高速大帶寬自組網(wǎng)通訊技術(shù)在金屬礦礦井的應(yīng)用

孫 越，張東永

(金川集團(tuán)公司二礦區(qū)，甘肅 金昌 737100)

1 前言

隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對作業(yè)智能化、安全化、無人化和少人化要求不斷提升，要求井下特別是采掘面能夠?qū)崿F(xiàn)快速組建通訊網(wǎng)絡(luò)，以滿足礦井網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演化，巷道規(guī)模不斷壯大，對人身安全和生產(chǎn)安全越來越高的要求。目前，井下綜合管理自動化初步實現(xiàn)了各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實現(xiàn)了多種子系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，為井下精準(zhǔn)開采、無人開采提供了技術(shù)支撐。而5G通訊技術(shù)的高速大帶寬網(wǎng)絡(luò)的普及，勢必成為未來礦井通訊系統(tǒng)的核心主干網(wǎng)絡(luò)。但是井下采掘作業(yè)面，經(jīng)常變動，并不適合5G通訊網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)。采掘面是礦井最危險、工況最復(fù)雜、人員設(shè)備最密集的區(qū)域，非常需要一種能夠快速構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式[1]，滿足人與人、人與設(shè)備之間的互聯(lián)互通。本文針對采掘作業(yè)面經(jīng)常變動的特性，引入物聯(lián)網(wǎng)思維，在作業(yè)面嘗試了一種無線自組網(wǎng)、大帶寬、能多級連跳的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以快速完成采掘面物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，并將信息接入現(xiàn)有主干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了井下采掘面的人員通訊、視頻監(jiān)控，以及采掘面與地面之間的語音和視頻通訊。

2 礦井通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀以及井下無線通訊技術(shù)分析

2000年后，我國礦井強(qiáng)制推行6大系統(tǒng)，其中視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、語音通訊系統(tǒng)都涉及礦井特種通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?？傮w來說目前礦井使用的網(wǎng)絡(luò)是以有線網(wǎng)絡(luò)為主，無線網(wǎng)絡(luò)為輔。考慮礦井通訊的特殊性，其網(wǎng)絡(luò)多采用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為骨干網(wǎng)，無線網(wǎng)和工業(yè)總線作為支網(wǎng)接入環(huán)網(wǎng)中。井上井下網(wǎng)絡(luò)之間通過防火墻隔離，實現(xiàn)井上井下統(tǒng)一的礦井網(wǎng)絡(luò)通訊體系，具體如圖1所示。

圖1 礦井網(wǎng)絡(luò)一般架構(gòu)

礦井的主干網(wǎng)目前是有線網(wǎng)絡(luò)，沿主巷道固定布線，不可移動，在地質(zhì)變形、井下運(yùn)輸以及動態(tài)變化的掘進(jìn)工作面中易受破壞，維修成本高。因此，對于礦井來說，最理想的方案是實現(xiàn)井下通信無線全覆蓋，這也是未來礦井通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。能夠用于井下，并已經(jīng)做過嘗試的無線通信系統(tǒng)種類較多，主要有以下6種[2-4]，其工作頻率、帶寬、速度、抗干擾能力不盡相同，以下分別比較。

(1)透地通訊技術(shù)通過地磁波傳感原理來工作，其發(fā)射的無線電波穿透地層，實現(xiàn)井下與地面的通訊。透地通訊技術(shù)設(shè)備主要包括天線設(shè)備、傳呼機(jī)和大功率發(fā)射機(jī)。此技術(shù)功耗高、帶寬低、易受電磁波干擾，一般用于井下突發(fā)狀況的救助。

(2)漏纜通訊需要在巷道內(nèi)敷設(shè)泄露電纜，其通信頻率在高頻段，覆蓋范圍很廣，可達(dá)礦區(qū)的每一角落。具體實施時，漏纜沿巷道鋪設(shè)，在需要無線信號接入?yún)^(qū)域的漏纜上開孔，無線信號就能從開孔處向外傳播。這種通訊方式電磁波沿電纜線縱向傳播，衰減小。但是漏纜通訊抗干擾能力較低，不適合移動通訊，不能完全適應(yīng)高效靈活的井下通信需求。

