無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)在煤礦通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳晶星

[摘 要]煤礦在各類礦山中生產(chǎn)條件最復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境多變，井下安全條件惡劣。隨著社會(huì)各行業(yè)生產(chǎn)效率的提高，各類礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，隨之而來(lái)的礦山生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在此期間，各類設(shè)備、人員都要與新技術(shù)形成有效連接，自動(dòng)化程度越高，對(duì)通信效率和可靠性的要求也就越高，礦山生產(chǎn)通信網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)一步延伸到井下各個(gè)角落，在各個(gè)環(huán)節(jié)充分利用無(wú)線通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)，無(wú)線以太網(wǎng)以提成本、高效率、可靠性成為煤礦井下網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。

[關(guān)鍵詞]煤礦通信;通信效率;無(wú)線以太網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.12.061

[中圖分類號(hào)]TP393.11;TD655[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2019）12-0-02

0? ? ?引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)從高速發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈咚侔l(fā)展，對(duì)能源礦產(chǎn)的需求量不斷增加。礦山生產(chǎn)不僅要求數(shù)量，更要求質(zhì)量，煤礦作為我國(guó)重要的能源之一，需要為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力保障。但是隨著煤礦逐年開(kāi)采，保質(zhì)保量的供應(yīng)優(yōu)質(zhì)煤炭就變得越來(lái)越不容易，煤礦井下開(kāi)采不得不面臨復(fù)雜的施工環(huán)境。隨著淺部煤礦資源逐漸枯竭，深部礦藏賦存條件更加復(fù)雜，開(kāi)采過(guò)程中就需要根據(jù)井下條件及時(shí)調(diào)整各類采礦工藝，從掘進(jìn)到支護(hù)，從檢測(cè)到運(yùn)輸，從通訊到檢測(cè)，各個(gè)工藝流程都需要不斷調(diào)整更新。而隨著煤礦開(kāi)采自動(dòng)化、智能化程度逐漸增高，煤礦開(kāi)采環(huán)境越來(lái)越差，為了保障生產(chǎn)順利進(jìn)行，煤礦企業(yè)必須縮減井下人員編制，提高單位開(kāi)采效率?！皽p員增效模式”雖然能夠解決企業(yè)面臨的很多困難，但是要完成該模式，還需要很多配套技術(shù)支持，在減少人員的情況下，通訊距離自然而然就會(huì)變長(zhǎng)，怎樣在保持通信效率的基礎(chǔ)上又保持通信質(zhì)量就變得尤為重要，煤礦井下通訊設(shè)備必須具備靈活、便攜、可靠的特性。

1? ? ?無(wú)線技術(shù)研究概述

隨著煤礦開(kāi)采面擴(kuò)展，煤礦開(kāi)采深度逐漸向下延伸，煤礦開(kāi)采變得自動(dòng)化、智能化，有線通信方式已經(jīng)不能完全滿足煤礦井下通信需求，井下實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)檢測(cè)、施工單體定位、工業(yè)級(jí)視頻傳輸都需要向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方向發(fā)展。但當(dāng)前可用無(wú)線通訊系統(tǒng)可選種類較多，各類通訊技術(shù)也有自身局限性。以無(wú)線通信技術(shù)中的透地通信和感應(yīng)通信為例，這兩種技術(shù)通道寬度比較有限，電磁干擾抗性弱，導(dǎo)致其可靠性不理想。而礦用小靈通和大靈通技術(shù)雖然抗干擾能力、可移動(dòng)性、通信質(zhì)量有顯著優(yōu)勢(shì)，但是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、功能多樣性卻不能滿足礦井發(fā)展，非常容易被井下災(zāi)害破壞，不能實(shí)現(xiàn)井下多功能無(wú)線通信的要求。經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)現(xiàn)，井下無(wú)線通信系統(tǒng)的通信頻率與信號(hào)衰減呈非線性反比趨勢(shì)，低于800 MHz的信號(hào)頻率衰減非常明顯，不能滿足井下無(wú)線通信需求。想要將巷道圍巖引起的信號(hào)衰減降低到可承受范圍，電波頻率不能低于1 000 MHz。目前，較合適的技術(shù)選擇必然是無(wú)線以太網(wǎng)（WLAN）技術(shù)。

2? ? ?無(wú)線以太網(wǎng)（WLAN）技術(shù)

