煤矿井下通信系统的现状及趋势

吕志强

（国家安全生产监管总局通信信息中心，北京市东城区，100013）

煤矿井下通信系统的现状及趋势

吕志强

（国家安全生产监管总局通信信息中心，北京市东城区，100013）

按照有线通信系统和无线通信系统两大类型，分别对包括光纤环网、调度电话、矿井广播、小灵通、3G等煤矿主要通信系统的系统结构、主要作用、应用场景进行了介绍。结合当前通信行业的研究热点，简要分析了煤矿井下通信系统发展的趋势。根据对煤矿通信系统现状及未来趋势的分析，提出了煤矿通信系统选择的依据。

煤矿 井下通信系统 技术进展

通信技术的飞跃式发展已经改变了我们的生活方式，也正在深刻影响着煤炭企业的管理模式和生产方式。对煤矿通信技术进行必要的讨论，有助于煤炭企业了解煤矿通信技术未来的发展方向，并对制定通信系统建设目标也有一定的帮助。

煤矿通信技术所涵盖的范围相当广泛，从设备之间基于工业控制网络相互传递信号，到人与设备间通过工业以太网进行信息交互，再到人与人之间利用各种有线、无线系统进行调度、管理，可以说煤矿通信技术涉及到了煤矿生产、生活的各个方面。这里将主要围绕煤矿井下主要的有线通信和无线通信系统的现状及未来趋势进行探讨。

1 现状

1.1 有线通信

1.1.1 光纤环网

自2005年山东龙口矿业集团北皂煤矿建成国内第一个井下百兆工业以太网以来，工业光纤环网已经逐渐成为煤矿井下主干数字通信的主流方式。2008年11月，国家安全生产监督管理总局公布了煤炭行业的 《矿用网络交换机》标准，为矿用网络交换机设计、生产和检验提供了依据，进一步推动了矿用光纤环网的发展。目前矿用工业环网交换机基本都提供了具有1000 Mbps传输速率的光纤接口，自愈时间普遍小于300 ms，单模光纤传输距离一般在10 km以上，并具备一定的网络管理能力。

在实际建设过程中，煤矿光纤环网常常采用井上、井下统一设计、统一建设的方式，从而形成一个完整的服务于矿井生产的网络系统。规模较大的煤矿规划设计时常采用双环结构设计，按照业务量大小、重要程度等因素将各种业务部署在不同的环网中。规模较小的煤矿通常采用较为简单的单环结构，在满足使用要求的同时可有效降低建设成本。

光纤环网较好解决了以往现场总线传输方式中不同协议之间的兼容性、通信传输速率低以及传输距离较短的问题，为提升矿井自动化生产水平提供了良好的基础平台。近年来，随着VOIP及视频编解码技术的快速发展，基于网络的语音、视频产品日渐丰富，伴随而来的是矿井数字广播、网络视频监控系统的快速应用。在解决设备层数据传输需要的同时，光纤环网所具有的响应速度快、带宽容量大、传输距离长、部署方便等特点，使其成为这些新生系统最合理的承载平台。

从使用效果上来看，矿用光纤环网的应用简化了施工和维护的复杂程度，满足了煤矿高容量快速数字通信的要求，有力推动了矿井综合自动化的发展，并为进一步建设数字矿山、物联网矿山等新型煤矿提供了有力的基础保障。

1.1.2 调度电话

调度电话作为保障矿山生产调度、生产安全的重要技术手段，被要求在所有煤矿中安装。2011年3月，国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局联合下发的 《煤矿井下安全避险 “六大系统”建设完善基本规范 （试行）》中明确提出 “煤矿应安装有线调度电话系统。”

矿用调度电话系统一般由矿用本质安全型防爆电话、矿用程控调度交换机、调度台、电源以及电缆等组成，通常具有丰富的用户和中继接口，并兼容多种信令和协议，能够满足与行政通信系统、无线通信系统等多种系统的互联要求。为保障井下发生瓦斯超限停电或故障停电时仍能进行调度通信，调度通信主要采用独立敷设线路方式，并严禁用矿用移动通信系统代替矿用调度通信系统。

