王潤北

(鄭州賽金電氣有限公司，鄭州450016)

1． 概述

煤礦應急通信保障系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的有線/無線相結(jié)合的通信系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)礦井的廣播通信、調(diào)度通信以及無線通信。系統(tǒng)將煤礦企業(yè)常用的通信系統(tǒng)進行了整合，使之能夠通過一個應急指揮中心進行管理，廣播電話可以用于皮帶巷、工作面等各種復雜場合。系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)互聯(lián)互通，并能夠通過自身的緊急呼叫/廣播功能觸發(fā)人員定位卡上的物理報警裝置。通過物聯(lián)網(wǎng)絡在礦井的應用，融合寬帶無線技術和傳感器技術，構建有線/無線混合結(jié)構的全覆蓋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有煤礦井下信息傳輸存在監(jiān)控盲區(qū)和不能實現(xiàn)全礦井的無縫全覆蓋監(jiān)控等問題。

2． 系統(tǒng)開發(fā)設計

2．1 應急通信保障系統(tǒng)軟件平臺的開發(fā)

如圖1所示，煤礦各通信系統(tǒng)通過應急通信保障系統(tǒng)的軟件平臺實現(xiàn)聯(lián)絡通信功能，實現(xiàn)統(tǒng)一的管理。

建立一套涵蓋煤礦有線、無線相結(jié)合的應急通信保障系統(tǒng)。實現(xiàn)礦井通信全覆蓋，發(fā)生災難緊急情況具有一鍵通功能，一分鐘內(nèi)快速通知井下所有礦工安全撤離。

本軟件平臺功能特點包括:

整合語音通信系統(tǒng)，統(tǒng)一界面，統(tǒng)一管理;

調(diào)度室直接對擴播、調(diào)度電話、手機各點進行緊急呼叫或廣播;

各分機點、線狀態(tài)顯示;

分級管理，分級監(jiān)控;

一鍵通緊急廣播;

豐富靈活的軟件接口，支持定制開發(fā)。

圖1 煤礦應急通信保障系統(tǒng)的軟件平臺

2．2 基于IP的數(shù)字式全雙工煤礦擴播電話的開發(fā)

煤礦擴播電話用于生產(chǎn)局部區(qū)域的通信，可以實現(xiàn)廣播式全雙工通話。如果出現(xiàn)事故異常，可以通過擴播電話機給出聲光報警提示信號;系統(tǒng)將傳統(tǒng)的擴播電話及程控電話以數(shù)字電路和數(shù)字網(wǎng)絡理念重新設計，實現(xiàn)語音電話機數(shù)字化、信號傳輸數(shù)字化、基于現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)集中控制的全數(shù)字語音電話系統(tǒng)。

本擴播電話是一種通過IP技術的網(wǎng)絡來實現(xiàn)語音通信的一種全新的通訊設備?；贗P的煤礦擴播通信是純數(shù)字擴播系統(tǒng)，抗干擾性強，音質(zhì)好，不但具有傳統(tǒng)的擴播電話系統(tǒng)的功能，還具備定時播報和背景音樂以及與地面調(diào)度臺互通等功能。除了集成調(diào)度電話功能，還支持以太網(wǎng)通信，可直接接入礦用調(diào)度電話系統(tǒng)。本產(chǎn)品中的IP擴播電話終端可以與調(diào)度電話交換機、普通電話交換機連接;可以更方便的實現(xiàn)背景音樂播放、觸點信號遙控功能;主機界面直觀友好，功能齊全，操作簡便，人機界面不僅具有形象逼真的動態(tài)畫面和全中文顯示，還具有急停報警監(jiān)視、安全確認機制和數(shù)據(jù)記錄功能。

