某鐵礦五網(wǎng)合一的井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)*

王立杰 楊志強(qiáng) 劉 陽(yáng) 馬 寧

（河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

河北某鐵礦井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)存在系統(tǒng)擴(kuò)展性和兼容性較差、系統(tǒng)鏈路連接穩(wěn)定性較差、有線通信系統(tǒng)無(wú)總調(diào)度功能、各中段基站數(shù)量布置不合理等問題，這些問題的存在不僅易造成井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)位置而迅速做出響應(yīng)［1］，更存在較大的安全隱患，易造成事故擴(kuò)大化。為此，某鐵礦展開系統(tǒng)地研究工作，最終形成一套基于五網(wǎng)合一的井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1 總體優(yōu)化思路

采用井下人員定位、安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、有線通信及自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)任寰W(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，由管控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、設(shè)備層的3層整體架構(gòu)構(gòu)成。其中網(wǎng)絡(luò)傳輸層是采用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+WIFI+485轉(zhuǎn)換裝置的技術(shù)，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與鎂鍶銻網(wǎng)絡(luò)基站及幾大煤炭院人員定位及安全監(jiān)測(cè)技術(shù)有效融合，做到整體與分支、有線與無(wú)線，以及多形式接口技術(shù)的結(jié)合，各子系統(tǒng)終端設(shè)備采用多種接口形式就近接入各環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和無(wú)線基站。地面通過(guò)虛擬服務(wù)器安裝個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)展示。既滿足規(guī)范及功能需求，又減少大量的線纜布設(shè)，降低投資成本。

2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

建設(shè)一套千兆環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)作為整個(gè)礦井信息傳輸?shù)闹鞲蓚鬏斊脚_(tái)。地面配置2臺(tái)核心交換機(jī)，井下配置8臺(tái)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)，通過(guò)24芯鎧裝光纜，從機(jī)房分別經(jīng)過(guò)副井和北風(fēng)井實(shí)現(xiàn)單環(huán)冗余。沒有節(jié)點(diǎn)交換機(jī)的中段，用無(wú)線基站接入環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中。千兆環(huán)網(wǎng)具備冗余功能［1］，自愈時(shí)間小于20 ms，平均無(wú)故障時(shí)間不少于200 000 h，能及時(shí)診斷出故障點(diǎn)以便維修。主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供多種形式的接口方式，方便井下各個(gè)子系統(tǒng)（包含人員定位、安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、無(wú)線通信及后期建設(shè)的自動(dòng)化子系統(tǒng)）的接入。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)布點(diǎn)

考慮到井下環(huán)境潮濕，為確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，共布置8臺(tái)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，分別布置在副井主提升機(jī)房二層信號(hào)室及井下各中段采區(qū)變電所，礦用24芯單模鎧裝井筒光纜用于主干環(huán)網(wǎng)。路線為地表調(diào)度中心機(jī)房→副井井口二層信號(hào)室→-170 m二號(hào)采區(qū)變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→-230 m二號(hào)采區(qū)變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→-245 m一號(hào)采區(qū)變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→-260 m中央變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→-409 m破碎變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→-260 m中段巷道→-110 m北風(fēng)井變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→-110 m北南風(fēng)井變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)→地表調(diào)度中心機(jī)房，最終形成安全可靠的環(huán)型物理連接。沒有節(jié)點(diǎn)交換機(jī)的中段，用無(wú)線基站接入環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)的惡劣條件，為減少因電源故障而產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)中斷等事故發(fā)生幾率，井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)選用赫斯曼品牌模塊的工業(yè)交換機(jī)，均配備專用的不間斷電源，可持續(xù)供電2 h。

2.2 環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)級(jí)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)帶寬的可控實(shí)際利用率，結(jié)合鐵礦的實(shí)際所需帶寬流量，并考慮到突發(fā)數(shù)據(jù)的端口阻塞可能和突發(fā)狀況下傳輸量的增加，以及對(duì)環(huán)網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流量的分析、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展性，整個(gè)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)骨干帶寬設(shè)計(jì)為1 000 M。8臺(tái)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)均采用光纖端口和地面核心交換機(jī)組環(huán)，一個(gè)連接上級(jí)交換機(jī)，一個(gè)用于連接下級(jí)交換機(jī)，構(gòu)成一個(gè)完整的光纖環(huán)路，當(dāng)其中某一段工作中的光纖線路被破壞或相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)自愈，并在20 ms內(nèi)恢復(fù)正常的通訊。同樣-409、-448、-488 m 3個(gè)中段的基站也是通過(guò)環(huán)網(wǎng)耦合的方式接入環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)中段信息傳輸?shù)娜哂唷?/p>

