煤矿井下通信“一网一站”系统研究与应用

关丙火

(神华神东煤炭集团公司，陕西 神木 719315)

0 引言

国内煤矿井下信息化通过近年来的深入发展已经取得了一定进步，但与全球行业内的企业相比还有一定的差距。随着生产规模逐步扩大，孤立的信息系统逐渐难以与高速发展的生产需求相匹配。下一阶段如何加大研究，在符合煤矿使用、紧跟行业ICT发展趋势，将领先、可用、持续的ICT技术符合煤矿信息化发展、整合后应用到各个煤矿成为重要工作[1]。目前神东井下信息化系统在安监总局的要求下，已完成了6大系统的建设工作。整个系统在建设完成后，可实现井下生产井上呈现、井下生产井上控制，但同时也面临着传输带宽不够、系统多、管理分散、维护困难等多方面问题[2]。

煤矿通信“一网一站”系统将建设井下一套系统实现对无线通信系统、人员定位系统、车辆定位系统、监视监控系统(工业电视)、语音广播系统、调度指挥系统、工业自动化系统、安全监控系统(各类安全传感器)8大系统的统一接入、统一承载、统一管理，切实改变井下“七国八制”的局面，解决系统多、管理分散、维护困难的问题，实现“一网一站”的紧凑信息化系统，为安全生产提供更有效的技术保障。

1 一网一站系统及其整体方案

1.1 一网一站的含义

“一网”是指应用万兆以太网和多网合一技术建立的一套一体化环网，实现井下8大系统的统一接入、统一承载和统一管理；“一站”是指一体化综合分站，应用计算机集成电路技术将3G无线通信、人员定位、语音广播和WiFi分站等集成为一体，实现共电源、共传输、共天线、共覆盖，并可根据煤矿使用要求选配相应的功能。

1.2 整体方案设计

一网一站系统地面部署核心网、基站控制器、电话调度机、万兆环网交换机以及应用服务器，主要用于煤矿通信网络与电信公网的对接、井下数据集中存储管理以及无线、有线电话的统一调度；煤矿井下主要部署一体化综合分站和防爆型万兆环网交换机，主要提供各种接口实现井下各业务系统数据接入和统一传输管理以及无线通信、人员定位、IP广播和IP电话调度功能。整体解决方案架构图如图1所示。

2 一网系统

2.1 万兆环网

数据传输的需要：①由于井下工作现场精细化管理需求，摄像头基本都采用高清数字技术，神东工业电视系统平均每矿40～60个，单个摄像头占用带宽达40 M，共占用带宽千兆以上，目前视频传输带宽已满足不了需求；②根据煤矿安全生产和物联网发展需要，井下数据采集点成量级上升，这对传输带宽提出了更高的要求。

图1 一网一站系统整体解决方案架构图

系统维护的需求：井下安全生产和自动化生产系统各自独立部署，独立拉线上井；无线通信基站、定位基站、广播分站各种站点也是分开建设，各自铺设独自的电源和通信线缆。另外目前井下环网容量小，接入端口少，大量分站不能就近接入环网，只能直拉传输上井。这都造成井下线缆多，出现故障恢复时间长的问题。

业务发展的需求：井下业务数据种类多，接口不同，而且随着自动化控制要求的提高，要求网络接口类型丰富，控制响应时间短，业务隔离和QOS必须有保障。

网络咨诊断的需求：网络本身能够自我诊断故障，当单点发生故障时能在10～50 ms之内快速倒换而不影响业务传输，同时不对环网的性能产生影响。

2.2 万兆环网方案及组网设计

万兆环网示意图如图2所示。

图2 万兆环网设计图

井下高速公路：根据井下巷道的特点规划统一承载网络[4]，建设井下高速公路。采用万兆以太网技术[5]，在井下不同巷道布设环网光缆，分别接到地面不同的交换机上。主巷道部署的统一数字环网，接入主巷业务系统，“一网”交换机设备的安装在隔爆柜中，然后安放于井下变电所，就近接入其他业务；对于支巷道可不建环网，其他方式接入支巷业务系统，再连接到主巷道的环网上。