擴播話機通過接收從串口傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU輸出到A/D轉(zhuǎn)換模塊和編碼解碼器，最后經(jīng)過功率放大器到擴音喇叭實現(xiàn)擴音廣播。來自IP擴播電話的轉(zhuǎn)換端口的數(shù)字語音信號通過芯片微處理器，拆包并提取語音數(shù)據(jù)送入VS1003B對其進行解壓與解碼再由芯片進行D/A轉(zhuǎn)換還原成語音模擬信號輸出。井下人的模擬語音信號通過芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，得到的PCM信號，再由VS1003B進行壓縮編碼，壓 縮 后 數(shù) 據(jù) 輸 出 給 FPGA 芯 片。EP2C8Q208C8型的FPGA芯片微處理器除了提供系統(tǒng)所需的所有時序外，還對編碼后的數(shù)據(jù)進行處理和打包傳輸給IP擴播電話的轉(zhuǎn)換端口。

2．3 調(diào)度程控電話廣播裝置的開發(fā)

可以通過以太網(wǎng)口，就近接入井下工業(yè)以太網(wǎng)交換機，地面?zhèn)鬏斀涌谕ㄟ^以太網(wǎng)上的交換機與井下本安廣播分站進行通訊，組成工業(yè)以太網(wǎng)+通信電纜的模式。

本系統(tǒng)話機帶有源音箱，在接收到電話呼叫后振鈴三聲以內(nèi)摘機，則實現(xiàn)普通聽筒通話;若振鈴三聲未摘機，則電話機自動接通，并把接收到的語音轉(zhuǎn)接到有源音箱進行擴音播放。

2．4 基于Wi－Fi礦用無線通信

礦用無線通迅系統(tǒng)采用Wi－Fi與TCP/IP相結(jié)合的技術，在煤礦井下實現(xiàn)了語音信息的無線傳輸。專門根據(jù)煤礦井下環(huán)境和巷道電磁波的傳輸特性設計研制的礦用無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)采用全本安設計，可以在工作面、回風巷等高瓦斯環(huán)境中使用。通過無線信號進行空間覆蓋的礦井寬帶無線通訊系統(tǒng)，可與礦上行政電話系統(tǒng)、有線調(diào)度電話系統(tǒng)無縫銜接，利用礦用本安手機、固定電話等終端接入設備來實現(xiàn)群呼、組呼等功能，從而實現(xiàn)井上對井下的語音調(diào)度以及井下對井上的信息反饋，并真正實現(xiàn)了無線通信、調(diào)度通信和行政通信一體化、井下通信和井上通信一體化，使煤礦無線通訊技術躍上一個新的臺階，進而能夠更準確、實時、快速的進行生產(chǎn)指揮、調(diào)度、搶險救災、安全救護、安全監(jiān)測、移動數(shù)據(jù)傳輸，是煤礦通信聯(lián)絡系統(tǒng)的理想選擇?；赪i－Fi礦用無線通信系統(tǒng)是基于標準的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡、采用TCP/IP、Wi－Fi和SHDSL等協(xié)議開發(fā)的新一代礦用無線通信系統(tǒng)，它由IP調(diào)度交換系統(tǒng)、地面環(huán)網(wǎng)接入器、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、礦用本安型DSL接口、礦用本安型無線基站、礦用本安型Wi－Fi手機、礦用攝像頭及其他配套設備組成，能實現(xiàn)礦區(qū)井上與井下的語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸功能。

2．5 無線視頻監(jiān)控

系統(tǒng)基于當前先進的視頻采集、數(shù)據(jù)壓縮還原、網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g設計而成。系統(tǒng)采用單對雙絞線數(shù)字傳輸、Wi－Fi無線通信取代原有的光纖傳輸方式，采用固定與移動音、視頻監(jiān)控模式，填補了國內(nèi)市場空白。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控終端、網(wǎng)絡傳輸平臺、監(jiān)控中心等部分。根據(jù)監(jiān)控傳輸方式的不同，還可以分為有線監(jiān)控和無線監(jiān)控。隔爆攝像儀通過有線方式連接。本安攝像儀既可以通過有線連接，也可以通過無線連接。

