无线Mesh技术在煤矿井下应急通信系统中的应用

张 锋,顾 伟

(中电广通股份有限公司， 北京 100081)

煤炭是我国主要的能源支柱，我国的煤炭资源储量虽然列全球首位，但是我国大部分煤炭资源赋存条件较差，埋藏深、高瓦斯、地质条件复杂。煤炭行业一直是我国安全事故频发的高危行业。分析近年来发生的多起恶性的大型煤矿安全事故，我们可以看到，即使在国有的大型煤炭企业中，井下应急通信技术仍基本处于空白：灾害发生后的及时全面地通知、应急预案的迅速下发、井下情况的及时上报、各部分之间的协同通讯等，均缺乏有效的通信技术手段与装备。许多事故中，都有矿工并非死于灾害的第一现场，而是死于回撤的途中或次生的灾害中的悲剧发生。国家安监总局提出了到2015年中国所有煤矿，都将建立“监测监控”、“人员定位”、“紧急避险”、“压风自救”、“供水施救”和“通信联络”等安全避险“六大系统”的要求。

1 现有应急通信技术研究

迄今为止，我国煤矿井下应急通信系统，主要以有线通信为主，无线通信为辅。

有线通信主要为矿用调度电话系统，其调度通信的功能与井下无源传输的特点，使其具备一定的应急通信能力。在许多灾害的案例分析中，我们可以看到，有线通信仍是上报灾害情况、部署应急处理措施与通知撤离的主要通讯手段。但是，调度电话系统在应急通信中，也存在一些不足：井下巷道长，而部署的电话机数量相对较少且位置固定，在灾害场景下难以做到全面的通讯；通信线缆只在主井、大巷有环路冗余，而在灾害多发的采面、掘进头等位置均为星型连接，一旦灾害发生导致线缆损毁，通信就会中断。

目前，井下的无线通信方式，主要有漏泄通信、透地通信、PHS(小灵通)通信、CDMA(大灵通)通信、以及无线以太网(WLAN)通信系统等。从应急通信功能的角度来看，这些技术或多或少均存在一些局限：

1.1 信道容量小

透地通信、漏泄通信、PHS(小灵通)通信均存在信道容量小的局限，难以适应灾害发生时呼叫量的激增，其中透地通信为单向传输，仅能支持一些文本信息的广播；而小灵通每个基站只有3个语音信道。

1.2 网络缺乏冗余能力

漏泄通信、PHS(小灵通)、CDMA(大灵通)系统组网均为星型或链型网络拓扑，网络不具备环路冗余能力，一旦连接井上井下的这根线缆受损，系统即陷入瘫痪。

1.3 对中心语音、认证或数据交换机的依赖

PHS(小灵通)、CDMA(大灵通)以及基于瘦AP(Fit)架构的无线以太网(WLAN)系统，均严重依赖地面的中心语音或控制交换机，一旦灾害导致井下基站与地面的中心设备的失联或地面交换主机发生故障，系统将无法正常工作。

1.4 缺乏电源后备能力

漏泄通信、PHS(小灵通)、CDMA(大灵通)系统，均不具备电源后备能力，灾害导致的断电或线缆损毁，灾后的停电均会使系统瘫痪。

2 煤矿应急通信系统需解决的问题

煤矿应急通信系统除了满足本安防爆、可靠实用等一般性要求外,还需解决以下核心问题:

2.1 应急调度问题

应急场景下的通信调度与常态应用是不同的，面对灾后第一时间迅速通告的需求，面对灾害发生后通信系统容易出现的呼叫量激增、多人同时呼叫同一调度号码等导致的线路拥塞现象，应急通信系统需具备特有的应急调度功能。

2.2 网络冗余问题

灾害的发生极易对通信系统的线缆、通信基站等造成直接损毁，这就要求应急通信网络，必须具备多路由的网络冗余功能，确保网络中单点的线缆或设备损毁不会导致整个系统的瘫痪。