1.1.3 矿井广播

矿井广播系统是近年来快速推广的煤矿通信系统，特别是在2011年国家提出建设完善 “六大系统”之后，矿井广播系统建设更加得到重视。

矿井广播系统早期主要应用在皮带运输、斜巷运输等局部区域，主要作用是在设备启停、移动时发出告警信号，提醒周边人员注意安全。随着对广播系统认识的提升，矿井广播系统已经不再局限于原有的局部应用，而成为发生灾害时指导井下矿工逃生的重要工具。目前矿井广播系统多为基于IP的数字广播系统，主要由上位机、语音网关、广播分站以及备用电源组成，大多具备全体广播、区域广播以及单独广播功能。

1.2 无线通信

矿用无线通信系统近年来发展非常迅速，从应用角度上主要可分为日常管理型和应急通信型，从技术角度上主要包括漏泄通信、透地通信、小灵通、WI-FI无线通信和3G通信。

1.2.1 漏泄通信

漏泄通信是较早应用于煤矿井下的无线通信系统，系统主要由基地中心站 （如地面主机、程控交换机等）、传输通道 （如漏泄同轴电缆、中继放大器、分支器等）、移动终端或基地台构成。

漏泄通信系统的出现较好解决了井下流动作业人员管理以及井下机车联络等问题，为煤矿安全生产提供了一种方便、灵活的通信手段，但受到维护成本高、功能单一、信道数量较少、数字化进展缓慢等因素的困扰应用推广范围有限。

1.2.2 透地通信

透地通信采用极低频信号，以大地为传播介质，具有较强的地层穿透能力。系统主要由地面电台、地面天线和终端机构成。由于系统安装复杂、易受干扰且通信方式简单 （文字、信号或半双工语音）等原因，透地通信系统在国内仅在少量矿井投入使用。透地通信系统的主要优势在于其主要设备在地面，井下发生灾变时不影响系统主体的正常运行，比较适于应急救灾时使用。

1.2.3 小灵通

矿用小灵通系统是在公共通信系统——小灵通系统的基础上，在按照国家有关安全标准进行设计、改造后，移植、延伸到煤矿等易燃易爆区域的无线通讯系统。系统采用数字传输体系和基于PHS标准的无线传输技术，为煤矿井下通信提供了较好的无线移动通信解决方案。

自2003年小灵通系统被引进到煤矿井下，煤矿无线通信迎来了快速发展的时代。矿用小灵通系统主要由局端设备、地面基站控制器、地面大功率基站、矿用隔爆基站控制器、矿用隔爆兼本安基站、本安手机和网管系统等组成。

矿用小灵通接口齐全、功能丰富，不但可实现系统内部的无线通信、无线调度、通话录音等功能，同时能与矿调度电话、行政电话对接，从而形成一个由固话、移动电话构成的井上、井下统一的矿井通信联络系统。从实际应用效果看，矿用小灵通系统稳定、可靠、通话质量较以往有了明显的提高，基本满足了煤矿无线通话的要求，这也是该系统能够迅速得到广泛推广的主要原因。矿用小灵通是地面公共通信系统在煤矿应用的一个十分成功的案例，为其后3G通信引入煤矿起到了很好的示范作用。

矿用小灵通所面临的主要问题是2011年小灵通退市后煤矿用户产生对后续供货以及维护的担忧。虽然仍有部分矿用小灵通生产厂商宣称将继续为用户提供全面的设备供应和维护工作，但仍难以打消煤矿企业对系统建成后运行维护的顾虑。此外，随着煤矿生产自动化水平以及安全生产要求的提升，越来越多的数字化装备被应用于矿山，不具备数据传输能力也成为矿用小灵通的一个短板。