3． 關鍵科學技術

3．1 與礦井人員定位系統(tǒng)互聯(lián)互通關鍵技術的研究

本系統(tǒng)的軟件平臺將煤礦人員定位系統(tǒng)與通信聯(lián)絡系統(tǒng)進行了互聯(lián)，在平時生產(chǎn)中能夠?qū)崟r了解井下人員的準確數(shù)量、流動情況及分布情況，從而提高礦井的生產(chǎn)效率。當事故發(fā)生時，井下人員通過人員定位卡上的緊急按鈕實現(xiàn)對井上調(diào)度室的緊急呼叫，救援人員可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，迅速了解有關人員的位置情況并與之進行有效的通信聯(lián)絡，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。

3．2 與礦井工業(yè)以太網(wǎng)綜合接入關鍵技術的研究

本項目組研發(fā)了多種接入方式的礦用綜合IP語音接入網(wǎng)關，本IP電話語音網(wǎng)關系統(tǒng)采用先進數(shù)字語音通信技術，基于IP通信，支持靜態(tài)、動態(tài)IP地址和IP地址智能學習功能。

IP語音網(wǎng)關將從調(diào)度臺由工業(yè)以太網(wǎng)傳來的網(wǎng)絡信號進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成適合RS485傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，發(fā)送到各個擴播電話機，以便在井下擴播。其接口如圖2所示。

圖2 語音網(wǎng)關接口圖

為確保礦用綜合接入網(wǎng)關的實時性和可靠性，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)，采用改進TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)擴展各種現(xiàn)場總線接口，完成需要的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，確保互聯(lián)互通，提高系統(tǒng)的兼容性，系統(tǒng)硬件結(jié)構原理圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件需要完成各種協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，修改TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)主要由系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡模塊、現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和人機接口幾個主要部分組成。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構原理圖

IP電話語音網(wǎng)關用于礦井擴播對講系統(tǒng)中。其主要目的是在保留礦井老式模擬話機投資的基礎上將語音傳輸IP化，從而改善井下布線的安全性，提高傳輸距離，方便調(diào)度控制，并為井下通信系統(tǒng)的進一步升級改造打好基礎。

3．3 與現(xiàn)有擴播電話互聯(lián)互通關鍵技術的研究

本系統(tǒng)設計的專用轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)與其他各種廠家型號擴音電話和以太網(wǎng)之間的通信轉(zhuǎn)換。

擴播系統(tǒng)接口:該接口連通四芯電纜，其中兩條是電源線，兩條是信號線。

IP網(wǎng)絡接口:該網(wǎng)絡接口是RJ45接口，用于與工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接，收發(fā)數(shù)據(jù)。

每條皮帶機擴音線路只需要配備一臺數(shù)字化轉(zhuǎn)換器即可，它的接口如圖4所示。

圖4 與現(xiàn)有擴播電話的互聯(lián)

轉(zhuǎn)換器模擬接口滿足各種型號的擴音電話接口要求，能驅(qū)動最多25部擴音電話或KB轉(zhuǎn)換器，最大傳輸距離達25Km。KB轉(zhuǎn)換器以太網(wǎng)接口是10/100MHZ自適應的，符合標準IEEE802．3/IEEE802．3U標準。

3．4 與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)(Wi－Fi、小靈通等設備)互聯(lián)互通關鍵技術的研究

礦區(qū)使用的Wi－Fi手機和本安型小靈通能夠?qū)崿F(xiàn)井上井下之間的雙向通信。Wi－Fi手機和小靈通可通過中繼網(wǎng)關設備接入礦用應急廣播通信系統(tǒng)，作為應急廣播通信的信息發(fā)布手段之一，與其他既有及新建通信系統(tǒng)協(xié)同工作，最大限度地滿足井下通信和廣播需要。

4． 結(jié)語

煤礦應急通信保障系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)以及各部分系統(tǒng)進行有機的整合，形成聯(lián)動機制，從而大大提高各類事故的防范能力和緊急情況下的處置能力。該系統(tǒng)的廣泛應用，將進一步解決目前各煤礦沒有覆蓋全礦區(qū)的“一鍵”緊急廣播通信手段、系統(tǒng)彼此相對獨立、不具備協(xié)同工作能力、聯(lián)動性差等問題，為煤炭安全生產(chǎn)管理水平的進一步提高提供有力的技術保障。

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