摘要：煤礦開采作業(yè)屬高危工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，煤礦事故發(fā)生后，對礦井下的人員生命安全造成了嚴(yán)重威脅和損失，因此，煤礦事故的快速救援重要前提是安全可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)。以煤礦救援為目的，研究適用于封閉、障礙、非結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)急無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為煤礦救援環(huán)境中的應(yīng)急無線通信系統(tǒng)的正常運行提供保障。針對煤礦救援用無線通信技術(shù)需求進行分析，確定應(yīng)急救援用無線通信技術(shù)；構(gòu)建無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計無線通信狀態(tài)監(jiān)測實驗。實驗結(jié)果表明，無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的各節(jié)點與接收上位機之間的網(wǎng)絡(luò)強度情況，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠達到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的目的。

關(guān)鍵詞：煤礦救援"應(yīng)急通信"無線通信狀態(tài)監(jiān)測"系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TD632.1;TP274"""""文獻標(biāo)識碼：A

Design"of"the"Emergency"Wireless"Communication"Status"Monitoring"System"for"Coal"Mines

SHI"Zhaowei1""XUE"Xusheng2

（1.Lanzhou"of"Resources"and"Environment"Voc-Tech"University，"Lanzhou，"Gansu"Province，"730021"China;"2.College"of"Mechanical"Engineering，"Xi'an"University"of"Science"and"Technology，"Xi'an，"Shaanxi"Province，"710054"China）

Abstract："Coal"mining"operation"belongs"to"a"high-risk"industrial"production"environment，"the"occurrence"of"coal"mine"accidents"causes"severe"threats"and"losses"to"the"life"safety"of"people"underground"coal"mines，"so"the"important"premise"for"the"rapid"rescue"of"coal"mine"accidents"is"a"safe"and"reliable"emergency"communication"system."With"the"purpose"of"coal"mine"rescue，"the"emergency"wireless"communication"status"monitoring"system"applicable"to"the"closed，"obstructed"and"non-structural"complex"environment"is"studied，"so"as"to"provide"guarantee"for"the"normal"operation"of"the"emergency"wireless"communication"system"in"the"coal"mine"rescue"environment."The"demand"for"the"wireless"communication"technology"used"for"coal"mine"rescue"is"analyzed"to"determine"the"wireless"communication"technology"used"for"emergency"rescue，"the"wireless"communication"status"monitoring"system"is"built，"and"wireless"communication"status"monitoring"experiments"are"planned."Experimental"results"show"that"the"wireless"communication"status"monitoring"system"can"display"the"network"strength"between"each"node"and"the"receiving"host"computer"in"the"wireless"network"range"in"real"time，"and"that"the"system"operation"is"stable"and"reliable，"which"can"achieve"the"purpose"of"monitoring"the"network"status.

Key"Words："Coal"mine"rescue;"Emergency"communication;"Wireless"communication"status"monitoring;"System"design

煤炭生產(chǎn)是我國能源生產(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，煤炭產(chǎn)量約占世界總量的50%，但其生產(chǎn)過程時常伴有爆炸、瓦斯突出、冒頂、透水等危險環(huán)境。2010—2019年全國共發(fā)生煤礦生產(chǎn)安全事故868起，因此，瓦斯、冒頂、水災(zāi)事故仍為今后防治的重點，煤礦事故的快速救援亦是重要技術(shù)[1]。煤礦應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)作為煤礦救援任務(wù)開展的數(shù)據(jù)通信重要保證，在建立應(yīng)急通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實時監(jiān)測應(yīng)急無線通信狀態(tài)成為重要基礎(chǔ)。

縱觀目前國內(nèi)外煤礦井下應(yīng)急救援通信的發(fā)展歷程，最早出現(xiàn)的是煤礦應(yīng)急調(diào)度通信系統(tǒng)，然后出現(xiàn)的是無線移動通信技術(shù)，這項技術(shù)主要是以電磁波為載體，比如漏泄應(yīng)急通信技術(shù)、無線透地應(yīng)急通信技術(shù)、感應(yīng)應(yīng)急通信技術(shù)等[2-4]，到后來以基站，交換機組成的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成功面世，比如小靈通應(yīng)急通信技術(shù)、WLAN無線應(yīng)急通信技術(shù)等。

