漏泄波導(dǎo)代替漏泄電纜[41]，因為漏泄波導(dǎo)工作在2～6 GHz頻段，其衰減僅為漏泄電纜的一半左右，所以中繼器的部署密度可從600 m提高到1 500 m，覆蓋優(yōu)勢明顯。此外，漏泄波導(dǎo)所能提供的帶寬也遠遠大于傳統(tǒng)的漏泄電纜，并且結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在礦難時不易斷裂，抗毀能力更強。另一種方法是在線纜中集成微型基站[42]，將射頻單元、基帶處理單元、天饋系統(tǒng)及傳輸線、電源線等全部匯集到一條線纜內(nèi)，根據(jù)集成的微型基站的不同，該漏泄通信可以與WSN或Wi-Fi兼容，從而擴大了漏泄電纜的覆蓋范圍和傳輸帶寬。

3.5 現(xiàn)有煤礦應(yīng)急通信面臨的挑戰(zhàn)

煤礦事故會導(dǎo)致有線通信線纜被砸斷、設(shè)備損毀或供電中斷，因而骨干網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)和廣播通信系統(tǒng)都無法確保事故區(qū)域的通信聯(lián)絡(luò)[43]。將電纜埋入底板雖可以一定程度上抵御煤塊砸壓的影響，但在礦壓和底鼓嚴(yán)重的情況下電纜依然會折斷。透地通信雖然受到事故的影響較小，但是天線太大，鋪設(shè)復(fù)雜，信道容量小，通信距離短。中頻感應(yīng)通信配備了特殊的感應(yīng)通信電纜，但是信道容量小，天線體積大，電磁干擾強。漏泄通信的地面站通常建立在控制室，雖然覆蓋范圍廣，但是抗干擾和移動能力較弱，不能完全滿足井下救援通信需要。Mesh技術(shù)雖然可以采用自組織的方式讓殘存節(jié)點自組成網(wǎng)[44]，但是如果節(jié)點連片被毀（比如爆炸事故），也無法保證通信?；阡撥壍膽?yīng)急通信系統(tǒng)利用振動信號在固體媒介中的傳播特性傳輸信號[45]，但是傳輸?shù)男畔⒘枯^小，覆蓋范圍受限。雖然有文獻針對救援網(wǎng)絡(luò)信道容量不足、傳輸干擾嚴(yán)重的問題展開研究[46]，但前提是需要有可用的災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)。另外，也有學(xué)者提出將井下擴播電話、井下小靈通、Wi-Fi手機、調(diào)度電話、井下廣播系統(tǒng)等通過網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器互聯(lián)起來[47]，以增加覆蓋范圍和可靠度，但是這種互聯(lián)并不能解決通信系統(tǒng)本身的損毀問題。其他無線通信方式，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可見光通信、RFID等，都會由于設(shè)備在事故中損毀而無法組網(wǎng)。

圖5 漏泄同軸電纜的原理示意

不過，煤礦事故并不會造成有線網(wǎng)絡(luò)全部被毀。如前文所述，礦井骨干網(wǎng)絡(luò)多采用千兆甚至萬兆工業(yè)以太網(wǎng)，與地面連通可通過2個井筒，也可通過單個井筒。以2個井筒為例，如圖6所示，事故雖然會造成井下交換機A和交換機B之間的線纜中斷，但是網(wǎng)絡(luò)的其他部分依然可以繼續(xù)工作，這稱為災(zāi)后可用有線網(wǎng)絡(luò)。有鑒于此，Novak等[48]提出了基于漏泄通信的災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)，將圖6中的骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為漏泄通信電纜，交換機A可以通過災(zāi)后可用有線網(wǎng)絡(luò)和地面進行通信，進而與交換機B實現(xiàn)互聯(lián)。實際上，骨干網(wǎng)絡(luò)為其他線纜類型與此類似。此外，除了有線網(wǎng)絡(luò)之外，包括事故區(qū)域在內(nèi)的煤礦巷道內(nèi)還部署有數(shù)量眾多的煤礦物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，它們可能是感知節(jié)點，也可能是通信節(jié)點。

圖6 煤礦環(huán)形骨干網(wǎng)絡(luò)

