煤礦井下安全避險(xiǎn)智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)研制

祁宇明，謝兵，鄧三鵬，蔣麗

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究院，天津 300222；2.天津市智能機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300353；3.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度和防災(zāi)避險(xiǎn)救援的重要工具，是煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”之一[1-2]。礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)[3-6]主要包括調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)、礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)、礦井救災(zāi)通信系統(tǒng)等。為了確保井下人員的安全，提高煤礦安全生產(chǎn)水平及防災(zāi)避險(xiǎn)能力，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)煤礦井下具備安全避險(xiǎn)功能的智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。比如：文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究；潞安集團(tuán)通信公司[10]關(guān)于煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用的探討；文獻(xiàn)[11-13]針對(duì)煤井礦應(yīng)急廣播系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等進(jìn)行研究；神東煤炭集團(tuán)安監(jiān)局[14]提出基于無(wú)線MWSE網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)。煤礦井下無(wú)線可以在應(yīng)急救援中發(fā)揮一定作用，然而其存在中繼時(shí)延、帶寬損失和系統(tǒng)穩(wěn)定性等難題[15]。

針以上問(wèn)題，本研究提出了一種具備數(shù)字化應(yīng)急救援功能的多網(wǎng)融合煤礦井下安全避險(xiǎn)智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)井下突發(fā)重大安全事故，地面調(diào)度指揮中心工作人員利用廣播系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)在井下重點(diǎn)防范區(qū)域的本安廣播站和本安顯示屏以廣播和文字指引的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行引導(dǎo)和疏散，指揮人員迅速、有序、安全的撤離危險(xiǎn)區(qū)域，最大程度的減少災(zāi)害影響。

1 智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)功能及組成

煤礦井下安全避險(xiǎn)智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)是基于光纖環(huán)網(wǎng)、電話調(diào)度網(wǎng)及CAN、RS485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線多種通信手段的一體化系統(tǒng)。音頻信號(hào)可在數(shù)字以太網(wǎng)和電話調(diào)度網(wǎng)絡(luò)間自由切換，數(shù)據(jù)信息在以太網(wǎng)和RS485現(xiàn)場(chǎng)總線之間切換；設(shè)計(jì)了基于礦井災(zāi)變應(yīng)急預(yù)案的專(zhuān)家智能逃生一鍵指引系統(tǒng)，可根據(jù)不同的災(zāi)變類(lèi)型及地點(diǎn)，一鍵操控發(fā)布預(yù)設(shè)的指引逃生路線指引相關(guān)工作人員緊急安全撤離；同時(shí)利用廣播主站和本安型廣播電話上的緊急呼叫按鈕，實(shí)現(xiàn)一鍵上呼，利用本安型顯示屏顯示災(zāi)害信息和指引避險(xiǎn)逃生路線。多網(wǎng)融合的智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)主要由網(wǎng)管工作站、子系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)、井上核心交換機(jī)、網(wǎng)閘、井下防爆兼本安型千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、煤礦井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、程控電話交換網(wǎng)組成，如圖1所示。

圖1 多網(wǎng)融合的智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于Delphi的上位機(jī)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

Delphi[16]具有多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式及高效率的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)了一種基于Delphi的上位機(jī)軟件系統(tǒng)，智能管理煤礦井下安全避險(xiǎn)智能通信聯(lián)絡(luò)。系統(tǒng)具備如下九大功能：井下GIS系統(tǒng)，分組廣播管理，一鍵廣播管理，數(shù)字對(duì)講管理，錄音管理，日志管理，LED屏圖形、文字管理；基于預(yù)案的一鍵圖文、聲音廣播管理，各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、保存。

2.1.1 井下GIS系統(tǒng)

GIS即地理信息系統(tǒng)，可準(zhǔn)確顯示各控制端的具體位置以及故障信息。井下GIS系統(tǒng)具備選擇性更換地圖與設(shè)備，如圖2所示。

圖2 井下GIS系統(tǒng)

2.1.2 分組廣播管理

分組廣播管理是通過(guò)通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)主站列表中區(qū)域的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂(lè)和語(yǔ)音分區(qū)域播放、全區(qū)域播放管理。在緊急情況下，可利用一鍵操作完成全區(qū)域的廣播通信。分組廣播管理可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)、定時(shí)、多方案播放，如圖3所示。

圖3 分組廣播管理

2.1.3 數(shù)字對(duì)講管理

數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP協(xié)議傳遞數(shù)字音頻，實(shí)現(xiàn)定時(shí)廣播、分區(qū)廣播等功能；基于調(diào)度電話交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸模擬音頻，實(shí)現(xiàn)全礦井電話調(diào)度指揮廣播通信功能；基于強(qiáng)大的“語(yǔ)音+數(shù)據(jù)”的多媒體通信能力，形成強(qiáng)大的指揮調(diào)度功能以及圖文調(diào)度和語(yǔ)音調(diào)度。其數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、越級(jí)指揮、多調(diào)度臺(tái)分組協(xié)同指揮、插入、廣播、會(huì)議等指揮模式，專(zhuān)用錄音錄像服務(wù)器以及一鍵直通、強(qiáng)插、強(qiáng)拆及調(diào)看/調(diào)聽(tīng)等調(diào)度業(yè)務(wù)功能，方便不同指揮調(diào)度關(guān)系的上傳下達(dá)。

2.1.4 錄音管理及日志管理

通信聯(lián)絡(luò)的語(yǔ)音，自動(dòng)錄音，進(jìn)行查詢(xún)、存儲(chǔ)等操作，并按照時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)管理。日志管理儲(chǔ)存系統(tǒng)所有相關(guān)操作和指令，方便查找原因、分析過(guò)程、劃定責(zé)任。