上述技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的成功應(yīng)用，僅表明無線通信技術(shù)在應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時是可行的，但應(yīng)急無線通信系統(tǒng)的運行可靠性研究較少，因此，該文針對建立應(yīng)急無線通信系統(tǒng)后系統(tǒng)的實時監(jiān)測，提出了封閉、障礙空間的無線通信衰減以及狀態(tài)監(jiān)測模型，為煤礦救援環(huán)境中的應(yīng)急無線通信系統(tǒng)的正常運行提供支持[5]。

1"煤礦應(yīng)急無線通信需求分析

煤礦井下應(yīng)急無線通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)有比較大的區(qū)別，具體包括以下幾個方面。

1.1"通信環(huán)境的復(fù)雜性

煤礦井下的巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲折多彎，對于信號的傳播非常不利，比如反射、折射、多徑衰落等許多不確定性因素將會直接影響信號的強度。

1.2"環(huán)境惡劣

當(dāng)煤礦井下發(fā)生安全事故的時候，很可能會產(chǎn)生大量的易爆、易燃氣體，同時，還可能會出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，這對于巷道來說是致命性的破壞。由此可見，在設(shè)計煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)的時候，應(yīng)該考慮到煤礦井下發(fā)生安全事故時的復(fù)雜環(huán)境，以更好地適應(yīng)這種復(fù)雜環(huán)境的需求。

1.3"無電源供電

當(dāng)煤礦井下發(fā)生安全事故的時候，井下將會切斷全部的供電系統(tǒng)，所有的需電設(shè)備將無法正常運轉(zhuǎn)，而且在這種急停的情況下很有可能會造成供電設(shè)備的損壞。如此看來，在現(xiàn)代無線應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計過程中，如何解決好供電問題才是第一要素。

因此，設(shè)計一套可靠的煤礦井下無線應(yīng)急通信系統(tǒng)，必須滿足以下幾個要求。

第一，由于煤礦井下巷道的結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，環(huán)境特殊多變，所以系統(tǒng)的載頻不能太低，如果系統(tǒng)載頻過低，在傳輸信息的過程感應(yīng)電路承載的負(fù)荷將會過重。

第二，煤礦井下巷道有較多轉(zhuǎn)彎，會對信號傳輸有影響，所以煤礦井下無線應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有多跳結(jié)構(gòu)，基于中間橋梁將信號逐層放大，保證信號的暢通和良好的通信。在此過程中，需考慮系統(tǒng)的自組織性，對于通信能否良好暢通起到至關(guān)重要的作用。

第三，煤礦井下巷道中的空間非常有限，且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)地勢相當(dāng)復(fù)雜，所以應(yīng)當(dāng)考慮救援設(shè)備的體積與便攜性、能耗，確保無論發(fā)生任何情況系統(tǒng)都能夠正常運作[6]。

2"煤礦應(yīng)急無線通信平臺設(shè)計

在井下發(fā)生煤礦安全事故、現(xiàn)有通信方式失效時，地面為了救援礦井下的人員，就必須實時了解煤礦井下的現(xiàn)場狀況，這時就需要在煤礦井下借助某種傳輸載體來進行信息的交互，不用通過傳統(tǒng)的電纜，把煤礦井下的現(xiàn)場信息傳輸?shù)降孛嫔蟻?。?jù)此分析，用來完成這種信息傳輸功能的載體必須具備兩種性能：一是具有無線傳輸性能，二是需要覆蓋面足夠廣闊，而Wi-Fi正好具備這兩種性能，適合作為傳輸載體使用。

該文主要用到的硬件模塊是VM300"Wi-Fi無線通信模塊。圖1為應(yīng)急無線通信系統(tǒng)硬件組成。

其中，PC、PE為標(biāo)準(zhǔn)WAN口，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)配置；PA為供電引腳；PD為模塊地；PB為標(biāo)準(zhǔn)RJ45，該文未用該接口開發(fā)。