综合业务接入方案：综合分站提供3G无线通信基站、定位基站、广播分站和WIFI的接入，同时也提供IP视频监控摄像头接入和IP电话接入，实现统一传输接入到环网交换机，减少光缆数量；内部交换提供GE/FE光接口接入IP视频监控摄像头，同时也提供RS485等接口接入工业自动化系统和安全监控系统，通过QOS机制保障高优先级业务的转发，实现业务统一承载和质量保障。数据格式应按照“煤矿安全生产在线检测联网备查系统通用技术要求和数据采集标准(试行)”的要求执行。

2.3 万兆环网的优势

极大减少下井光缆数量，减少维护工作量和维修难度；低成本万兆网络，建成数字矿山高速公路，业务扩展性强；交换机QOS技术解决工业电视的视频卡顿、花屏问题；多协议保护，故障时快速收敛，保障各业务的持续性；接口数目大，光电接口混合配置，满足不同接入方式的需求。

3 一站系统

3.1 一站需求

利用计算机集成电路技术，主要以集成多种功能的综合分站取代原有各自独立的基站为主，具体要求如下：①综合分站应该整合语音广播、无线通信、人员定位、调度电话和WiFi等功能；②综合分站采用统一的电源、统一的数据处理板和传输系统，实现插板式集成，功能可根据实际需要选配；③无线通信系统能够替代小灵通，并可以接入IP电话对原有固定电话进行补点；另外能够做到井上井下不换手机，不换SIM卡，手机能打电话、发短信、被调度；改变以往分散调度模式，实现新的固定IP电话、手机和井下现有有线调度电话的统一调度；④人员定位系统采用RFID技术，精度30～50 m，只能进行区域定位，满足不了精细化管理要求。

3.2 一站方案及组网设计

如图3所示，综合分站采用计算机集成电路技术，集成3G无线基站(含WiFi)、精确定位基站、交换机功能，可实现无线通信、WiFi接入、人员定位、有线电话、调度、广播等功能，通过内置的交换模块除了能实现综合分站自身级联需求外，还可提供4×RS485/RS232接口和空闲FE端口实现综合接入功能，以减少对主干光纤环网的接入压力。

图3 综合分站设计图

综合分站同时集成了3G、WiFi、定位基站，由于三者覆盖距离各不相同，因此部署时需要考虑采用分离的WiFi基站做补充覆盖[6]。

如图4，3G基站覆盖距离≈定位基站覆盖距离≈3×WiFi覆盖距离，因此人员定位/WiFi都需要全程覆盖时，平均一个综合基站需配两个WiFi基站做补充覆盖，实际部署时可根据业务需要进行覆盖。

“一站”方案中用基于Zigbee TOF(飞行时间)技术的精确定位基站，定位精度在10 m内，在非复杂环境下，精度还可提高到5 m左右，一套定位基站即可覆盖1 000 m巷道。该技术大大优于目前煤矿普遍使用的RFID定位技术。

“一站”方案广播系统采用IP技术，综合分站仅需要提供FE接口即可接入广播终端，基于IP技术的广播系统不仅可完成传统广播功能，还可与调度台双向通信，实现广播、调度系统的融合。

图4 覆盖距离对比图

3.3 一站的优势

减少缆线：综合分站集成了3G、网络交换、人员定位等功能，多个系统(包括广播系统)共电源、共传输、共覆盖，大大简化井下供电、传输系统，减少井下线缆数量，从而简化维护工作。

丰富的接口：综合分站除了集成多种功能外还提供丰富的RS485/232，POTS，FE，GE接口，不仅可满足自身级联需求，还可就近接入模拟电话、IP摄像头、温度/瓦斯/甲烷等传感器[7]，从而大大简化井下接入网络。

综合接入能力：综合分站统一进行防爆改造，且综合接入能力可减少井下分支交换机使用量，减少对环网交换机的端口需求，从而可大大节省成本。

4 通信一体化

4.1 通信一体化的需求

统一指挥调度：一个调度台上可以同时调度固定调度用户、移动用户和广播终端。

终端之间的联动：调度电话无人接听，呼叫自动转移到附近的广播上。

终端的融合：广播终端支持双向通话，可以作为调度电话使用。

4.2 通信一体化方案设计

设备与组网：通信一体化方案包括地面设备和井下设备。①地面设备包括小型化核心网，BSC(基站控制器)，固定接入网关，1588时钟服务器；②井下设备包括综合分站、广播终端和本安型调度电话。综合分站通过光纤接入到井下数字环网，广播终端通过网线连接到综合分站，调度电话通过电话线连接到地面的综合接入网关，调度电话也可以连接到综合分站成为IP调度电话，如图5所示。

