【摘要】 本文研究是以徐莊煤礦通信需求為背景，為井下設(shè)計(jì)建設(shè)一套無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)。針對(duì)當(dāng)前徐莊煤礦工業(yè)信息化的建設(shè)情況，對(duì)WI-FI無(wú)線技術(shù)及組網(wǎng)IP技術(shù)進(jìn)行了研究分析，采用將WI-FI無(wú)線技術(shù)與光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)有效結(jié)合的方式，提出了基于WI-FI技術(shù)的井下無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)方案進(jìn)行具體的應(yīng)用分析、設(shè)計(jì)和研究。

【關(guān)鍵詞】 WI-FI 無(wú)線通信 煤礦 工業(yè)環(huán)網(wǎng)

一、緒論

由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，井下作業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理有非常高的實(shí)時(shí)性要求，作為生產(chǎn)管理人員、電機(jī)車司機(jī)、絞車司機(jī)、瓦檢員、皮帶維護(hù)工等流動(dòng)人員應(yīng)能夠與生產(chǎn)調(diào)度室及時(shí)取得聯(lián)系，將生產(chǎn)一線的各種情況上報(bào)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮統(tǒng)一調(diào)度。煤礦事故的發(fā)生是不確定性的，事故發(fā)生后必須依據(jù)當(dāng)時(shí)情況，采取果斷的措施進(jìn)行處理，對(duì)井下人員進(jìn)行緊急搶救，但對(duì)井下人員的監(jiān)控由于受各種條件的限制還很不完善，對(duì)于井下人員的情況不能及時(shí)反映，導(dǎo)致事故發(fā)生時(shí)不能及時(shí)、準(zhǔn)確的得到井下人員的信息，無(wú)法做出正確的決策，以致會(huì)造成搶險(xiǎn)不及時(shí)，有可能貽誤對(duì)生命的搶救。目前井下的有線通信遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)井下大量流動(dòng)作業(yè)人員及其管理上的需要，因此研究應(yīng)用一套完善、可靠的井下無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)于煤礦提高效率和實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

二、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于煤礦井下的特殊性，制約了井下無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，我國(guó)井下無(wú)線通信系統(tǒng)一直主要靠引進(jìn)吸收國(guó)外的相關(guān)技術(shù)，但隨著近年來(lái)地面無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，新型的無(wú)線技術(shù)越來(lái)越多的服務(wù)于煤礦井下。目前可用于煤礦井下的無(wú)線系統(tǒng)主要有：漏泄通信技術(shù)、透地通信技術(shù)、井下小靈通技術(shù)、WI-FI技術(shù)。

2.1 WI-FI技術(shù)

WI-FI（WirelessFidelity），是一種無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)與規(guī)格，也就是IEEE定義的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11。無(wú)線局域網(wǎng)是有線局域網(wǎng)的擴(kuò)展和替換，是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過(guò)無(wú)線HUB、無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（AP）、無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線網(wǎng)卡等設(shè)備使無(wú)線通信得以實(shí)現(xiàn)。WI-FI屬于短距離無(wú)線技術(shù)，覆蓋范圍可達(dá)幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。其整個(gè)系統(tǒng)以WI-FI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議為基本架構(gòu)，以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個(gè)系統(tǒng)的主干傳輸平臺(tái)，形成有線主干與無(wú)線終端相結(jié)合的方式，覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)煤礦寬帶無(wú)線通訊。

2.2 Wi-Fi與相關(guān)技術(shù)比較

漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災(zāi)變能力差、大量的串聯(lián)中繼設(shè)備導(dǎo)致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問(wèn)題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。感應(yīng)通信系統(tǒng)存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問(wèn)題。透地通信系統(tǒng)存在著設(shè)備體積大、重量重、信道容量小、地面設(shè)備功率大、地面天線布置困難、單向通信（地面向井下）等問(wèn)題。 PHS（小靈通）通信系統(tǒng)與3G（大靈通）通信系統(tǒng)存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆、系統(tǒng)不具備冗余功能、抗災(zāi)變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問(wèn)題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷?？紤]到礦井下的特殊性和經(jīng)濟(jì)性，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