2.3 电源冗余问题

许多灾害的发生，容易对通信系统的供电线缆或供电设备造成损坏，而且根据煤矿安全操作规程，在火灾、瓦斯等灾害发生时，必须有相应的供电闭锁乃至井下的整体停电，这就要求应急通信系统具备电源冗余功能。

2.4 通信终端的应急通信问题

从许多成功救援的矿难案例中我们可以看到,灾后井下被困人员的有组织自救至关重要。但是，灾害中通信系统往往容易同时受损，如线缆中断、设备损毁、供电停止等均易导致灾害发生区域与地面调度中心的通信中断，这就需要通信终端在这种灾害场景下具备应急脱网通信功能。

2.5 系统容量

面对灾害发生后通信系统容易出现的呼叫量激增导致的线路拥塞现象，应急通信系统中通信基站的信道容量，必须具备足够的冗余。例如，矿用小灵通系统的一台通信基站，只有3路话音信道，基本可以满足正常生产场景下的通讯，但对于应急通信来讲是不够的。

在上述的应急通信系统面临的五个核心问题中，较难实现的是采面与掘进面的网络冗余与通信终端的应急通信功能，但随着基于无线以太网(WLAN)的无线自组网(Mesh)技术与Vo-WLAN技术在煤矿通信中的应用，使得这些功能的实现成为可能。

3 基于无线Mesh 技术的煤矿应急通信系统

Mesh网络，即“无线网格网络”,它是一个无线多跳网络，是由对等网络(ad hoc)网络发展而来，是一个动态的可以不断扩展的网络架构,任意的两个设备均可以保持无线互联。

Mesh WLAN网络要比单跳网络更加稳定,这是因为在数据通信中,网络性能的发挥并不是仅依靠某个节点。在传统的链型或星型网络中,如果固定的节点或线路发生故障,那么该节点下所有的无线设备都不能进行通信。而在Mesh WLAN网络中,如果某个节点发生故障,可以重新再选择另一个节点进行通信,数据仍然可以高速地到达目的地。Mesh WLAN技术使无线节点具有自动配置网络,并使网络效率最优化的特性。提供自我组织、自我修复、更新动态网络连接,确保网络安全等等功能。

胖AP(Fat)架构的无线以太网(WLAN)的无线通信技术，基于VoWLAN的通信机制，通信系统中的各基站之间、各通信终端之间的通信，均可以不依赖地面中心交换或控制设备，即使与地面中心端设备失连后，系统内部仍可以互相通信，实现脱网通信的功能，使得灾后被困人员可以实施组织自救；该系统可以架构在工业以太环网之上，从而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表现出独特的优势。

将基于胖AP(Fat)架构的无线以太网(WLAN)通信技术与无线Mesh 技术相结合，可以很好地解决煤矿应急通信系统急需解决的问题：

3.1 采面无线组环

煤矿的主副大巷容易形成冗余网络，通信系统的可靠性较高,但煤矿中灾害集中多发的采面与掘进面由于受到巷道布置方式与采面回撤的限制，一直无法形成冗余网络：煤矿掘进面往往是一条死胡同，缺少网络冗余的回路路由，煤矿采面虽然两侧均有巷道，物理上具备形成冗余回路的路由，但由于采面处于不断移动的回采作业过程中，且采面环境恶劣，大型机电设备集中，采煤过程中支架的不断移动、飞溅的煤块等，使通信设备与线缆在采面很容易被损坏,但使用采面无线组环方式,可以解决上述问题。

在采区两侧的主辅顺槽内，采用通信基站间有线传输+无线覆盖的方案，在采面的两侧通信基站之间，采用无线传输+无线覆盖的通信方式，实现在环境复杂，设备、线缆易损的采面，使用Mesh WLAN或无线网桥的方式实现无线覆盖与传输，在采面上实现主/辅顺槽通信网络的环形连接。

