煤矿井下安全避险智能通信联络系统研制

祁宇明，谢兵，邓三鹏，蒋丽

（1.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究院，天津 300222；2.天津市智能机器人技术及应用企业重点实验室，天津 300353；3.天津科技大学 机械工程学院，天津 300222）

0 引言

矿井通信联络系统是煤矿安全生产调度和防灾避险救援的重要工具，是煤矿井下安全避险“六大系统”之一[1-2]。矿井通信联络系统[3-6]主要包括调度通信系统、矿井广播通信系统、矿井移动通信系统、矿井救灾通信系统等。为了确保井下人员的安全，提高煤矿安全生产水平及防灾避险能力，国内学者针对煤矿井下具备安全避险功能的智能通信联络系统进行了相关研究。比如：文献[7-9]针对煤矿井下安全监控系统的设计进行研究；潞安集团通信公司[10]关于煤矿井下无线通信系统应用的探讨；文献[11-13]针对煤井矿应急广播系统进行相关结构、应用等进行研究；神东煤炭集团安监局[14]提出基于无线MWSE网络的煤矿应急救援通信系统。煤矿井下无线可以在应急救援中发挥一定作用，然而其存在中继时延、带宽损失和系统稳定性等难题[15]。

针以上问题，本研究提出了一种具备数字化应急救援功能的多网融合煤矿井下安全避险智能通信联络系统。当井下突发重大安全事故，地面调度指挥中心工作人员利用广播系统，通过设在井下重点防范区域的本安广播站和本安显示屏以广播和文字指引的方式对现场工作人员进行引导和疏散，指挥人员迅速、有序、安全的撤离危险区域，最大程度的减少灾害影响。

1 智能通信联络系统功能及组成

煤矿井下安全避险智能通信联络系统是基于光纤环网、电话调度网及CAN、RS485工业现场总线多种通信手段的一体化系统。音频信号可在数字以太网和电话调度网络间自由切换，数据信息在以太网和RS485现场总线之间切换；设计了基于矿井灾变应急预案的专家智能逃生一键指引系统，可根据不同的灾变类型及地点，一键操控发布预设的指引逃生路线指引相关工作人员紧急安全撤离；同时利用广播主站和本安型广播电话上的紧急呼叫按钮，实现一键上呼，利用本安型显示屏显示灾害信息和指引避险逃生路线。多网融合的智能通信联络系统主要由网管工作站、子系统监控主机、井上核心交换机、网闸、井下防爆兼本安型千兆环网交换机、煤矿井下工业以太环网、程控电话交换网组成，如图1所示。

图1 多网融合的智能通信联络系统结构图

2 系统关键技术

2.1 基于Delphi的上位机软件系统的开发

Delphi[16]具有多层数据结构模式及高效率的数据库管理系统等优势。因此，设计了一种基于Delphi的上位机软件系统，智能管理煤矿井下安全避险智能通信联络。系统具备如下九大功能：井下GIS系统，分组广播管理，一键广播管理，数字对讲管理，录音管理，日志管理，LED屏图形、文字管理；基于预案的一键图文、声音广播管理，各种数据的存储、保存。

2.1.1 井下GIS系统

GIS即地理信息系统，可准确显示各控制端的具体位置以及故障信息。井下GIS系统具备选择性更换地图与设备，如图2所示。

图2 井下GIS系统

2.1.2 分组广播管理

分组广播管理是通过通信联络系统主站列表中区域的选择，实现对音乐和语音分区域播放、全区域播放管理。在紧急情况下，可利用一键操作完成全区域的广播通信。分组广播管理可实现无人值守自动、定时、多方案播放，如图3所示。

图3 分组广播管理

2.1.3 数字对讲管理

数字对讲系统是基于以太网络、TCP/IP协议传递数字音频，实现定时广播、分区广播等功能；基于调度电话交换机网络传输模拟音频，实现全矿井电话调度指挥广播通信功能；基于强大的“语音+数据”的多媒体通信能力，形成强大的指挥调度功能以及图文调度和语音调度。其数字对讲系统支持点对点、点对多点、越级指挥、多调度台分组协同指挥、插入、广播、会议等指挥模式，专用录音录像服务器以及一键直通、强插、强拆及调看/调听等调度业务功能，方便不同指挥调度关系的上传下达。