煤礦井下是一個(gè)特殊的工作環(huán)境，有潮濕、易燃、易爆和腐蝕性氣體，無(wú)線傳輸衰耗大（例如，在地面通信距離可達(dá)數(shù)幾千米的對(duì)講機(jī)，在井下通信距離僅有百米）等特點(diǎn)。對(duì)于煤礦礦井這一特殊環(huán)境，徐莊煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)不同于一般的地面無(wú)線通信系統(tǒng)，它應(yīng)有以下特殊的要求：

⑴無(wú)線通信的傳輸技術(shù)應(yīng)適應(yīng)煤礦井下的工作環(huán)境，設(shè)備還應(yīng)有防塵、防水、防潮、防腐、耐機(jī)械沖擊等防護(hù)性能。

⑵無(wú)線通信設(shè)備應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，應(yīng)采用安全性能好的本質(zhì)安全型。

⑷無(wú)線通信系統(tǒng)的體積不能很大，通信設(shè)備發(fā)射功率符合國(guó)標(biāo)。

⑹無(wú)線通信設(shè)備的電源電壓波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，備用電源應(yīng)維持不小于2小時(shí)的正常工作。

⑺無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)有較強(qiáng)的抗故障能力。

⑻系統(tǒng)應(yīng)具有較大的信道容量。能滿足礦井生產(chǎn)調(diào)度的需要，且可以與煤礦行政、調(diào)度通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，形成一個(gè)統(tǒng)一的、資源共享的通信平臺(tái)。

四、工作原理

徐莊煤礦所設(shè)計(jì)的礦井無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下分站和移動(dòng)通信終端組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理與控制，通過(guò)地面監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)井下人員以及相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可由服務(wù)器并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件完成。井下分站為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分并負(fù)責(zé)多項(xiàng)功能。

系統(tǒng)工作原理：位于地面的管理主機(jī)通過(guò)交換機(jī)為進(jìn)入到無(wú)線信號(hào)覆蓋區(qū)域的每一臺(tái)手持機(jī)分配一個(gè)IP地址，并自動(dòng)為其在管理軟件中注冊(cè)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。注冊(cè)后的手持機(jī)即可正常通話。呼叫時(shí)節(jié)點(diǎn)收到手持機(jī)發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，并將其調(diào)制打包后通過(guò)礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送到地面管理主機(jī)，經(jīng)軟件處理后又經(jīng)礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送到覆蓋被呼叫手持機(jī)所在區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，呼叫目標(biāo)手持機(jī)接收信號(hào)后經(jīng)過(guò)振鈴提示并調(diào)制成語(yǔ)音給與持機(jī)者，完成一次通話。

4.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由IP交換機(jī)、地面環(huán)網(wǎng)接入器、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、礦用本安型光網(wǎng)絡(luò)終端、礦用本安型基站、礦用本安型WIFI手機(jī)及其它配套設(shè)備所組成。系統(tǒng)按實(shí)際使用要求，通過(guò)增加或減少基站的數(shù)量，改變無(wú)線覆蓋范圍，可實(shí)現(xiàn)全礦井、大區(qū)域或小區(qū)域的無(wú)線通信。

4.2 IP調(diào)度交換機(jī)

調(diào)度交換機(jī)是系統(tǒng)的軟交換中心，采用IP語(yǔ)音通信，同時(shí)支持語(yǔ)音通信，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳遞語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。集成全套的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和多種整合通信功能，滿足礦方的調(diào)度通信要求，并能適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展。

4.3 環(huán)網(wǎng)接入器

為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供中繼和接口，為礦井信息化提供百兆以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息交換。礦用環(huán)網(wǎng)接入器與基站連接的接口，傳輸光信號(hào)或電信號(hào)。

4.4 礦用本安基站

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，是無(wú)線收發(fā)單元，它是從用戶到網(wǎng)絡(luò)以及從網(wǎng)絡(luò)到用戶之間的通信傳輸站。通過(guò)雙絞線與礦用DSL接口連接或通過(guò)光纜與礦用環(huán)網(wǎng)接入器連接，或直接與礦用環(huán)網(wǎng)接入器連接。根據(jù)不同的使用環(huán)境，可配置不同增益值及方向的天線。井下分站作為礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，應(yīng)具有多項(xiàng)重要功能。因?yàn)榭紤]到分站的體積重量以及分站內(nèi)部包括多個(gè)功能模塊，不適宜做成本質(zhì)安全型，因此將分站做成隔爆兼本質(zhì)安全型。