2.3 各中段網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

井下各中段主巷道共布置42臺(tái)無(wú)線基站，同時(shí)每臺(tái)基站處并列布置1臺(tái)轉(zhuǎn)換裝置，每臺(tái)基站通過(guò)12芯光纖串接至環(huán)網(wǎng)交換機(jī)?；?轉(zhuǎn)換裝置包括WiFi模塊、人員定位模塊、安全監(jiān)測(cè)模塊及以太網(wǎng)光電口?；臼菬o(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，選用鎂鍶銻KT112-F型基站，采用雙無(wú)線模塊設(shè)計(jì)，可同時(shí)支持802.11 b/g?；九c轉(zhuǎn)換裝置兩者結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信、安全監(jiān)測(cè)及人員定位功能，提供Zigbee發(fā)射器（模塊）的信息傳輸通道［2］，實(shí)現(xiàn)傳感器接入。

2.4 網(wǎng)絡(luò)管理

采用赫斯曼公司的網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

3 人員定位系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括地面調(diào)度中心、系統(tǒng)軟件及顯示部分、數(shù)據(jù)傳輸通道、無(wú)線收發(fā)部分及終端設(shè)備。其中無(wú)線收發(fā)部分采用無(wú)線基站+485轉(zhuǎn)換裝置，主要融合了WiFi無(wú)線技術(shù)、RS485轉(zhuǎn)換技術(shù)、TCP/IP技術(shù)等，可多系統(tǒng)使用，還可以為視頻及廣播接入留有接口。終端設(shè)備采用ZigBee技術(shù)，低功耗，系統(tǒng)穩(wěn)定漏讀率低，被測(cè)人員通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)無(wú)需主動(dòng)進(jìn)行任何操作，不影響井下人員的正常通行和正常作業(yè)。

井下各中段及井口共設(shè)計(jì)128個(gè)定位收發(fā)器，分別布置在各個(gè)中段馬頭門、變電硐室、斜坡道、機(jī)修硐室、避難硐、炸藥庫(kù)、南北風(fēng)井以及各個(gè)采面，實(shí)現(xiàn)全礦井覆蓋。收發(fā)器通過(guò)四芯電纜接入轉(zhuǎn)換裝置，其供電來(lái)自轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)，不需額外配置電源箱。收發(fā)器采用ZigBee技術(shù)，實(shí)時(shí)接收定位卡的發(fā)射信號(hào)，通過(guò)無(wú)線基站和環(huán)網(wǎng)，把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面服務(wù)器加以處理?；静捎?2芯光纖級(jí)聯(lián)，收發(fā)器通過(guò)4芯電纜接入信號(hào)轉(zhuǎn)換接入裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。無(wú)線收發(fā)器覆蓋礦井全部范圍，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控到井下人員分布情況，系統(tǒng)漏檢率<10-4。定位卡具有雙向呼叫功能：當(dāng)井下某處發(fā)生緊急情況時(shí)，監(jiān)控主機(jī)可以給某區(qū)域發(fā)送緊急尋呼，當(dāng)井下某人員發(fā)生緊急情況時(shí)，該人員可以向調(diào)度主機(jī)發(fā)送求救信號(hào)。

在附屬樓至副井井口通廊內(nèi)設(shè)計(jì)一塊3 m2的戶外P6全彩LED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示人員出入井情況、井下人員分布情況。在通廊內(nèi)配置4通道閘機(jī)，配套無(wú)源卡和發(fā)射卡，實(shí)現(xiàn)入井唯一性檢測(cè)功能，出入井記錄、考勤。系統(tǒng)主機(jī)安裝在地表調(diào)度中心，完成人員信息編碼采集、識(shí)別、加工、顯示、存儲(chǔ)、查詢和報(bào)表打印等功能。

4 通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)