不失一般性，將與事故區(qū)域最近的交換機（如圖6中的交換機A）相連的尚未損毀的節(jié)點稱為救援網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。顯然，事故區(qū)域的殘存節(jié)點若能實現(xiàn)災(zāi)后重構(gòu)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，便能利用災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對事故區(qū)域進行態(tài)勢感知和通信聯(lián)絡(luò)。因此，救援所需的通信聯(lián)絡(luò)和態(tài)勢感知問題可以歸結(jié)為事故區(qū)域的煤礦物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)后重構(gòu)感知問題。

目前，煤礦通信網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)后重構(gòu)感知研究明顯不足。Sun等[49]研究了救援場景的礦井鏈狀A(yù)d Hoc模型，其基本假設(shè)是機器人在巷道中移動采集信息，并通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲倏刂行?。針對煤礦災(zāi)后井下可用Wi-Fi AP變少的問題，張國鵬等[50]提出了基于Wi-Fi Direct的拓撲重構(gòu)方案，以區(qū)分服務(wù)的方式優(yōu)先上行傳輸關(guān)鍵的災(zāi)后信息，以無線多播的方式下行傳輸救援指令等數(shù)據(jù)。Liao等[51]提出由救援隊和被困人員同時向中間努力，縮短被困人員的受困時間，礦工攜帶一個裝有移動代理的RFID標(biāo)簽，用于確定緊急情況下應(yīng)該采取的策略。張玉等[52]研究了井下應(yīng)急救援無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓撲規(guī)劃與資源配置問題，以解決網(wǎng)關(guān)瓶頸、突發(fā)單點故障等問題。黃志凌[53]研究了基于鉆孔的逃生救援系統(tǒng)，探討了鉆孔的基礎(chǔ)參數(shù)及其影響因素。

4 煤礦應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

本節(jié)在煤礦應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上探討其發(fā)展趨勢，進而引出一種新的基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)的應(yīng)急通信新模式。

4.1 3個典型發(fā)展趨勢

隨著新技術(shù)的蓬勃發(fā)展和不同技術(shù)的交叉融合，煤礦應(yīng)急通信技術(shù)呈現(xiàn)出的典型發(fā)展趨勢如圖7所示，具體介紹如下。

圖7 煤礦應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

1) 以物聯(lián)網(wǎng)為架構(gòu)平臺，充分融合現(xiàn)有井上下通信資源，形成覆蓋全礦井的煤礦安全生產(chǎn)和應(yīng)急救援的一張大網(wǎng)，融入大網(wǎng)中的資源具有較強的災(zāi)后互識能力和按需重構(gòu)能力，具體介紹見4.2節(jié)和4.3節(jié)。

2) 大力發(fā)展穿巖通信技術(shù)，通過巖石、土壤等媒介直接傳遞求救和救援信號，突破有線線纜和無線節(jié)點大面積損毀導(dǎo)致的通信難題，這在“十二五”和“十三五”期間均有國家層面的科技攻關(guān)計劃支持，如中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的孫繼平教授主持的“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“煤礦重特大事故應(yīng)急處置與救援技術(shù)研究”。

3) 與云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)融合，構(gòu)建空天地井一體化的新興救援方式，不過這種救援方式的前提是要有煤礦應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)提供救援現(xiàn)場的一手信息，是在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的應(yīng)用擴展，因此本文不再論述。

4.2 基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)的應(yīng)急通信模式

本節(jié)重點討論發(fā)展趨勢 1，并提出一種基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)的應(yīng)急通信新模式。煤礦物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)煤礦信息感知、傳輸和應(yīng)用的信息基礎(chǔ)架構(gòu)。由于絕大多數(shù)感知節(jié)點同時具有通信能力，從通信組網(wǎng)的角度而言，可以不加區(qū)分地將感知節(jié)點與通信節(jié)點統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。煤礦事故發(fā)生后，若能盡快利用災(zāi)后殘存的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點（簡稱為殘存節(jié)點）、井下備用通信設(shè)施（簡稱為備用節(jié)點）重構(gòu)事故區(qū)域煤礦物聯(lián)網(wǎng)，將有望重新建立起事故現(xiàn)場與地面指揮中心的通信聯(lián)系，在專業(yè)救援人員到達事故礦井前或井下巷道暫時不適合救援人員進入的情況下，為初步了解現(xiàn)場態(tài)勢提供“盡力而為”的感知和通信服務(wù)。在救援人員進行災(zāi)區(qū)探測和救援時，可以攜帶一定數(shù)量的臨時通信節(jié)點（簡稱為臨時節(jié)點，如圖8所示）并放置于巷道交叉口或節(jié)點損毀嚴(yán)重區(qū)域。此外，救援人員、救災(zāi)機器人、救災(zāi)設(shè)施等都可攜帶或安裝通信終端，他們具有移動能力，可作為重構(gòu)組網(wǎng)的移動節(jié)點，用以增加組網(wǎng)節(jié)點數(shù)量，提高組網(wǎng)成功率和連通度。加入移動節(jié)點后，即使有少部分區(qū)域無法連通，也可利用移動節(jié)點的移動，為這些不連通區(qū)域提供機會連通路徑，實現(xiàn)機會組網(wǎng)。