4.5礦用本安WIFI手機(jī)

本安手機(jī)是無(wú)線通信系統(tǒng)的終端設(shè)備。完成話音或數(shù)據(jù)信號(hào)與無(wú)線信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，與基站間構(gòu)成無(wú)線鏈路，實(shí)現(xiàn)無(wú)線移動(dòng)通信。每一臺(tái)進(jìn)入無(wú)線AP覆蓋范圍的合法WIFI手機(jī)，均通過(guò)地面管理服務(wù)器分配一個(gè)IP地址，并進(jìn)行注冊(cè)。呼叫時(shí)，基站將收到的手機(jī)無(wú)線信號(hào)處理后通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)送到地面管理服務(wù)器，地面管理服務(wù)器根據(jù)手機(jī)的相關(guān)信息，處理后再通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)送到目標(biāo)手機(jī)所在區(qū)域的基站，呼叫手機(jī)完成相互通話。

五、設(shè)計(jì)方案

徐莊煤礦無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：將徐莊礦井上的辦公區(qū)域采用地面無(wú)線基站進(jìn)行覆蓋，在井上系統(tǒng)信號(hào)覆蓋區(qū)域，手提電腦和智能手機(jī)終端均可自由上網(wǎng)；井下采用防爆無(wú)線基站對(duì)主要巷道進(jìn)行覆蓋，井上井下基站通過(guò)線纜接入基站控制器，井下防爆基站控制器通過(guò)光纜與交換設(shè)備連接。設(shè)備擁有豐富的中繼接口，可以通過(guò)語(yǔ)音交換機(jī)與礦上現(xiàn)有的行政交換機(jī)以及局端交換設(shè)備對(duì)接，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便后期的擴(kuò)容。同時(shí)該系統(tǒng)遵循信息產(chǎn)業(yè)部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合應(yīng)用智能天線、幀同步等高新技術(shù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放的接口實(shí)現(xiàn)與其他交換設(shè)備的對(duì)接等，實(shí)現(xiàn)終端井上井下以及公網(wǎng)的通話功能；通過(guò)調(diào)度臺(tái)的接入，可以實(shí)現(xiàn)井上井下無(wú)線終端的一體化調(diào)度，極大地提高煤礦安全生產(chǎn)管理效率。

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為井下設(shè)備和井上設(shè)備。井上設(shè)備包括：地面通信與監(jiān)測(cè)中心控制計(jì)算機(jī)、IP調(diào)度臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和交換機(jī)；井下設(shè)備由井下基站、連接光纜、井下手機(jī)、識(shí)別卡等組成。

無(wú)線通信終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)；IP調(diào)度臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)連接；多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)光纖互連組成千兆多環(huán)型、環(huán)型、鏈型或星型的任意組合網(wǎng)絡(luò)；識(shí)別卡通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)。數(shù)據(jù)服務(wù)器模塊包括網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、人員定位服務(wù)器和視頻管理平臺(tái)服務(wù)器，所有管理平臺(tái)服務(wù)器均通過(guò)以太網(wǎng)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)連接。

IP調(diào)度臺(tái)內(nèi)置有SIP服務(wù)器，用以實(shí)現(xiàn)VoIP通話；IP調(diào)度臺(tái)通過(guò)話音中繼接口與公網(wǎng)市話系統(tǒng)或企業(yè)內(nèi)部電話系統(tǒng)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)井下人員間、井下到礦區(qū)、井下到公網(wǎng)的全面通話。井上、下設(shè)備均安裝有不間斷后備電源系統(tǒng)，在停電環(huán)境中系統(tǒng)可以正常工作。系統(tǒng)滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備安全技術(shù)要求。

5.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

徐莊煤礦井下巷道長(zhǎng)、復(fù)雜，井下基站量偏多，考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可管理性和將來(lái)的擴(kuò)充性，采用中央控制的無(wú)線交換機(jī)和基站接入架構(gòu)。所有的管理都由位于網(wǎng)絡(luò)核心的無(wú)線交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了對(duì)無(wú)線接入點(diǎn)設(shè)備的配置管理和維護(hù)工作，因此突破了傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了“零配置”管理和維護(hù)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)如下圖1所示：