(3)井下蜂窩移動通信技術(shù)就是將地面蜂窩移動通信技術(shù)移植到井下，其結(jié)構(gòu)原理和性能與地面蜂窩通信系統(tǒng)幾乎相同。現(xiàn)有礦井大部分使用的是第三代數(shù)字蜂窩移動通訊系統(tǒng)(3G網(wǎng)絡(luò))，能夠提供語音、視頻和其他通訊服務(wù)。針對井下步行人員和慢速移動礦車下具有384kbps速率能力，靜止?fàn)顟B(tài)速率可達(dá)2Mbps。隨著4G技術(shù)的普及，近幾年，一部分礦井在井下嘗試使用4G通訊技術(shù)，雖然通訊帶寬可以擴(kuò)展到10M左右，但是仍然不能滿足井下大量數(shù)據(jù)，特別是視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸要求。而且蜂窩移動通信系統(tǒng)裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都是有線連接，價格昂貴，無自組網(wǎng)功能。

(4)超寬帶(UWB)無線技術(shù)一般是指信號相對帶寬不小于0.2或絕對帶寬不小于500MHz,并使用指定的31～10.6GHz頻段的通信方式。超寬帶通信具有帶寬高、功耗低、抗多徑和集成化程度高等特點(diǎn),在井下通信中有一定應(yīng)用前景。但是，由于UWB占用的頻帶基本覆蓋了現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)頻段，對現(xiàn)有無線設(shè)備造成很大干擾。而且由于UWB信號隨傳播距離增加快速衰減,因此超寬頻帶通信系統(tǒng)適合短距離通信。

(5)WiFi通信技術(shù)遵循802.11體系，采用TCP/IP協(xié)議，利用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，傳輸速率達(dá)54Mb/s。如工作在2.4GHz頻段附近，傳輸距離可達(dá)300m。該技術(shù)易于鏈接、發(fā)射功率小、設(shè)備種類多樣、可用于語音圖像傳輸。目前，WiFi基站以網(wǎng)橋方式在礦井內(nèi)部署。但網(wǎng)橋是點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)?，而且沒有路由功能，一般僅限于兩點(diǎn)之間無線傳輸，而且兩點(diǎn)之間要可視，不能遮擋。礦井蜿蜒曲折，金屬礦井可視直線距離一般不超過100m，如果用沒有路由功能的網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)跳接，那么在部署的時候需要人工選擇傳輸路由，如果一個網(wǎng)橋出問題需要更換，整個系統(tǒng)就需要重新做一遍，后期維護(hù)費(fèi)用非常高。在礦井掘進(jìn)作業(yè)面向前推進(jìn)，增加一個網(wǎng)橋時，整個系統(tǒng)同樣需要重新配置一遍。可見，在動態(tài)生產(chǎn)變化的礦井中，基站和基站之間的無線連接，以及基站之間的自組網(wǎng)功能十分重要。而Mesh網(wǎng)絡(luò)可以非常方便地實現(xiàn)自組網(wǎng)。

(6)無線Mesh通信網(wǎng)絡(luò)是一種采用多跳路由、對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)具有可以動態(tài)自組網(wǎng)，自管理、自修復(fù)、自平衡功能，其傳輸帶寬達(dá)到數(shù)百兆，能夠傳輸多路視頻。但是Mesh網(wǎng)絡(luò)大多采用私有協(xié)議，設(shè)備不能直接互聯(lián)，這大大限制了Mesh在礦井中的使用。更為重要的是，Mesh采用同頻通訊機(jī)制，理論上講每經(jīng)過一次跳接，其通訊帶寬減小二分之一，所以一般情況下，Mesh的跳接次數(shù)有嚴(yán)格限制，否則其帶寬會迅速衰減。

綜上所述，當(dāng)前礦井通訊網(wǎng)絡(luò)距離全面覆蓋、任意互聯(lián)、智能統(tǒng)一管理的要求還有很大差距，井下物聯(lián)網(wǎng)的建立在目前的生產(chǎn)實踐中越來越必要?？梢?，雖然人類社會已經(jīng)從信息化發(fā)展到智能移動通訊時代了，但是針對井下采礦這種最危險的行業(yè)領(lǐng)域的通訊要求，現(xiàn)在還沒有找到一種完美的解決方案。礦井，特別是采掘作業(yè)面急需找到一種無線、大帶寬、能夠自組網(wǎng)、能夠多跳而不衰減帶寬，而且是低成本的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，以便能夠在不斷變動的作業(yè)面快速實視頻傳輸、語音通訊、設(shè)備互聯(lián)、人人互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)。2018年，出現(xiàn)一種新的大帶寬自組網(wǎng)無線通訊技術(shù)——STRONGLINK技術(shù)，該技術(shù)融合了Mesh、路由、AP等功能，比較適合礦井作業(yè)面使用，通過半年在金川公司二礦區(qū)1038中段兩個盤區(qū)的初步驗證，效果良好，解決了井下方便部署、井下井上視頻通訊、語音通訊、充填高度監(jiān)控等問題。