2.1.4 录音管理及日志管理

通信联络的语音，自动录音，进行查询、存储等操作，并按照时间进行存储管理。日志管理储存系统所有相关操作和指令，方便查找原因、分析过程、划定责任。

2.1.5 基于预案的一键图文、声音广播管理

在井下关键点布设应急避险显示屏，日常情况下显示屏可根据实际情况显示相应文字或图形；突发情况时显示内容可通过井上工控机和井下RS485总线上的联动报警信号改变，实现应急显示屏避险逃生指引。系统中任意一个广播终端发生故障，都不会干扰系统中或同平台运行的其他设备，以及不会影响本系统及其他系统的正常运行。

基于矿井灾变应急预案的专家智能逃生一键指引系统设计，可根据不同的灾变类型、不同的灾变地点，一键操控发布预设的指引逃生路线，快速指引不同地点、不同位置的工作人员进行紧急安全撤离。可基于调度与应急指挥系统与监控监测系统高效联动，基于GIS系统真正实现数字化矿井；先进的多媒体调度与应急指挥系统能够与“数字化矿井”的其他监测监控系统实现高效联动，提高处理突发事件的效率和一体化科学管理的效率。紧急情况下，可通过预置预案进行一键图文、声音广播快速逃生指引，如图4所示。为了避免误操作，增强可靠性，设计了二次确认才可进行相应的操作。也可根据现场救援指挥部的安排，现场编辑逃生指挥方案，如图5所示。

图4 基于预案的一键图文、声音广播管理

图5 逃生指挥方案编辑

2.2 LED显示屏模块的开发

LED显示控制板通过串口RS-485与广播通信主机通信，根据串口接受的汉字内码查询位于固化在Flash ROM中的汉字显示点阵库，从而形成显示点阵码；在LED显示控制板的RAM中建立一个与LED显示屏相对应的显示缓存区，将显示的汉字的点阵码存在该缓存区中，LED显示控制板不断将显示缓存区中的数据以串行移位方式移进点阵显示屏的显示锁存寄存器，并通过相应的行选开关的选择来实现显示屏动态行扫描。图6为LED信息显示屏系统的架构框图。

图6 显示屏系统的架构框图

本安型LED显示屏灯箱采用12V供电，控制芯片选用Microchip公司生产的PIC18F8520单片机，通过RS485现场总线与广播通信主机进行通信，实现数据的上传下达。

3 系统实施效果

煤矿井下安全避险智能通信联络系统已在某矿设计安装并投入使用，如图7所示。同普通的扩音系统或单网的电话调度系统相比，本系统功能更全面、操作更简便、音质清晰、效果良好，安全性高，利用率高。通过开放的网络接口，方便接入矿井信息化管理系统，为提高矿山的整体管理水平有很大的推动作用。

图7 现场示意图

4 结论

（1）基于光纤环网、电话调度网络及CAN、RS485工业现场总线多种通信手段的一体化系统，提高了系统的通信冗余能力，有效保证了与井下复杂环境、任意区域、不同工种人员语音通信清晰准确传达，多网融合使系统具有更强的环境适应能力和更好的兼容性。

（2）基于光纤环网数据通信的TCP/IP模块，程控调度电话网络的RJ-11-TRX模块并冗余无线子模块，为无线通信系统的融合预留标准、规范的接口；音频信号可在数字以太网络和电话调度网络间自由切换，数据信息则可在以太网和CAN、RSRS485等现场总线之间转换。

（3）基于以太网络TCP/IP协议，研制具有数字广播、调度指挥、录音报警及存储等功能的上位机平台，以实现针对电子地图、逃生路线LED指挥、双向对讲等功能的管理。

（4）基于矿井灾变应急预案的一键智能逃生指引系统。针对不同种类不同区域的突发灾害，只需通过一键操作即可完成相对应的声音报警信息、井下逃生路线指挥音频和LED显示屏逃生方向指引信息的发布，高效应对各种灾变。