无线以太网技术在煤矿通信系统中的应用

2010-01-31王春瑞

中国矿业 2010年5期

顾伟，王春瑞，张锋

(中电广通股份有限公司，北京 100044)

煤炭开采面临的是移动的生产环境，除永久性的大巷以外，在完成一个采区的采煤工作后，需要将采掘、支护、通信、监测监控、运输、电力、通风排水等大量设备搬迁至新的采煤工作区。井下巷道的掘进，同样面临的是不断移动的工作环境，大量的设备需要跟随掘进的进度随时搬迁。减员增效是煤炭企业提升安全生产管理水平的一个重要目标与手段。我国煤矿95%以上是井工开采，煤炭赋存条件差、开采深度深，井下巷道长，在这种环境下实现减员增效，对煤矿井下通信系统的保障提出了更高的要求。在移动的生产环境中，在人员少、距离长的井下巷道环境中，移动通信技术以其小型化、便捷性、可移动的技术特征，成为煤矿下一代井下通信技术的首选。

1 现有无线技术研究

迄今为止，我国煤矿井下主要以有线通信方式为主。目前，井下的工业控制、监测监控、工业电视、人员定位等系统，均采用有线方式(采用光缆或通信电缆)传输，而煤矿井下的无线通讯应用目前仅限于语音通信，多功能的应用尚属空白。国内矿井语音无线通信方式，主要有漏泄通信、感应通信、透地通信、PHS(小灵通)通信和CDMA(大灵通)通信系统等。

其中，透漏泄通信、感应通信与透地通信，由于存在信道容量小、易受电磁干扰、可靠性低等缺陷，应用范围受到限制。矿用小灵通技术来源于公众移动电信网络中广泛应用的PHS系统,主要实现井下及地面的无线语音业务功能。矿用CDMA(大灵通)通信系统与目前的小灵通PHS相比较而得名，大灵通工作在450MHz，基于CDMA2000技术。大灵通在某些方面克服了小灵通的一些缺点，具有信号稳定、通话清晰、移动性好、抗干扰能力强、支持无线高速分组数据业务等特点。但是，它存在着功能单一、协议标准化差、抗灾变能力差的缺点。新兴的3G技术，由于系统实现过于复杂、造价高，更关键的是受到严格的频率管制。因而，上述技术不宜作为未来多功能煤矿井下无线通信系统的技术选择。

对于井下无线通信系统，频率的选择是另一个重要的因素。根据此前的研究(孙继平2002)，巷道中无线电波的频率与衰减特性如图1所示。

图1 巷道中总衰减与工作频率的关系

如图1所示，在煤矿巷道中传播频率在800MHz以下的电磁波衰减很大，不适于使用。随着传输频率增加，倾斜损耗在增大，但由于巷道壁粗糙引起的损耗在减小，在1000～3000MHz之间，总损耗增加缓慢。

2 无线以太网(WLAN)技术介绍

无线以太网(WLAN)技术起源于1971年，由IEEE802.11协议族规范，主要包括802.11a、802.11b、802.11g以及新的802.11n等组成，工作频段为2400MHz与5800MHz两个开放的ISM频段，使用的技术主要有直序列扩频技术(802.11b)、正交频分复用技术(802.11g)以及智能天线与频道聚合技术(802.11n)。无线以太网(WLAN)是有线以太网(LAN)的无线扩展，具备协议标准化好、小型灵活、低成本、抗干扰性强、高带宽的优势，其传输吞吐率可达：5Mbps(802.11b)、20Mbps(802.11g)、250Mbps(802.11n)，可以承载语音、数据、视频业务的传输。

无线以太网在国内外已得到普遍的应用：从个人电脑、手机、PDA等终端设备，到家庭及企业内部无线网络；从石油、电力、医疗、教育等行业应用领域，到中国电信、中国移动等运营商推出的无线以太网接入服务；从北京、上海等地的无线城市，到智能网的建设；从北京奥运会到上海世博会，均可以看到无线以太网的大量应用。

3 无线以太网(WLAN)技术在煤矿通信中的应用

无线以太网在煤矿通信领域的应用可以体现在：移动通信、系统组网、应急救援通信、视频监控、工业自动化、安全监测监控、人员定位与管理等领域。

3.1 移动通信

使用无线以太网技术做煤矿话音的移动通信应用起始于2007年，目前在国内已建设有数十套系统，采用VoIP的技术体制。随着VoIP在无线以太网中应用(VoWLAN)的技术进步，通话质量、无缝漫游等原来困扰无线以太网语音通讯的问题已逐步得到解决。新一代的融合调度通信技术，已经可以实现无线、有线一体化、行政、生产一体化的调度通信功能(图2)。