無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，工作頻段基本處于兩個(gè)開(kāi)放頻段中，涉及直序列擴(kuò)頻、智能天線、正交頻分復(fù)用、頻道聚合等實(shí)用技術(shù)。最初的無(wú)線以太網(wǎng)是在有線以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。后經(jīng)過(guò)不斷完善，具備了升級(jí)性優(yōu)越、標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議友好、靈活度高、設(shè)備資金投入少、信號(hào)抗干擾性能好、通信帶寬大等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)視頻、數(shù)據(jù)、音頻等信號(hào)傳輸都具有非常高的可用性。且無(wú)線以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域、民用領(lǐng)域中都有非常廣泛的應(yīng)用，手機(jī)、移動(dòng)計(jì)算機(jī)終端等都支持無(wú)線以太網(wǎng)通信協(xié)議，各大通信運(yùn)營(yíng)商服務(wù)也都與以太網(wǎng)相連。無(wú)線以太網(wǎng)在各領(lǐng)域普及，為其在煤礦工業(yè)中的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)，使一線技術(shù)人員和工人們能夠非常熟悉此類網(wǎng)絡(luò)的使用方法。現(xiàn)有的WLAN通過(guò)IEEE 802.111協(xié)議建立的體系包括802111a、802111b、802111g、802111等，通信頻率包括2 400 MHz、5 800 MHz，兼顧高抗干擾能力的同時(shí)，通信傳輸帶寬可以達(dá)到250 Mbps，完全滿足了煤礦生產(chǎn)中單體定位、生產(chǎn)自動(dòng)化、實(shí)施安全監(jiān)控、實(shí)時(shí)通信、突發(fā)事件指揮等要求。

3? ? ?無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)在煤礦通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1? ?移動(dòng)通信

在移動(dòng)通信中應(yīng)用無(wú)線以太網(wǎng)能夠發(fā)揮移動(dòng)通信的功能，在煤礦語(yǔ)音通信系統(tǒng)中已經(jīng)有了非常成熟的應(yīng)用，現(xiàn)有的較為成功的通信系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十套之多。以VOIP結(jié)合移動(dòng)以太網(wǎng)環(huán)境，即可實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)線有線一體化管理。井下無(wú)線終端設(shè)備通過(guò)井下分站即可連接NC1000調(diào)度臺(tái)，防爆電話經(jīng)由安全隔離柵連接井下網(wǎng)關(guān)后也可以與調(diào)度臺(tái)聯(lián)通，地面調(diào)度經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)后同樣與調(diào)度臺(tái)相連，最終使中央管理服務(wù)器、調(diào)度中心、錄音視頻服務(wù)器連接NC1000調(diào)度臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井上井下、有線無(wú)線地?zé)o縫、無(wú)延遲連接。

在傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)中，通信系統(tǒng)的組網(wǎng)形式多以星型和鏈型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，每個(gè)下屬系統(tǒng)構(gòu)成單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使整體帶寬利用率不高，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性受到很大影響，日常運(yùn)行維護(hù)非常不便，遇到災(zāi)害或突發(fā)情況時(shí)可靠性不高。目前，煤礦有線以太網(wǎng)主要采用通信連接方式，不能適應(yīng)復(fù)雜多變的惡劣井下環(huán)境，復(fù)雜組網(wǎng)連接、精細(xì)系統(tǒng)維護(hù)，使有限以太網(wǎng)絡(luò)有時(shí)無(wú)法為工業(yè)體系提供良好的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而MESH組網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線橋接技術(shù)保證了無(wú)線以太網(wǎng)能夠形成閉合通信系統(tǒng)。由于無(wú)線以太網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)與有線以太網(wǎng)是同一體系，二者可以無(wú)障礙連接，井下和井上的各類無(wú)線以太網(wǎng)終端都可以作為整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)無(wú)縫傳輸，充分利用資源，把通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到每一個(gè)采掘工作面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度智能化目標(biāo)。

3.2? ?工業(yè)自動(dòng)化

隨著整個(gè)煤礦生產(chǎn)流程技術(shù)不斷更新，工業(yè)自動(dòng)化各個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通信系統(tǒng)在自身自動(dòng)化的同時(shí)，需要與其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)高度協(xié)同，提高整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化的程度。但工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，整體網(wǎng)絡(luò)包含的子系統(tǒng)越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò)類型多種多樣，從原有的星型、鏈型拓?fù)溥B接發(fā)展到現(xiàn)在的MESH組網(wǎng)。無(wú)線以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中幫助通信系統(tǒng)大大提高了通信效率和通信可靠性，井下信號(hào)不再像從前一樣一碰就斷。以太網(wǎng)技術(shù)不受復(fù)雜地形限制，可以與系統(tǒng)組網(wǎng)、系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、其他子系統(tǒng)進(jìn)行多層次通信，幫助井下各類設(shè)備全面接入工業(yè)自動(dòng)化體系。同時(shí)，通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的任意設(shè)備進(jìn)行中繼，每個(gè)設(shè)備都可以為其他設(shè)備提供信號(hào)傳遞，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在同一通信協(xié)議下運(yùn)行，隨時(shí)增減設(shè)備，為工業(yè)自動(dòng)化提供軟件和硬件支持。