1.2.4 WI－FI无线通信

WI-FI是当今应用最为广泛的一种无线网络传输技术，是有线网络的延伸和扩展，其广阔的应用前景使得众多煤矿产品研发机构迅速投入相关的技术研究。2004年德国石煤股份有限公司以及多家科研机构开始研发基于WI-FI的井下无线局域网系统，期望利用该系统实现井下视频、语音、数据的综合传输。2007年我国已有WI-FI设备通过国家安标认证。

在煤矿井下主要采用从有线工业以太网上接出WI-FI无线分站的方式为各种设备提供无线接入环境。

目前，基于WI-FI的矿用系统主要集中在语音和视频两个方面。

基于WI-FI的矿用语音通讯系统经过多年的发展，已经取得了长足的进步，可实现井上井下通讯一体化，具备矿井日常管理所需的各种调度功能以及群组调度功能，基本满足了矿井日常移动通讯的需要。对于已经建设矿用工业以太网的煤矿，采用基于WI-FI的矿用语音通讯系统还可有效节约线路敷设费用，降低施工难度。此外，基于WIFI的矿用语音通讯系统多具有脱网通讯的能力，可在不通过地面语音交换设备的情况下实现互联基站间的手机对讲功能。在煤矿事故导致主干光缆、电缆断缆、设备损毁、供电中断等情况发生时，基于WI-FI的矿用语音通讯系统可实现被困人员与救援人员、被困人员之间的通讯联系，为应急救援工作提供了较好的通讯联络手段。

但WI-FI作为一种短距离无线宽带数据传输的技术标准，在语音通讯方面仍需要克服一些不足：WI-FI属于突发方式传输技术，本身不提供严格的同步机制，在通话质量上与3G仍有一定差距；WI-FI系统主要采用载波侦听多路访问／冲突避免机制在多个竞争的用户之间选择和分配信道资源，为避免用户过多导致频繁发生冲突，一般将每个基站的接入用户数控制在16个左右；WI-FI手机终端在基站之间漫游切换时间较长，容易出现通话断续甚至掉线现象；WI-FI未考虑设备的功率控制问题，手机终端待机时间以及通话时间较短。

基于WI-FI的矿用视频系统相对于其它视频系统具有安装布设简单、传输速率高、设备功耗低等优点，主要应用于斜巷运输、无级绳绞车、主副井提升、瓦斯钻场、采掘工作面的视频监控。

WI-FI无线通信在煤矿应用方面的进展主要得益于在传输带宽、建设成本以及技术复杂度上的平衡。相对于有线网络，WI-FI安装布设灵活、使用方便；相对于小灵通，WI-FI可承载更多样的业务；相对于3 G，不但在传输带宽方面具有明显的优势，在建设成本上也相对低廉。

1.2.5 3G通信

2009年1月7日，工信部正式批准国内三大运营商的3 G业务经营许可，中国移动采用TDSCDMA技术制式，中国电信采用CDMA2000技术制式，中国联通采用WCDMA技术制式，从而揭开我国3 G通信商用的序幕。2011年2月，3 G无线网络首次成功应用于翟镇煤矿之后，三种3 G通信技术陆续实现在煤矿的应用，推动了我国煤矿无线通信技术的发展。从3 G通信的目标来看，三种技术均实现了提供较高数字传输能力的要求，相较之前的矿用无线通信系统，3 G无线通信技术无疑极大拓展了无线通信所能够承载的业务范围。

目前已经实施的3 G矿用无线通信系统从结构上主要可分为采用分布式基站进行矿井覆盖和采用基于微微蜂窝或飞蜂窝的基站进行矿井覆盖。

3 G矿用无线通信系统基本上都可通过标准接口实现与矿井调度电话、行政电话互联互通，而且也都具备强拆、强插、组呼、群呼等调度功能以及可视电话功能。然而，3G通信系统的关键优势并不在于单纯的技术先进或功能完备方面，而在于围绕3G所形成的庞大产业链所拥有的巨大潜力，主要体现在：支持厂商多，可选择余地大；核心技术和产品可靠；周边产品丰富，易于转化到煤炭企业使用；相关标准和演进方向明确；政策支持。