3 技術(shù)原理與應(yīng)用測試

20世紀(jì)90年代，美軍為了實現(xiàn)基層作戰(zhàn)單元之間的通訊互聯(lián)，提出了Ad Hoc通訊框架，在此基礎(chǔ)上形成了一種能夠自組網(wǎng)和多級跳接的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)基于 IP通訊協(xié)議，可看作是 Internet 的無線版本，融合了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)( WLAN) 和 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢，能夠動態(tài)自組織、自維護(hù)、自配置。但是在使用過程中也發(fā)現(xiàn)很多缺點(diǎn)，特別是在多級跳接上并不能像設(shè)想的那樣實現(xiàn)多個基站之間無線鏈接，而是受到其基礎(chǔ)框架和原理的限制。

單模塊模式Mesh的接入點(diǎn)只有一個信道，無線客戶端接入和回程流量轉(zhuǎn)發(fā)只能使用這個信道。當(dāng)更多的Mesh節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中時，回程流量占用了信道的大部分帶寬，這造成單模塊Mesh節(jié)點(diǎn)不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在雙模塊Mesh方案中，客戶端接入和回程傳輸分別由兩個模塊完成，上行和下行共享回程信道。雖然無線客戶端流量將得到一定改善，但是由于所有的回程Mesh節(jié)點(diǎn)必須工作在同一個頻率上，無線資源競爭和射頻干擾還會導(dǎo)致不可預(yù)期的時延。

STRONGLINK網(wǎng)絡(luò)技術(shù)借用了Mesh網(wǎng)絡(luò)的思想，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用三個模塊的專用無線鏈路接口，第一個模塊用于客戶端的流量接入，第二個模塊用于上行無線回程流量傳輸，第三個模塊用于下行無線回程流量傳輸，具體如圖2所示。圖中AP和STATION分別用兩個相同的MCU并行工作，實現(xiàn)了基站之間的高速互聯(lián)。因為每個鏈路都工作在獨(dú)立的信道上，這個無線網(wǎng)絡(luò)的方案與單模塊或雙模塊Mesh方案相比，在自組網(wǎng)、無損多跳和延時性方面都得到大幅提升。為了增加STRONGLINK的通用型，該網(wǎng)絡(luò)采用了802.11a、802.11c(MIMO)協(xié)議，保證了該網(wǎng)絡(luò)能夠與現(xiàn)有的手機(jī)、WIFI設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接互聯(lián)，在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的情況下，迅速部署和接入已有網(wǎng)絡(luò)。為了解決基站之間能夠互不干擾的無線接續(xù)問題(多跳)，STRONGLINK技術(shù)采用了兩種不同頻段2.4GHz和5.8GHz，并使用了不同的信道，從而避免了同頻干擾問題。由于節(jié)點(diǎn)之間采用無線級聯(lián)方式通信，每個節(jié)點(diǎn)都可與其他節(jié)點(diǎn)使用點(diǎn)對多點(diǎn)(point-to-point)連接，因此理論上講，無線級聯(lián)沒有跳數(shù)的限制。

圖2 STRONGLINK技術(shù)的基站互聯(lián)模型

為了驗證STRONGLINK網(wǎng)絡(luò)多跳后的通訊效果，設(shè)計了一系列測試，跳數(shù)從1到增加到15，測試流量經(jīng)過多跳后的降低程度。測試時，流量通過了從客戶端相連的節(jié)點(diǎn)到流量發(fā)生服務(wù)器這個菊花鏈上的多個節(jié)點(diǎn)。服務(wù)器用于測量TCP和UDP帶寬性能，并允許調(diào)整不同的參數(shù)和特征，它還可以報告帶寬、時延和丟包率。測試場地如圖3所示，測試結(jié)果如圖4所示。可見，本基站帶寬可以在15跳以后，仍然保持347MHz。

圖3 測試場地

圖4 測試結(jié)果

4 井下實際應(yīng)用測試效果

2019年6月，在金川公司二礦區(qū)井下逐步展開基于STRONGLINK的通訊系統(tǒng)試驗。將一臺無線基站和井下環(huán)網(wǎng)連接，環(huán)網(wǎng)到各工作面采用無線基站多級連跳的方式無線組網(wǎng)，同時在巷道內(nèi)形成WiFi覆蓋，在工作面使用便攜式網(wǎng)絡(luò)高清無線攝像機(jī)，通過無線基站將現(xiàn)場視頻畫面?zhèn)鬏數(shù)叫菹㈨鲜衣毠さ慕K端設(shè)備上，同時監(jiān)控視頻可以通過環(huán)網(wǎng)上傳到地面監(jiān)控室，便攜式網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)可以實現(xiàn)監(jiān)控的快速部署。所有設(shè)備供電采用專用的應(yīng)急電源，在斷電后自身攜帶的電池續(xù)航能力在8～9h，現(xiàn)場安裝圖片和無線視頻監(jiān)控如圖5所示。

