煤矿井下通信一体化系统设计

王建宇

（中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室 辽宁省抚顺市 113122）

随着我国煤矿企业的发展，煤炭开采强度也在不断加大。因此，煤炭生产安全问题日益凸显，成为一个更加令人担忧的问题。当下，许多煤矿在实际的日常经营管理过程中存在许多突出的问题。如井下应急信息救援通信手段不完善、落后，系统设计技术的落后和应急设备资源配置的不完善等，直接导致了煤炭开采重大事故的发生。在发生危急情况时，地下通信不畅，它将严重影响应急管理工作的顺利开展，危及许多矿工的人身安全和财产安全，不利于社会的健康发展煤炭开采。近年来，我国无线电通信技术也发展迅速，一系列无线电通信技术在我国现场开发中得到了多种应用，并取得了巨大成功完成。在根据地下矿山信息通信应用场景的实际应用情况，结合实际应用需求作出贡献；井下应急信息通信选择无线网络通信作为技术突破口看。广泛的无线网络通信技术被引入地下，在无线通信网络的基础上，开发煤矿应急通信系统。

1 井下通信技术

1.1 井下通信技术现状

煤矿井下通信，是一项非常重要的技术，不仅关乎着煤矿企业的发展，还会危及到矿工的人身以及财产安全。井下通信技术可以作为矿井应急中心与井下的重要救援力量、应急服务运行中心之间的一条临时应急通信线路，在矿难突然发生时发挥作用，避免二次停电，防止造成更大的经济损失和人身损害。事故发生后井下供能系统将自动为矿井停止供电，直接导致井下应急通信控制系统不能全面实施井下救援作业。

1.2 数字一体化系统的组成及特点

（1）系统采用现代光纤网络无线传输将井下新井井层通信管理系统直接融入井下主井通信系统，合成网络建立井下井层通信系统一体化管理系统，实现统一通信管理、调度和统一维护。

（2）本监控系统主要具有以下主要特点：①n+1 备份；②有线网络调度控制系统；③无线调度控制系统；④支持移动设备应用；⑤应急事件处理控制系统。

2 关键技术

针对煤矿矿区现有的矿井语音、无线、广播综合通信信息技术系统基础，结合新技术方法对该煤矿井广播通信信息一体化技术系统方案进行深入研究创新设计。

（1）交换网络技术系统设计矿井通信网络系统核心软件服务器系统安装的软件是一套具有完全自主知识产权的矿井指挥系统调

度通信软件，在所有工作阶段系统使用的是sip 通信协议，采用多种voip 通信手段和矿井软交换系统技术，以矿井软交换系统技术设计为基础核心设计建造一套矿井指挥通信系统一体化网络系统，这样既能有效处理s 和ip 间的通信，还能充分发挥和我国传统矿井通信网络交换机相同的交换功能，很好地实现合并了系统分组及集成电路的软交换，任意模块组网都能不受系统区域空间限制并大大节约系统投入时间成本。

（2）采用人工智能控制系统去进行管理控制。传统的虚拟服务管理系统一般都是采用1 台多个虚拟主机同时需要提供一个虚拟服务系统数据端口给多台主机用户，当服务系统一旦发生虚拟主机出现故障时，数据就很有可能会自动丢失遭到严重破损毁坏。

（3）井下指挥通信系统一体化程控平台项目设计过程基于煤矿生产应用的井下通信系统一体化，井下指挥自动调度程控平台将无线、程控电话和电视广播指挥调度系统集于三个一体，在一个程控平台上可以实现日常煤矿生产的井下指挥自动调度，这样也就能更有效地大大提高指挥调度的工作灵活性和操作科学性。该应急指挥综合调度通信系统主要是基于分布式指挥综合监控，应急指挥通信系统，指挥综合调度系统，业务管理系统，采用vc++编程语言进行编程集成软件，模块化程序设计模块进行系统分层架构设计；应用程序运行应用基于c/s 语言模式，双平台服务器多功能指挥台相互运行，具有多方指挥联动、资源共享、集中管理、统一指挥、应用领域范围跨度大和系统稳定性强等强大功能。

（4）中继器系统设计移动通信语音广播系统的一个关键部分是由于中继器的广泛应用，将多种语言编程进行中的数字化编程模拟、语音广播数据包的转发及基于语音数据包的编解码错误恢复等作为迷你版的语音广播信号都非常离不开这个中继器。

3 井下通信系统方案设计

3.1 井下应急控制技术、井下应急自动化通信系统与其他地面应急通信系统有明显的技术区别

由于井下信号的影响，无线井下线路的信号传输和使用环境与无线底层有很大的不同。无线波长信号在轨道上旋转时的径向传播不在空间中自由，这将增加铁路波的反射和折射以及多波长波的闪烁，这也将对无线电信号的反射强度产生重大影响。