图5 通信一体化方案组设计图

无线通信：小型核心网内嵌MSC(移动交换核心)、HLR、SMSC(短信网关)等功能。通信一体化方案提供的无线通信能力如①语音、短信、视频业务；②调度业务；③录音功能；④彩信业务；⑤无线数据传输能力；⑥公网专网漫游能力。

广播通信：小型核心网内嵌广播功能，通信一体化方案提供的广播通信能力如①指挥调度；②井下人员呼救对讲；③远程广播对讲和扩播功能；④对设定区域广播；⑤区域内双向通信联络；⑥任意组合播放；⑦在线录音存储回放。

调度通信：小型核心网内嵌调度功能。提供IP多媒体调度台，通信一体化方案提供的调度通信能力如：①呼叫、应答、强插、强拆、监听、组呼、群呼、会议、转接、录音、轮询点名、调度台夜服、状态显示等传统调度功能；②支持有线、无线、广播终端的接入，实现一体化调度；③调度电话无人接听，呼叫自动转移到附近的广播上。

4.3 通信一体化方案的优势

统一指挥调度：一个调度台实现固话、手机、广播终端统一指挥调度，提高应急指挥的效率。

多种功能：一套系统实现移动、调度、广播3套功能，维护简单，使用方便，用户体验一致。

减少投入：井上下实现一机一卡一号，手机终端融合，广播终端可以提供调度功能，减少重复布放，实现井上井下一体化、公网专网一体化，大大减少投入成本。

5 应用情况

目前一网一站系统先后在神华神东上湾煤矿和锦界煤矿以及神华榆神公司郭家湾煤矿进行了规模性部署。目前一网一站系统已建设完毕并成功应用。

如图6所示，上湾煤矿井下已部署142台综合分站，10台万兆环网交换机。综合分站包含3G基站、人员定位基站、WiFi AP、IP电话、IP广播、IP模块和千兆交换机，建立了3G通信系统、人员定位系统、IP广播系统，WiFi无线通信系统和井下环网，并部署IP电话作为现有固定电话的补充。提供光口/电口/RS485口承载了井下工控设备、工业电视和安全监测系统。

图6 上湾矿一网一站系统组网拓扑图

锦界煤矿井下已部署165台综合分站，12台万兆环网交换机，3台千兆分支环网交换机。综合分站包含3G基站、人员定位基战、IP模块和千兆交换机，部分站点部署了WiFi AP。建立了3G通信系统、人员定位系统和井下环网。提供光口/电口/RS485口承载了井下工控设备、工业电视和安全监测系统。作为锦界数字矿山系统的一部分，一网一站系统有力的支撑了数字矿山系统的建设。

根据神东区域自动化项目建设需要，在大柳塔煤矿进行4G技术的试验应用，下一步准备在其他煤矿进行推广应用。

6 结论

(1)研发了矿用井下万兆环网交换机，构建了井下万兆环网，能够实现对井下无线通信系统、人员定位系统、车辆定位系统、工业电视系统、语音广播系统、调度指挥系统和工业自动化系统的统一接入、统一承载和统一管理，满足井下传输和管理的需求。

(2)研发了具有无线通信、人员车辆定位、语音广播、WiFi等功能的一体化综合分站，集成了多项功能，实现了统一供电，模块可选配，整合了有线网络、无线网络，具有移动电话、固定IP电话、定位系统和IP扩播功能。

(3)采用ZigBee TOF定位技术，提高了人员定位精度。井下所有巷道定位信号实现全覆盖，将系统定位精度从30～50 m提高到10 m，漏卡率为0。

(4)完成了井上下一体化通信组网，终端设备可在专网、公网间无缝漫游，实现了有线和无线电话统一调度管理。