圖8 煤礦事故后的應(yīng)急救援場景

方便起見，將救援人員和救災(zāi)機器人在地面救援指揮中心的指揮下開展救援工作的巷道稱為救援巷道，被困人員所處的巷道稱為被困巷道，救援巷道和被困巷道統(tǒng)稱事故區(qū)域。此外，將只由殘存節(jié)點和備用節(jié)點進行的重構(gòu)稱為基本型災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，簡稱為基本型重構(gòu)，重構(gòu)得到的網(wǎng)絡(luò)稱為基本型災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；而將在基本型重構(gòu)基礎(chǔ)上加入臨時節(jié)點、移動節(jié)點后的重構(gòu)稱為增強型災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，簡稱為增強型重構(gòu)，重構(gòu)得到的網(wǎng)絡(luò)稱為增強型災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)?；拘蜑?zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和增強型災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。臨時節(jié)點和移動節(jié)點增加了事故區(qū)域節(jié)點數(shù)量，從而增大了組網(wǎng)成功率和網(wǎng)絡(luò)連通度。此外，移動節(jié)點可在少部分不連通區(qū)域間充當(dāng)數(shù)據(jù)使者，為不連通區(qū)域提供機會鏈路，因此，增強型重構(gòu)有望大幅提高重構(gòu)的成功率和可靠度。為了增強移動節(jié)點能力，可為部分救援人員或救災(zāi)機器人配備或安裝便攜激光雷達，稱為增強型移動節(jié)點。鑒于激光雷達已實現(xiàn)了微型化和廉價化，為救援人員或救災(zāi)機器人配備或安裝激光雷達沒有任何技術(shù)性或?qū)嵺`性的困難。

在實際救援中，地面救援指揮中心根據(jù)救援需要產(chǎn)生感知需求，由應(yīng)急救援決策系統(tǒng)抽取出感知需求特征，并利用感知節(jié)點可理解的語言進行描述，如圖9所示。感知需求通過井上網(wǎng)絡(luò)和災(zāi)后可用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄仍W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，進而通過災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將感知需求傳輸?shù)绞鹿蕝^(qū)域，調(diào)度事故區(qū)域的殘存感知節(jié)點實施協(xié)同感知。協(xié)同感知結(jié)果通過災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、災(zāi)后可用有線網(wǎng)絡(luò)、井上網(wǎng)絡(luò)等傳輸?shù)降孛婢仍笓]中心，供救援指揮人員進行救援決策。救援決策命令按照與感知需求相似的傳輸路徑傳輸給井下救援人員、救災(zāi)機器人和被困人員。

圖9 面向事故救援的煤礦物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)后重構(gòu)與態(tài)勢感知

4.3 煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

確定被困人員位置是災(zāi)區(qū)偵察和事故救援的第一要務(wù)，只有確定了被困人員的準(zhǔn)確位置，才能有的放矢地開展救援工作。此外，在災(zāi)區(qū)偵察和事故救援過程中，迫切需要建立救援人員和地面救援指揮中心的通信聯(lián)系，幫助救援指揮人員掌握現(xiàn)場態(tài)勢，這些需求均可通過基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)的應(yīng)急通信模式加以解決。為了實現(xiàn)煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)和現(xiàn)場態(tài)勢感知，必須攻克如下4項關(guān)鍵技術(shù)：煤礦物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)后重構(gòu)策略、礦井事故漂移節(jié)點重定位方法、礦井事故區(qū)域的態(tài)勢感知方法和災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法。

