无线以太网技术在煤矿通信系统中的应用

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。

4 结 论

无线以太网(WLAN)以其协议标准化、小型灵活、低成本、高带宽的优势，在电信运营商、企业网、行业应用与个人IT终端产品领域得到广泛的应用与蓬勃发展。将无线以太网技术应用在我国煤炭企业的通信系统中，具有广阔的技术与商业前景，将为我国煤炭企业提高生产效率与增进安全生产管理水平起到良好的促进作用。

[1] 孙继平，李济生，雷淑英. 煤矿井下无线通信传输信号最佳频率选择[J]. 辽宁工程技术大学学报,2006.

[2] 孙继平，苏勇，乜京月. 矿井调度移动通信交换机的研究[J]. 煤炭工程，2002.

[3] 孙继平. 矿井移动通信的特点及现有系统分析[J]. 煤矿自动化,1997.

[4] 孙继平. 矿井移动通信的特点及现有系统分析[J]. 煤矿自动化，1997.