通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)包括有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)［1］。地面核心交換設(shè)備采用有線/無(wú)線一體化設(shè)計(jì)，可同時(shí)支持有線和無(wú)線設(shè)備的接入。調(diào)度臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)［3］，可全局對(duì)手機(jī)、井下電話實(shí)現(xiàn)調(diào)度。一體化交換機(jī)和現(xiàn)有的地面行政調(diào)度機(jī)通過(guò)數(shù)字中繼實(shí)現(xiàn)對(duì)接，達(dá)到生產(chǎn)調(diào)度、行政辦公無(wú)縫對(duì)接。

4.1 有線通信系統(tǒng)［4］

有線通信網(wǎng)絡(luò)采用大對(duì)數(shù)電纜，從機(jī)房出發(fā)，分別從副井和北風(fēng)井直接敷設(shè)至各個(gè)中段水平副井馬頭門處，并接入電話分線箱，確保任何一條通信線纜發(fā)生故障后，另外一條線纜的容量應(yīng)能擔(dān)負(fù)井下各中段通信終端的通信能力。井下各中段共設(shè)計(jì)電話終端85部，分別從電話分線箱內(nèi)引出5對(duì)電話線接至各終端電話機(jī)。以3~5部電話為一個(gè)小區(qū)域，共同1根5對(duì)電話線，統(tǒng)籌利用各中段5對(duì)電話線線纜，減少線纜敷設(shè)量。

4.2 無(wú)線通信部分

井下共設(shè)計(jì)40部礦用手機(jī)，通過(guò)一體化調(diào)度交換機(jī)［5］，利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為主傳輸通道，通過(guò)井下的WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與手機(jī)、手機(jī)與座機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話。其無(wú)線通信與人員定位系統(tǒng)見圖2。

5 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)計(jì)一氧化碳、低濃度甲烷、風(fēng)速、開停、負(fù)壓、煙霧、頂板圍巖應(yīng)力共計(jì)158臺(tái)各式傳感器，實(shí)時(shí)有效監(jiān)控井下生產(chǎn)區(qū)域的各個(gè)工礦參數(shù)，為礦井生產(chǎn)提供安全保障［3］。系統(tǒng)采用無(wú)分站設(shè)計(jì)，通過(guò)串口服務(wù)器把各個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面服務(wù)器中。部分智能傳感器采用分體式設(shè)計(jì)，探頭部分可以根據(jù)需要靈活替換，二次儀表部分為通用件，節(jié)約后期更換成本。

各類傳感器采用四芯線纜通過(guò)485接口就近接入轉(zhuǎn)換裝置或環(huán)網(wǎng)交換機(jī)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到調(diào)度中心上位機(jī)。監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)上可顯示相關(guān)環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)值及累計(jì)值、圖形和表格，實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)、靜態(tài)圖形、曲線、采掘平面圖、模擬量配置圖等，并具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、超限報(bào)警、打印各種表格等多種功能。

6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

井下共設(shè)計(jì)10臺(tái)防爆網(wǎng)絡(luò)高清攝像儀、86臺(tái)高清網(wǎng)絡(luò)攝像儀，分別布置在馬頭門、采區(qū)變電所、風(fēng)機(jī)硐室、消防材料庫(kù)、炸藥庫(kù)、卸礦硐室、裝載硐室等人員密集進(jìn)出場(chǎng)所以及井下重點(diǎn)生產(chǎn)場(chǎng)所。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每5臺(tái)攝像儀通過(guò)光纜串接的方式接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在地面接入硬盤錄像機(jī)與視頻綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻的集中顯示、存儲(chǔ)、回放和管理［2］，保障了視頻數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)物理傳輸不相互影響。

7 結(jié)論

本研究結(jié)合鐵礦礦井建設(shè)實(shí)際，結(jié)合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)線基站及人員定位、安全監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，對(duì)各家先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與成熟技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)研究，形成一整套技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、鏈路連接安全穩(wěn)定、兼容性高、擴(kuò)展性強(qiáng)的集井下人員定位、無(wú)線通信、安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控及自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)任寰W(wǎng)合一技術(shù)的井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)優(yōu)化方案，從源頭消除系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的缺陷及隱患，保障井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)安全高效穩(wěn)定運(yùn)行，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，充分發(fā)揮其保障礦山安全生產(chǎn)的重大作用，實(shí)現(xiàn)為礦山安全生產(chǎn)服務(wù)的目標(biāo)。