3"狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

該文面向上述Wi-Fi應(yīng)急無線通信系統(tǒng)，設(shè)計監(jiān)測平臺實現(xiàn)實時獲取Wi-Fi的信號強度，通過信號強度推演信息的傳輸速度。首先，用設(shè)計獲取shell程序；其次，通過在shell中執(zhí)行Linux下的工具nm-tools來獲取周邊的Wi-Fi的全部信息；再通過shell來解析Wi-Fi的狀態(tài)信息，將其按照逐行排列顯示；再次，利用程序逐行分解其字符串，找到匹配行，獲取對應(yīng)應(yīng)急Wi-Fi的名稱及其相應(yīng)信號強度；最后，再按照在進行上位顯示，圖2為煤礦應(yīng)急無線通信狀態(tài)監(jiān)測平臺設(shè)計流程。

4"煤礦應(yīng)急無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實驗分析

4.1"獲取Wi-Fi信號的全部信息

首先是獲取周邊所有Wi-Fi的全部信息，如圖3所示。

通過對其獲取到的這些全部信息進行逐行解析之后，從中提取出名稱信息與信號強度信息，如圖4所示。

4.2"同一空間信號強度變化

在實驗室環(huán)境中對同一空間中無線信號強度實時監(jiān)控進行模擬實驗測試，如圖5所示。

巷道模擬實驗中，中繼1的無線網(wǎng)信號名稱為uestc_lib_in，中繼2的無線網(wǎng)信號名稱為uestc_lib_staff。將信號監(jiān)測單元放在巷道的中間位置，當(dāng)信號監(jiān)測單元向中繼1靠近，靠近一段距離之后，再向中繼2靠近，獲取的信號結(jié)果如圖6所示。

信號監(jiān)測單元在向中繼1靠近時，中繼1的無線信號強度在逐漸的增大，中繼2的無線信號強度在逐漸的減??；當(dāng)信號監(jiān)測單元向中繼2靠近時，中繼1的無線信號強度在逐漸的減小，中繼2的無線信號強度在逐漸的增大，其結(jié)果滿足電磁波在自由空間中的衰減規(guī)律。

4.3"不同空間信號強度變化

在實驗室環(huán)境中對不同空間中無線信號強度實時監(jiān)控進行模擬實驗測試，如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，兩個中繼放置在不同空間內(nèi)容，信號監(jiān)測單元實時監(jiān)測中繼1和中繼2的信號強度變化，信號監(jiān)測單元由中繼1附近位置逐步向中繼2的位置移動，獲取的信號結(jié)果如圖8所示。

信號監(jiān)測單元靠近中繼1時，無線信號強度在逐漸的增大，中繼2的無線信號強度在逐漸的減小；但當(dāng)監(jiān)測單元與中繼1和中繼2分別同處一個空間時，信號強度差距不大；但監(jiān)測單元逐漸移動到中繼2處時，無線信號強度在逐漸的增大，中繼1的無線信號強度在逐漸地減小，同時，電磁波在介質(zhì)中的衰減程度明顯要比在同一空間中的衰減程度大的多。

5"結(jié)論

該文結(jié)合計算機技術(shù)、通信技術(shù)、機械電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科知識，針對煤礦事故后的復(fù)雜環(huán)境，研究了適用于封閉、障礙空間的無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為煤礦救援環(huán)境中的應(yīng)急無線通信系統(tǒng)的正常運行提供支持。論文結(jié)論如下。

1. 分析了煤礦應(yīng)急無線通信系統(tǒng)需求，提出了應(yīng)急無線通信平臺方案。
2. 研究了無線通信監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件組成，基于Linux系統(tǒng)設(shè)計了無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
3. 設(shè)計了無線通信狀態(tài)監(jiān)測實驗，為建立無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供實驗支持。

通過實驗室模擬實驗驗證，無線通信狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的各節(jié)點與接收上位機之間的網(wǎng)絡(luò)強度情況，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠達到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的目的。

參考文獻

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