4.3.1 煤礦物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)后重構(gòu)策略

確定事故區(qū)域還有哪些殘存節(jié)點可用是實現(xiàn)煤礦物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)后重構(gòu)的一個基本前提。此外，如果損毀節(jié)點太多，僅僅使用殘存節(jié)點和備用節(jié)點的基本型重構(gòu)難以保證組網(wǎng)成功，此時應(yīng)讓臨時節(jié)點及參與救援的移動節(jié)點（如被困人員、救援人員、救災(zāi)機器人、救災(zāi)設(shè)施等）也參與組網(wǎng)，利用機會通信的思想進行增強型重構(gòu)[54]。目前，有關(guān)機會通信的研究主要集中在地面場景，礦井中的機會通信研究成果極少。Luo等[55]將煤礦巷道中的機車作為移動sink節(jié)點，它在巷道中按照既定路線運動，直接收集傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)，不過沒有考慮救災(zāi)場景中機車可能無法移動、數(shù)據(jù)傳輸時延不能太大等問題。鄒艷芳等[56]提出了一種基于終端屬性的礦井機會網(wǎng)絡(luò)分組轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，該協(xié)議以終端時延、與目的節(jié)點相遇概率、擴散范圍等3個屬性作為轉(zhuǎn)發(fā)指標(biāo)，主要聚焦于正常生產(chǎn)情況下的煤礦巷道，沒有考慮災(zāi)后情況下的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題。

煤礦事故救援場景下，將鄰居節(jié)點緩存起來的傳統(tǒng)方法發(fā)現(xiàn)殘存節(jié)點不再可行，因為災(zāi)后煤礦巷道的許多節(jié)點都處于運動或準(zhǔn)運動狀態(tài)，緩存中的節(jié)點信息無法反映事故區(qū)域的最新拓撲結(jié)構(gòu)。此時，宜綜合利用同步發(fā)現(xiàn)和異步發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢，通過殘存節(jié)點顯式或隱式的周期性發(fā)送鄰居探測包的方法實現(xiàn)，如圖10所示。此外，需動態(tài)建立事故區(qū)域的信道質(zhì)量模型，據(jù)此設(shè)計在線鏈路質(zhì)量估計算法，根據(jù)測得的鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)動態(tài)確定節(jié)點的最佳通信參數(shù)，調(diào)度殘存節(jié)點和備用節(jié)點按照最佳通信參數(shù)進行重配，實現(xiàn)節(jié)點之間的互聯(lián)互通，達到災(zāi)后重構(gòu)的目的。救援人員進入事故區(qū)域開展探測和救援工作后，事故區(qū)域內(nèi)將具有實施增強型重構(gòu)所需的移動節(jié)點和臨時節(jié)點，這將增加組網(wǎng)節(jié)點數(shù)量，提高組網(wǎng)成功率和網(wǎng)絡(luò)連通度。如果仍然有少部分區(qū)域無法連通，可進一步設(shè)計移動節(jié)點主動調(diào)度算法，或被動利用節(jié)點的自主性移動，實現(xiàn)不連通區(qū)域的機會組網(wǎng)，進而實現(xiàn)事故區(qū)域全覆蓋。

4.3.2 礦井事故漂移節(jié)點重定位方法

在進行礦井事故救援時，救援人員必須掌握事故發(fā)生在哪里、受影響的巷道有哪些、被困人員在何處等與位置有關(guān)的重要問題。在正常生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)感知節(jié)點部署后就不再移動，其位置就是安裝位置[57]，礦井內(nèi)的移動對象（比如礦工、移動設(shè)備等）則依賴于礦井動目標(biāo)定位系統(tǒng)實時獲得自身位置。因此，無論是固定節(jié)點還是移動節(jié)點，它們在正常情況下的位置都可準(zhǔn)確獲得。然而，一旦發(fā)生煤礦事故，這些節(jié)點皆有可能受事故影響而被動偏離原來位置，即發(fā)生節(jié)點漂移。節(jié)點漂移一方面會造成節(jié)點自身的坐標(biāo)位置變成未知量，另一方面也將造成以它為基準(zhǔn)進行定位的節(jié)點無法獲知參考位置而定位失敗，因此，如何對漂移節(jié)點進行重定位是實施針對性事故救援必須要解決的基礎(chǔ)性難題。盡管目前已有零星的重定位研究成果，但是這些方法不能解決煤礦井下，特別是礦井災(zāi)后救援場景面臨的特殊難題。