采面环网形成的意义不仅在于应急通信系统，采面是煤矿生产的核心区域之一，各种设备集中，采面环网的形成对采面工业自动化出传输网络与监测监控网络的冗余性能的提升，也具重要意义。

3.2 光纤/无线互为备份

无线Mesh 技术的应用，可以实现无线通信基站之间光纤/无线互为备份组环的功能。通信基站之间以光纤通信为主链路，在光纤链路中断后，自动切换到无线Mesh的备份链路。与图1相比，通信基站之间的通信增加了一条无线Mesh备份链路；也可以实现摆脱光纤的全无线组网传输，即通信基站之间采用无线Mesh技术实现组网与覆盖，省去了光纤链路的建设与维护。因为采区环境下光纤的施工与维护较为困难，这样就可以实现全无线Mesh的采区传输而非仅仅是无线采面。

其带来的益处是：双链路备份使得在灾害导致的环网多点光纤故障或多点基站故障的场景下，仍可以保障通信链路的传输，进一步提高了系统的冗灾性能。无线备份传输链路的增加，由于WLAN无线通信具备的缝隙传输、空间传输的特点，使得系统在冒顶、水灾(非没顶)等灾害场景下的无线通信仍存在可能，系统冗灾通信能力进一步提高。

3.3 Wi-Fi手机脱网通信

Wi-Fi手机脱网通信功能是指井下的手机或通信基站，在与地面的调度交换机或控制器失联后，手机之间仍然可以直接或通过井下的通信基站实现相互通信。避免因为井上、井下系统失联导致系统的瘫痪，使灾后被困井下人员之间仍然可以互相通信，以便发现、组织被困人员向安全区域撤离、提示使用自救器、进入逃生舱等自救工作。目前的移动通信技术体制中,只有基于VoWLAN技术的Wi-Fi手机可以实现该功能。

3.4 后备电源

基于无线Mesh 技术的煤矿应急通信系统基站，每台均单独配置后备电源与电池，确保在灾后救援的黄金时间内，基站工作不受井下停电或供电线缆损毁的影响。

3.5 应急调度

基于无线Mesh 技术的煤矿应急通信系统的调度系统，具备对有线电话与无线通信话路的强插、强拆功能，以避免共同呼叫导致的拥塞；具备广播、组播、会议、轮询、群发紧急通知短信、群发应急预案等功能，以实现灾后通信的及时有效。

综上所述，基于无线Mesh 技术的煤矿应急通信系统采用了无线/有线一体化，生产/行政一体化的融合调度通信主机，采用具备无线Mesh功能的胖AP(Fat)架构的无线以太网(WLAN)技术，架构在工业以太环网平台之上，各基站均配置后备电源，使用具备脱网通信功能的移动终端，即能满足煤矿企业正常生产、管理的需要，又大幅提高了系统的冗灾与应急通信能力。

4 结束语

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，可靠的通信是非常重要的救援保障。煤矿井下应急通信系统，多年来一直是行业的难点与空白，现有的矿用小灵通、大灵通以及瘦AP架构(Fit)的无线以太网等无线通信系统，均难以在应急救援通信系统中起到应有的作用。无线Mesh WLAN通信技术以其具有的无线传输、自动配置、自我修复、自我优化等功能特点，提高了煤矿应急救援通信系统的冗灾性能与冗灾类别，将成为煤矿井下应急通信系统乃至煤矿井下无线通信系统的首选技术。

[1] 孙继平，苏勇，乜京月. 矿井调度无线通信交换机的研究[J]. 煤炭工程，2002.

[2] 孙继平. 矿井无线通信的特点及现有系统分析[J]. 煤矿自动化,1997.

[3] Ekram Hossain，Kin K.Leung.无线Mesh 网络架构与协议[M]. 北京：机械工业出版社,2009.

[4] 孙绍峰,张四海,卫国,等.无线mesh骨干网络的路由与调度联合优化算法[J]. 中国科学技术大学学报,2009.