3.3? ?視頻通信

近年來(lái)，生產(chǎn)安全在礦山運(yùn)營(yíng)過(guò)程中變得極其重要，安全生產(chǎn)以預(yù)防為主，要求企業(yè)提前制訂事故應(yīng)急預(yù)案。事故預(yù)防要在各個(gè)生產(chǎn)流程做到精細(xì)化管理、智能化管理，人是生產(chǎn)流程中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，預(yù)防人的失誤非常重要，人工智能和安全監(jiān)控都需要視頻識(shí)別。每個(gè)生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控，不僅可以隨時(shí)監(jiān)控人員動(dòng)態(tài)，還能對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化無(wú)人設(shè)備進(jìn)行視頻監(jiān)控。無(wú)線以太網(wǎng)的應(yīng)用使過(guò)去的物理線路不再需要延伸到每一個(gè)角落，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)地形條件的依賴性非常小，各個(gè)設(shè)備互相中繼，在整個(gè)井下形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，不僅可以監(jiān)控生產(chǎn)人員的行為是否符合安全規(guī)范，更可以監(jiān)控各類設(shè)備的運(yùn)行是否穩(wěn)定，多線路視頻傳輸協(xié)議讓井下攝像機(jī)變得更加可靠靈活，為生產(chǎn)作業(yè)提供了更多便利。

3.4? ?應(yīng)急通信

井下地質(zhì)情況復(fù)雜多變，施工作業(yè)安全性不高，隨時(shí)都有可能發(fā)生緊急狀況，在應(yīng)急救援階段，對(duì)通信保障的要求很高，不僅要保持通信順暢，對(duì)通信系統(tǒng)穩(wěn)定性、通信系統(tǒng)覆蓋范圍都有硬性要求，否則救援工作就無(wú)法及時(shí)進(jìn)行。但是原有的通信系統(tǒng)不管是有線還是無(wú)線，都需要通過(guò)地面總控交換設(shè)備進(jìn)行控制，這對(duì)地面環(huán)境、井下環(huán)境有較強(qiáng)依賴。無(wú)線以太網(wǎng)設(shè)備在應(yīng)急救援過(guò)程中不依靠地面基站或井下設(shè)備中繼就能夠?qū)崿F(xiàn)脫網(wǎng)通信，每個(gè)終端可以互相連接或形成橋接，大大提升了井下通信的靈活性。而設(shè)備高速傳輸能力為極端環(huán)境下視頻信號(hào)傳輸提供了便利，為事故救援提供了及時(shí)的事實(shí)依據(jù)，為工業(yè)自動(dòng)化條件下的應(yīng)急通信提供了有力保障。

3.5? ?人員定位

隨著煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中對(duì)生產(chǎn)工人安全的重視，每個(gè)工人的施工過(guò)程都需要向安全管理系統(tǒng)上報(bào)個(gè)體位置信息，否則在發(fā)生安全事故后，能否迅速確定人員安全將非常重要，井下救援工作需要確定被困人員的位置信息。因此，井下工作人員不可缺少定位功能，這就需要一個(gè)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸位置信息，甚至是實(shí)時(shí)視頻、音頻信號(hào)。無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟為此提供了技術(shù)保障，具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口和協(xié)議、足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)定的傳輸能力、單個(gè)終端獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn)，可以基于同一網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建很多不同生產(chǎn)通信平臺(tái)。

4? ? ?結(jié) 語(yǔ)

隨著煤礦開(kāi)采相關(guān)工藝技術(shù)的發(fā)展，井下通信技術(shù)需求不斷增高，礦山通信網(wǎng)絡(luò)需要一種兼容性高、可靠性高、傳輸速率高、設(shè)備小型化、設(shè)備資金要求低的技術(shù)。經(jīng)過(guò)各大礦山多年的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足當(dāng)前條件下礦山自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的需求，而其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不能同時(shí)滿足通信效率和通信可靠性的要求，因此，煤礦企業(yè)必須應(yīng)用無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)，并將其作為煤礦工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中通信網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充，從而為提高礦山生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平提供技術(shù)支持。

主要參考文獻(xiàn)

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