圖10 煤礦物聯(lián)網(wǎng)災(zāi)后重構(gòu)

圖11 礦井事故漂移節(jié)點重定位

不過，事故區(qū)域的節(jié)點位置雖然是未知量，但是利用被動定位技術(shù)可粗略地確定它們之間的相對空間關(guān)系。另外，考慮到激光雷達的小型化和低廉價格，可為部分救援人員或救災(zāi)機器人配備激光雷達，利用RSSI（received signal strength indication）數(shù)據(jù)和SLAM（simultaneous location and mapping）技術(shù)繪制事故區(qū)域無線信號強度地圖，進而確定節(jié)點的相對空間位置，如圖11所示。由于臨時節(jié)點、救援網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等節(jié)點的絕對坐標(biāo)是已知的，以它們的坐標(biāo)為基準(zhǔn)對相對定位結(jié)果實施坐標(biāo)變換，可得到殘存節(jié)點絕對坐標(biāo)。另外，地面煤礦物聯(lián)網(wǎng)平臺存儲有井下所有節(jié)點的初裝位置，通過將初裝位置與變換得到的絕對坐標(biāo)比較，即可判斷是否漂移，從而選擇出沒有發(fā)生漂移和漂移程度較小的節(jié)點作為重定位信標(biāo)。與傳統(tǒng)的礦井定位系統(tǒng)自成體系不同，這里選擇的重定位信標(biāo)節(jié)點不但可以是原礦井定位系統(tǒng)的信標(biāo)節(jié)點，也可以是災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點和通信節(jié)點，因此大大增加了候選信標(biāo)節(jié)點數(shù)量。基于所選擇的重定位信標(biāo)，利用現(xiàn)有的礦井定位方法便能實現(xiàn)漂移節(jié)點的重定位。

4.3.3 礦井事故區(qū)域的態(tài)勢感知方法

現(xiàn)有的零星煤礦網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)研究很少關(guān)注救援所需的態(tài)勢感知問題，這與傳統(tǒng)的煤礦通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施僅有通信能力而沒有感知能力有關(guān)。煤礦物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點兼具通信和感知能力，有望在煤礦事故后實現(xiàn)重構(gòu)和感知并重。但是，礦井災(zāi)后候選感知節(jié)點選擇、節(jié)點資源分配策略與正常情況下的煤礦物聯(lián)網(wǎng)有著極大差異[58]，必須根據(jù)救援需要按需規(guī)劃和動態(tài)調(diào)整。此外，可依據(jù)感知到的場景信息（如位置、溫度、風(fēng)速、礦工生命體征等）建立場景信息模型[59]，進行場景信息推理，從而為事故救援服務(wù)。虛擬網(wǎng)絡(luò)映射技術(shù)雖然可將物理資源按照約束條件分配給虛擬網(wǎng)絡(luò)[60]，但是虛擬網(wǎng)絡(luò)映射研究的是如何將一個已知拓撲的虛擬網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和鏈路映射到實際的物理節(jié)點和物理鏈路上，而災(zāi)后救援的關(guān)注點則是如何根據(jù)救援需求對殘存感知節(jié)點進行動態(tài)調(diào)度，無論假設(shè)物理節(jié)點或虛擬節(jié)點已知都不再恰當(dāng)，需要結(jié)合節(jié)點認知及其動態(tài)變化過程進行仔細優(yōu)化。