图2 煤矿井下无线通信系统架构图

3.2 系统组网

在系统组网方面，井下的通信系统原来以链型或星型网络拓扑为主，各子系统自成网络，系统带宽低、可靠性低、不具备冗灾性能。近年来，随着工业以太环网技术在煤矿的广泛应用，井下通信系统的可靠性得到了一定的改善。但现有的工业以太网技术均采用有线传输的方式，面对井下复杂、狭小且不断移动的生产环境，其一：环网均部署在环境相对较好、位置相对固定的主巷道。由于受到施工与维护难度、不断搬迁等因素的影响，在采面等位置还不能形成环网，环网带来的冗余优势，还无法实现到采掘面等真正最重要、最危险，也是最需要的工作地点。其二：移动生产带来的设备与线缆的搬迁工作量大，设备、材料由此导致的损耗高。而通过无线以太网的Mesh组网技术、无线网桥技术，可以实现无线组环的功能。如：煤矿的采掘工作面的两端分别为主运顺槽和辅运顺槽，两个顺槽和主副大巷连接，可以在采面和两个顺槽实现无线组网，在大巷与有线以太环网连接。这样就在采掘工作面、主副运输顺槽和大巷之间形成了一个环路，方便设备的回撤，简化施工与运维的难度，提高了系统的可靠性与冗灾性能。无线以太网与有线网络的连接使用标准以太网802.3协议，可以同工业以太网无缝连接。一方面，无线以太网设备可以作为工业以太环网的接入点,采用已建成的工业以太环网传输数据,充分利用原有的资源；另外，可以把以太网通过无线延伸到移动的采掘工作面和掘进工作面，在提高网络的灵活性和便利性。

3.3 工业自动化

随着综合自动化技术在煤矿的推广，目前煤矿各生产、监控子系统的自动化程度越来越高，也越来越复杂。子系统数量、种类不断增加，而现有子系统接入的传输方式均以“星型”或“链型”网络拓扑结构，采用有线的传输方式接入，易受位置与现场环境限制，需要架设线缆，移动不灵活；且缺少链路冗余，存在“一碰就断”的不足。而基于无线以太网技术的无线自动化接入适配设备，面向网络侧采用无线以太网技术接入井下工业以太环网；面向被控设备或子系统侧，可以提供以太网、串行通信、总线通信等多种接口。

采用无线以太网技术的自动化接入适配设备，可以使各子系统或设备的接入从线缆的束缚中走出来，实现便捷的无线接入，也可构建“无线+有线”或无线Mesh的多链路冗余传输机制，提高系统的可靠性。

3.4 应急通信

煤矿作为高危险行业，井下出现紧急或灾害情况概率远大于其他工业环境。而在应对紧急或灾害情况的时候，稳定畅通的通信是非常重要的救援保障。现有的有线通信系统、矿用小灵通、大灵通等无线通信系统，其工作均依赖地面局端交换设备的管理与控制，灾害发生后，随着线路与设备的受损、井下的断电，一旦与地面的局端设备失连，通信系统就会陷入瘫痪，在应急救援工作中难以起到应有的作用。而无线以太网的移动通信技术，由于基于VoIP的通信机制，系统中的各基站之间、各手机之间，均可以实现脱网通信的功能，即使与地面局端设备失连后，系统内部仍可以互相通信；同时，由于基于无线以太网的移动通信系统具备环网冗余的功能，系统中单点或单边的设备、线缆损毁，不影响整个系统的正常工作，在救灾应急通信方面具有独特的优势。

3.5 视频监控

随着生产自动化程度的提高与减员增效的实施，企业生产管理对工业现场的视频监控的要求也越来越高。基于无线以太网技术的无线视频监控系统与产品，在地面的石油、电力、公安等行业已经得到成熟的应用，无线以太网的高带宽可以满足承载多路视频的传输的要求。在煤矿井下的生产环境中，具备无线以太网传输功能的无线摄像机，以其灵活、可移动、可车载等优势，将成为现有煤矿井下工业电视系统的有益补充。尤其在综采工作面视频监控、井下机车视频监控方面，更能体现无线系统的技术优势。

3.6 安全监测监控

煤矿井下的安全监测监控系统中存在大量的瓦斯、一氧化碳、粉尘等传感器探头，目前，这些探头均以有线传输的方式连接监测监控分站。在传感器探头上增加无线以太网传输模块，就可以实现传感器的无线接入，方便其在井下的部署与使用。

煤矿井下普遍使用手持式瓦斯检测仪，目前的手持式瓦检仪具备移动性能好、方便携带的优势，但数据独立，不能共享与及时上传。在手持瓦斯检测仪上增加无线以太网传输模块，就可以实现手持瓦检仪的联网与数据实时上传功能。

3.7 人员定位

目前，煤矿应用的人员定位系统大多使用RFID技术实现，需要建设独立的系统与网络。近年来，基于无线以太网的定位技术逐渐成熟，在医院、酒店、海关等领域逐步得到商用。基于无线以太网的定位技术具备的优势是：①协议标准化，无需单独构建独立的系统与网络，可以与话音、数据、视频等业务共用同一个无线以太网平台；②定位精度高，基于场强与信噪比的测量与计算，无线以太网定位系统的精度优于RFID技术。