在看到3 G巨大优势的同时，必需理解3 G仍是一个以语音通信为主的技术，它所能提供的无线数字带宽仍然十分有限，虽然可基本满足设备集控、瓦斯监测等小数据量的需要，但对于工业电视这种需要高带宽的系统，3 G并不具备替代WIFI无线通信的能力。

2 趋势

讨论矿用通信系统将会是什么形态具有很大的风险，但当前的技术现状和研究热点还是能够提供一点可以追寻的迹象。

得益于通信产业对传输能力永无止境的追求，无论是在无线通信方面还是在有线通信方面矿用通信系统将具有更高的传输能力。无线通信方面，已经进入商用的4 G系统所能提供的数字传输能力将10倍于3 G，更有分析人士认为有望在2020年进行部署的5 G将提供100 Mbps端到端的通信速率。有线通信方面，100 Gbps传输设备已经进入实用阶段，400 Gbps标准有望在2017年制定。根据以往地面系统成熟后迅速被引入煤矿井下的经验，矿用通信系统也将在传输能力上得到极大提升。

矿用通信系统发展的另一个趋势是融合。语音通信将仅仅是一种基本应用，数据、图像乃至多媒体应用将更加便捷地融合在统一的通信平台中。这种融合既包括网络融合也包括终端融合。

煤矿生产环境具有特殊性，生产过程中不但需要对生产系统进行监控，同样需要对生产环境进行严密的监测。随着近距离通信技术、Mesh技术等热点技术进一步的研究以及相关产品的行业转化，价格低廉、部署灵活、覆盖广泛的无线通信手段将越来越多地服务于矿井安全生产的各个方面。

3 结论

煤矿通信技术经过数十年的发展已经取得巨大的进步，为煤矿生产提供了很多适用、好用的优秀产品。随着整体通信行业的进一步发展，传输能力更加强大、覆盖能力更加广泛、使用方式更加灵活的矿井通信系统必将越来越多地呈现在决策者面前。面对日趋多样化的矿井通信系统，煤矿作为实际的使用者不应把技术先进性作为产品选择的唯一标准，而应以企业发展战略为基础，立足于自身特点，通盘考虑资金预算、技术保障能力以及未来通信发展趋势等因素，才能真正选出适用于自身需要好产品。

［1］董维武 .国外矿山通讯系统 （TTE）研究现状［J］.中国煤炭，2007（2）

［2］钱建生，赵培培，李鹏，李世银，张梅锁.工业以太网交换技术在煤矿中的应用 ［J］.煤炭科学技术，2005 （7）

［3］孙继平 .煤矿井下安全避险 “六大系统”的作用和配置方案 ［J］.工矿自动化，2010（11）

［4］刘琨 .国内煤矿无线电通信技术的综述和展望 ［J］.通信电源技术，2011（5）

［5］孙蓓，王立杰，黄国君 .基于蓝牙技术的井下人员定位管理系统 ［J］.中国煤炭，2007（10）

［6］任永兴，赵志华 .矿用TD-SCDMA技术与 WiFi技术对比分析 ［J］.工矿自动化，2011（11）

Status and trend of underground communication system in coal mine

Lv Zhiqiang
（Communication Information Center，State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100013，China）

According to 2 types of wired communication system and wireless communication system，the paper respectively introduces the system structure，main function，application scenarios of main communication systems in mine including optical fiber ring network，dispatching telephone device，PHS，mine radio and 3G，etc.Combining with the hot research in current communication industry，the paper gives a brief analysis on the development trend of the underground communication system coal in mine.According to the analysis of the status and future trend of the coal mine communication system，it proposes the basis for selecting the coal mine communication system.

coal mine，underground communication system，technology development

TD665

A

吕志强 （1975-），男，福建省晋江县人，工程师，本科学位，就职于国家安全生产监督管理总局通信信息中心，主要从事矿井自动化及矿井通信方面的研究。

（责任编辑 张大鹏）