圖5 通訊基站和無線便攜網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)

STRONGLINK音視頻通訊系統(tǒng)：在井下巷道和地面辦公樓部署無線基站，基站多跳后，形成WiFi覆蓋，在核心機(jī)房安裝音視頻通訊服務(wù)器，在調(diào)度中心安裝多媒體調(diào)度平臺，終端設(shè)備安裝配套軟件，連接WiFi后可以實現(xiàn)音視頻通訊。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

STRONGLINK礦車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)：在礦車上安裝有兩臺無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，在礦車沿途布設(shè)一系列自組網(wǎng)基站，礦車上的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在礦車行進(jìn)時，在基站之間漫游，就可以將礦車運(yùn)行的畫面?zhèn)鬏數(shù)讲僮魇业娘@示器上。礦車司機(jī)通過監(jiān)控畫面，直觀、實時地觀察并掌握礦車的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備的實際運(yùn)行情況。同時該監(jiān)控視頻可以通過環(huán)網(wǎng)上傳到地面監(jiān)控室。這套系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

通過近半年的試用和驗證，證明STRONGLIK通訊方案比目前井下使用的其他無線通訊方案更加適合于礦井使用，特別適合經(jīng)常變動的采掘作業(yè)面使用，可以構(gòu)成采掘區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，除了上述多視頻同時接入、音頻傳輸、礦車移動視頻傳輸以外，正在驗證的設(shè)備還有帶有視頻監(jiān)控和語音對講的智能頭燈，視頻對講，UWB人員定位等，其優(yōu)勢十分明顯：

(1)能夠快速完成井下巷道內(nèi)多點(diǎn)數(shù)據(jù)高速大帶寬傳輸及WiFi信號覆蓋。

(2)具有無線自組網(wǎng)功能，開機(jī)就能建立鏈接，布署和拆除方便快捷。

(3)無線自動災(zāi)備接續(xù)，通信鏈路魯棒性強(qiáng)。

(4)可以多級跳接，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展延伸能力強(qiáng)。

(5)采用通用TCP/IP協(xié)議，支撐多種設(shè)備接入。

5 結(jié)論

通過本次試驗驗證以及多年井下工作感受，筆者認(rèn)為未來礦井通訊系統(tǒng)應(yīng)的發(fā)展應(yīng)該在以下方面得到提升和加強(qiáng)：

(1)礦井信息采集體量越來越大，未來數(shù)據(jù)量將增加10～100倍，通訊網(wǎng)絡(luò)需要更高的帶寬容量。

(2)由于井下生產(chǎn)導(dǎo)致通訊網(wǎng)絡(luò)隨開采進(jìn)度不斷拓展，設(shè)備和通信終端也在不斷遷移，礦井的通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具備自動布置和自我管理能力。

(3)隨著5G的推廣，礦井物聯(lián)網(wǎng)會很快鋪開，需要網(wǎng)絡(luò)具有密集接入能力。

(4)無人采礦、智慧傳感要求通訊網(wǎng)絡(luò)具有更高的實時性。

(5)未來礦井物聯(lián)網(wǎng)中終端接入管理不再按具體系統(tǒng)劃分，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)分布更多、更廣，需要礦井通訊網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)接入與安全識別能力。

(6)井下作業(yè)危險大，尤其是工作面風(fēng)險因素最多、設(shè)備最密集，在這個區(qū)域使用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具備災(zāi)變條件下的自愈能力和區(qū)域自持能力。

通過半年多對STRONGLIK通訊技術(shù)和設(shè)備的試用，能夠感受到該技術(shù)與其他已有技術(shù)相比在大帶寬、自組網(wǎng)、密集接入能力、實時性和災(zāi)備能力上有一定改善，在礦區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了人在硐室檢測充填高度，井下人員之間視頻通訊，井下井上視頻通訊等功能。由于該基站帶有路由功能，網(wǎng)絡(luò)配置比傳統(tǒng)的網(wǎng)橋簡單，在采掘作業(yè)面推進(jìn)或更換采掘盤區(qū)時，無線基站挪動也不必像網(wǎng)橋一樣重新設(shè)置路由，減少了大量工作。應(yīng)該說該技術(shù)還是比較適合用于井下作業(yè)面通訊要求的，當(dāng)然，作為一種新技術(shù)，如何更好地在井下使用，還需要更多的摸索。