事故現(xiàn)場態(tài)勢感知的關(guān)鍵是如何調(diào)度災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的殘存感知節(jié)點實施協(xié)同感知，這可根據(jù)分布式漸進層次演化圖思想（如圖12所示），將殘存感知節(jié)點調(diào)度過程視為在感知需求約束下與基本重構(gòu)圖或增強重構(gòu)圖匹配的過程。求解該匹配問題，即可得到滿足感知需求的子圖，即節(jié)點調(diào)度結(jié)果。當(dāng)?shù)孛婢仍笓]中心的感知需求發(fā)生變化時，可以再次執(zhí)行基于圖匹配的殘存感知節(jié)點調(diào)度算法，不過這將消耗較多的災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源，而這些資源對于本就比較脆弱的災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而言十分珍貴。也可將殘存感知節(jié)點調(diào)度算法設(shè)計為在線調(diào)度，但這將對災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)成更大的考驗。因此，為了降低殘存感知節(jié)點的能量消耗，應(yīng)盡量避免執(zhí)行全新的節(jié)點調(diào)度，而應(yīng)在保持當(dāng)前調(diào)度結(jié)果不變的情況下，通過調(diào)整節(jié)點感知參數(shù)、增減感知節(jié)點數(shù)量等方式實現(xiàn)感知任務(wù)的漸進式遷移。只有當(dāng)漸進式遷移無法滿足需求時，才再次執(zhí)行全新的節(jié)點調(diào)度。

4.3.4 災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法

實現(xiàn)災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的雙向數(shù)據(jù)傳輸，是掌握事故現(xiàn)場態(tài)勢、與事故現(xiàn)場進行溝通聯(lián)絡(luò)的內(nèi)在要求。由于救援網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)可視為災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一部分，同時救援網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)到地面間的災(zāi)后可用有線網(wǎng)絡(luò)不存在任何障礙，因此只要保證災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸通暢，即可實現(xiàn)地面和事故區(qū)域的信息互通。災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一個典型特征，是數(shù)據(jù)接收者具有明顯的地理位置特征，這為構(gòu)建災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的貪婪數(shù)據(jù)傳輸方法提供了條件，如圖13所示。而災(zāi)區(qū)探測和救援中的移動節(jié)點，一方面可以作為貪婪數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溥x中繼節(jié)點，用于提高災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞成功率，節(jié)省殘存節(jié)點的剩余能量；另一方面，這些移動節(jié)點還為構(gòu)建基于運動統(tǒng)計特征或相遇預(yù)測等方式的機會數(shù)據(jù)傳輸方法奠定了基礎(chǔ)。

圖12 礦井事故區(qū)域的態(tài)勢感知

目前，在地面場景的機會數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯砍晒^多，主要集中在對節(jié)點相遇間隔和持續(xù)時間的分析上，用于解釋節(jié)點相遇的概率分布（比如指數(shù)分布[61]、冪律分布[62]、具有指數(shù)截止的冪律分布[63]等）；或者建立網(wǎng)絡(luò)時序圖模型[64]，用于反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化過程和態(tài)勢；或者利用實驗數(shù)據(jù)研究機會網(wǎng)絡(luò)的消息傳遞路徑特性[65]，用于尋找節(jié)點之間的時間-空間相關(guān)性。不過，煤礦巷道的節(jié)點運動是作業(yè)人員驅(qū)動下的有目的性的運動，并且遵循特定的班組排班規(guī)律，已有運動模型并不適合，需要研究符合煤礦巷道特征的節(jié)點運動模型，用于指導(dǎo)機會路由算法的設(shè)計。從數(shù)據(jù)分發(fā)角度看，需要為數(shù)據(jù)選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)時機和中繼節(jié)點?；阪溌焚|(zhì)量認知的節(jié)點參數(shù)重配技術(shù)能夠進一步增加候選中繼節(jié)點數(shù)目，從而滿足救援所需的時延等QoS要求。

圖13 災(zāi)后重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸

5 結(jié)束語

煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)是提高應(yīng)急響應(yīng)速度和應(yīng)急救援效果的必備基礎(chǔ)設(shè)施。本文提煉了煤礦應(yīng)急通信技術(shù)的混合架構(gòu)模型，從TTW、TTA、TTE

和MMT這4個方面綜述了煤礦應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)，指出單一技術(shù)無法完美解決煤礦應(yīng)急救援面臨的通信難題。隨后，本文闡述了煤礦應(yīng)急通信技術(shù)呈現(xiàn)出的發(fā)展趨勢，即基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)的多技術(shù)融合、以透地通信為代表的穿巖通信大發(fā)展及空天地井一體化救援逐漸興起等發(fā)展趨勢，并提出了一種基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)急通信新模式，它融合了通信環(huán)境認知能力、事故態(tài)勢感知能力和被困人員定位能力，有望顯著提高事故應(yīng)急處置速度和救援效果。