5.3基站的無(wú)線信號(hào)覆蓋設(shè)計(jì)

5.3.1地面設(shè)備配置

地面設(shè)備主要由IP/PBX網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音交換機(jī)、無(wú)線交換機(jī)、數(shù)據(jù)處理交換機(jī)、大基站、全向大功率天線組成； IP/PBX網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音交換機(jī)、無(wú)線交換機(jī)、大基站、維護(hù)臺(tái)與數(shù)據(jù)處理交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接；無(wú)線交換機(jī)通過(guò)光纜與井下基站控制器連接。地面用大功率基站進(jìn)行覆蓋，小基站進(jìn)行室內(nèi)補(bǔ)盲。

①大基站：在空曠無(wú)格擋的情況下，覆蓋半徑約600米，同時(shí)信號(hào)可以覆蓋所處樓層下面一層。

②小基站：覆蓋半徑約100米，大基站覆蓋不到的樓層，可以視情況架設(shè)小基站，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的全覆蓋。

5.3.2井下設(shè)備配置

井下設(shè)備主要由基站控制器、基站、電源、手機(jī)、標(biāo)識(shí)卡組成；井下的骨干網(wǎng)由基站控制器之間通過(guò)光纜鋪設(shè)而成；基站與基站控制器之間可以通過(guò)礦用通信電纜或光纜連接，手機(jī)、標(biāo)識(shí)卡與基站通過(guò)空中接口進(jìn)行通信，每一個(gè)基站和基站控制器都有一個(gè)單獨(dú)的電源供電。也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使控制器與某一臺(tái)基站共用一臺(tái)電源。

一個(gè)基站配有兩根高頻的全向或定向天線和4根低頻的全向或定向天線；每一根天線都有主、副天線之分，主天線既可以發(fā)射信號(hào)也可以接收信號(hào)，而副天線只可以接收信號(hào)。用有線連接時(shí)，基站與基站之間相距400米左右；用無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)時(shí)，基站與基站之間相距300米左右。基站的信號(hào)在經(jīng)過(guò)彎道以后，衰減非常厲害，在做全覆蓋時(shí)，巷道的每一個(gè)拐角都要裝基站。

六、應(yīng)用情況

根據(jù)要求，我礦對(duì)主副井、-400井底車場(chǎng)、-750井底車場(chǎng)、-400軌道大巷、II1猴車道、-400皮帶大巷、-750軌道大巷、東九猴車道、II3猴車道、西翼猴車道、II3軌道下山、-750皮帶大巷、皮帶暗斜井、采煤工作面及地面工業(yè)廣場(chǎng)等主要人員通過(guò)區(qū)域地點(diǎn)安裝了無(wú)線通信基站。目前系統(tǒng)已安裝無(wú)線基站約130臺(tái)，并為班組長(zhǎng)及管理人員配備了210臺(tái)本安型手機(jī)。系統(tǒng)自2014年5月初在徐莊礦安裝調(diào)試并運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的目的，整體運(yùn)行情況穩(wěn)定。

七、結(jié)束語(yǔ)

煤礦提高安全生產(chǎn)管理效率，不僅要有正確的決策機(jī)制和決策機(jī)構(gòu)，還要有高效實(shí)時(shí)的通信手段，特別是日常安全生產(chǎn)管理、緊急事故時(shí)的指令能實(shí)時(shí)傳達(dá)到礦井的各個(gè)工作地點(diǎn)，確保安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。建立井下無(wú)線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)通信與監(jiān)測(cè)，便于指揮調(diào)度中心和其他管理人員與井上下人員之間實(shí)時(shí)便捷通信，實(shí)時(shí)調(diào)度生產(chǎn)和動(dòng)態(tài)跟蹤，對(duì)于提高安全生產(chǎn)管理水平、促進(jìn)煤礦安全預(yù)警體系的建立和完善，使煤礦安全監(jiān)察由被動(dòng)式變?yōu)轭A(yù)防式具有重要的意義。

本文研究設(shè)計(jì)的礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)，利用了WI-FI無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，便于部署與運(yùn)維，符合和滿足礦用特定的使用環(huán)境與安全要求，可承載目前井下環(huán)境主要的通信業(yè)務(wù)，必將有廣闊的前景。