2.1.5 基于預(yù)案的一鍵圖文、聲音廣播管理

在井下關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)應(yīng)急避險(xiǎn)顯示屏，日常情況下顯示屏可根據(jù)實(shí)際情況顯示相應(yīng)文字或圖形；突發(fā)情況時(shí)顯示內(nèi)容可通過(guò)井上工控機(jī)和井下RS485總線上的聯(lián)動(dòng)報(bào)警信號(hào)改變，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急顯示屏避險(xiǎn)逃生指引。系統(tǒng)中任意一個(gè)廣播終端發(fā)生故障，都不會(huì)干擾系統(tǒng)中或同平臺(tái)運(yùn)行的其他設(shè)備，以及不會(huì)影響本系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

基于礦井災(zāi)變應(yīng)急預(yù)案的專(zhuān)家智能逃生一鍵指引系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同的災(zāi)變類(lèi)型、不同的災(zāi)變地點(diǎn)，一鍵操控發(fā)布預(yù)設(shè)的指引逃生路線，快速指引不同地點(diǎn)、不同位置的工作人員進(jìn)行緊急安全撤離?？苫谡{(diào)度與應(yīng)急指揮系統(tǒng)與監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高效聯(lián)動(dòng)，基于GIS系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦井；先進(jìn)的多媒體調(diào)度與應(yīng)急指揮系統(tǒng)能夠與“數(shù)字化礦井”的其他監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效聯(lián)動(dòng)，提高處理突發(fā)事件的效率和一體化科學(xué)管理的效率。緊急情況下，可通過(guò)預(yù)置預(yù)案進(jìn)行一鍵圖文、聲音廣播快速逃生指引，如圖4所示。為了避免誤操作，增強(qiáng)可靠性，設(shè)計(jì)了二次確認(rèn)才可進(jìn)行相應(yīng)的操作。也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)救援指揮部的安排，現(xiàn)場(chǎng)編輯逃生指揮方案，如圖5所示。

圖4 基于預(yù)案的一鍵圖文、聲音廣播管理

圖5 逃生指揮方案編輯

2.2 LED顯示屏模塊的開(kāi)發(fā)

LED顯示控制板通過(guò)串口RS-485與廣播通信主機(jī)通信，根據(jù)串口接受的漢字內(nèi)碼查詢(xún)位于固化在Flash ROM中的漢字顯示點(diǎn)陣庫(kù)，從而形成顯示點(diǎn)陣碼；在LED顯示控制板的RAM中建立一個(gè)與LED顯示屏相對(duì)應(yīng)的顯示緩存區(qū)，將顯示的漢字的點(diǎn)陣碼存在該緩存區(qū)中，LED顯示控制板不斷將顯示緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)以串行移位方式移進(jìn)點(diǎn)陣顯示屏的顯示鎖存寄存器，并通過(guò)相應(yīng)的行選開(kāi)關(guān)的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示屏動(dòng)態(tài)行掃描。圖6為L(zhǎng)ED信息顯示屏系統(tǒng)的架構(gòu)框圖。

圖6 顯示屏系統(tǒng)的架構(gòu)框圖

本安型LED顯示屏燈箱采用12V供電，控制芯片選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F8520單片機(jī)，通過(guò)RS485現(xiàn)場(chǎng)總線與廣播通信主機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。

3 系統(tǒng)實(shí)施效果

煤礦井下安全避險(xiǎn)智能通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)已在某礦設(shè)計(jì)安裝并投入使用，如圖7所示。同普通的擴(kuò)音系統(tǒng)或單網(wǎng)的電話調(diào)度系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)功能更全面、操作更簡(jiǎn)便、音質(zhì)清晰、效果良好，安全性高，利用率高。通過(guò)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)接口，方便接入礦井信息化管理系統(tǒng)，為提高礦山的整體管理水平有很大的推動(dòng)作用。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)示意圖

4 結(jié)論

（1）基于光纖環(huán)網(wǎng)、電話調(diào)度網(wǎng)絡(luò)及CAN、RS485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線多種通信手段的一體化系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的通信冗余能力，有效保證了與井下復(fù)雜環(huán)境、任意區(qū)域、不同工種人員語(yǔ)音通信清晰準(zhǔn)確傳達(dá)，多網(wǎng)融合使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和更好的兼容性。

（2）基于光纖環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的TCP/IP模塊，程控調(diào)度電話網(wǎng)絡(luò)的RJ-11-TRX模塊并冗余無(wú)線子模塊，為無(wú)線通信系統(tǒng)的融合預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的接口；音頻信號(hào)可在數(shù)字以太網(wǎng)絡(luò)和電話調(diào)度網(wǎng)絡(luò)間自由切換，數(shù)據(jù)信息則可在以太網(wǎng)和CAN、RSRS485等現(xiàn)場(chǎng)總線之間轉(zhuǎn)換。

（3）基于以太網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，研制具有數(shù)字廣播、調(diào)度指揮、錄音報(bào)警及存儲(chǔ)等功能的上位機(jī)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)電子地圖、逃生路線LED指揮、雙向?qū)χv等功能的管理。

（4）基于礦井災(zāi)變應(yīng)急預(yù)案的一鍵智能逃生指引系統(tǒng)。針對(duì)不同種類(lèi)不同區(qū)域的突發(fā)災(zāi)害，只需通過(guò)一鍵操作即可完成相對(duì)應(yīng)的聲音報(bào)警信息、井下逃生路線指揮音頻和LED顯示屏逃生方向指引信息的發(fā)布，高效應(yīng)對(duì)各種災(zāi)變。