特殊的应用环境和井下应急通信系统的现状对系统提出了更高的要求继续。对应我们分析了一个可靠的地下应急通信系统必须具备以下特点的实际需求：

图1：MR 整体架构图

（1）无线通信系统的载波频率不宜过低到期矿井特殊的信道环境，使得无线通信系统在发射和接收信号时，载波频率过低，必须依靠工作在狭窄地下空间的感应线。

（2）由于多单跳电路结构和自动组织结构的特点，地下信息空间中存在大量的外电跃迁和信号频率被外力阻断的概率，因此，无线电和应急地下通信系统通常需要设计和形成几个单跳交换结构，可以直接使用负载传输的射频传输，提高井下信号频率，了解井下点对点遇险信号的质量同时它的设计必须具有自组织特性，能够形成一个简单的网络，便于地下搬迁。

（3）设备能耗低，体积小，救援设备不必在狭窄的地下储存空间内使用，体积不能太大，必须便于携带是的。然后呢电池消耗低，可以解决电池供电慢的问题，能在矿井里工作很长时间。

3.2 井下应急通信系统架构

根据上述井下矿山应急移动网络的具体要求，可以明确给出基于无线网络通信网络的井下矿山应急移动网络系统及其整体网络架构。

3.3 设备选择

在设计功能方面，主要负责模拟信号的高频传输和信号增强因为这个原因设计硬件主要由微机控制器、存储卡组件、无线通信接口模块、电源模块等外围集成电路模块。

无线通信模块主要完成无线数据连接、无线接收和数据传输等重要任务责任。无线通信控制芯片，主要工作在MHz 和ISM 频段，集成了完整的无线数据传输协议，只要您需要一个简单的外设控制开关，就可以正常使用。

3.4 硬件架构设计

在选择了相关组件后，对系统硬件和系统总体架构进行了优化设计，确定了MR 的总体结构优化。从图1 我们可以清楚地看到设计，mcue 是整个通信模块的数据核心，通过数据总线和无线通信接收机，mcue 可以实现模块间的通信、数据传输和命令执行。MC的系统架构与上一代非常相似，但在此基础上又增加了无线语音直呼等功能，使两者在整个系统架构中几乎互为利用。

3.5 接口电路设计

（1）SDRAM 作为操作系统中的一种存储总线，工作频率与数据总线相同，它可以很容易地实现数据的快速删除，但同时它必须不断地自我更新以保持数据流的有效性。

（2）在本应用设备的交流电路设计中，无线通信网卡的网络供电一般要求5V 交流电源。为满足统一整流电压的处理要求，采用5V 整流电源，为统一系统电压供电只要采用两片maas2815ar 芯片进行统一电压处理，得到3.3V 统一电压；采用max8860 芯片进行统一电压处理，得到1.3V 统一电压。

4 系统实施及效果

新的移动通信网络一体化系统完成运行前期调试以来，系统基本运行稳定、应用学习效果良好。现场实际应用得到效果事实证明，新的井下通信系统一体化指挥系统设备性能可靠、软硬件功能匹配度高、操作系统方便，能及时准确全面地为矿井用户及时更新工作状态，使井下调度系统指挥工作人员可以不受特定时间段或地域因素影响，随时随地了解井下矿井的无线、有线广播调度指挥系统，语音及数字视频广播调度指挥系统，井下电视广播系统等以及用户的实际工作运行状态，很好地充分满足了以下现场应用要求：

（1）若与有线通信网络传输距离超过10km，无线通信传输网络覆盖范围可直接覆盖无线半径300m 的主要区域。

（2）主要功能工作原理设备系统能够自动实现使用ha 机对系统进行主从及数据备份，主机发生故障，从机可自动接替系统工作，不会故障造成主机数据安全丢失。

（3）极大地增加了系统容量，实现所有设备可任意组网。

（4）电源中继器采用全双工、4 接口、电缆双线传输，超过4km。

5 结语

煤矿安全通信技术是直接影响煤矿安全的基本技术要素，关乎着我国煤矿安全井下工业的稳定发展。井下应急救援的主要通信手段之一，应使煤矿井下应急信息系统不断地进行更新。本文根据煤矿应急网络通信的实际应用要求，介绍了无线网络应急通信系统，成功应用于井下设计。提出了一种基于无线网络通信网络的煤矿井下应急信息系统，给出了系统的完整技术设计和相关硬件系统设计细节。救援系统建设成本低、使用灵活、技术先进，这对于逐步提高井下应急救援效率至关重要。