矿用即时对讲通信系统的研究及应用

薛钢琴，李晓强，尹雄，万星炜，范鹏飞，徐启彪，杨良

(1.阳泉煤业(集团)有限公司， 山西 阳泉 045000；2.中国矿业大学， 北京 100091)

0 引言

随着煤炭科技的不断进步，煤矿建设经历了一系列的发展过程。井下通信系统的主流也逐渐从有线通信发展为无线通信。随着地面无线通信系统的应用发展，井下防爆无线通信系统的应用也逐渐顺应市场，成为了煤炭通信系统发展的必然趋势。

目前基于3G网络、4G网络、Wi-Fi等无线方式的通信系统在我国多个煤矿取得了成功应用，然而这些通信方式存在着各自难以解决的问题。如3G、4G网络的信号传输频率过高，在采掘工作面和巷道中通信距离短，同时还有布设成本过高，系统复杂等问题；Wi-Fi通信会出现多用户同时使用时争夺信道资源，使得通话信号不稳定的问题。 这些问题在对讲机通信系统中都可以得到解决。随着数字通信技术发展与成熟，数字对讲机的许多优点也都显现出来。首先，可以更好地利用频谱资源，与蜂窝数字技术相似，数字对讲机可以在一条指定的信道上装载更多用户，提高频谱利用率；其次，可以提高语音质量，由于数字通信技术拥有系统内错误校正的功能，与模拟对讲机相比，可以在一个范围更广泛的信号环境中，实现更好的语音音频质量；第三，通过提高、改进语音和数据集成，改变控制信号随通信距离增加而降低的弱点，使更多的数据应用可以被集成到同一个双向无线通信基站结构中，对语音和数据服务集成更完善、更方便。这3个特点使数字对讲机成为未来对讲机技术发展的必然趋势，也使煤矿井下应用数字对讲系统成为可能。

1 系统组成及关键技术

1.1 系统组成

本系统主体由基站和对讲机组成，对讲机在各基站无线网络覆盖的区域内漫游，实现语音同步、对讲通话。系统采用蜂窝式组网方式，以基站为覆盖点，相邻的基站为一个覆盖区域，基站和基站采用无线链路数字连接，系统中的通信可采用2种工作模式：对讲机工作模式、基站-对讲机结合的工作模式。系统基本构架如图1所示。

图1 对讲机通信系统结构示意图

1.2 井下电波干扰研究

由上文可知数字对讲机依靠电磁波进行数据的传输，故而井下电磁波的传输距离直接关系到对讲机可用通话距离。另外井下道路弯折、分支较多，各种矿用设备会对电磁波的传输造成影响。因此研究矿井无线传输的特点，选择适合井下通信的电磁波频率以及研究电磁干扰的应对方案，对通信系统极为重要。

1.2.1 巷道中电磁波的传输特性

1.2.1.1 巷道、铁器、风门对电磁波传输的影响

在进行煤矿井下无线信号覆盖设计时，必须考虑巷道的截面大小、巷壁介质和几何形状、设备设施布置、移动设备流量等因素[1]，电磁波衰减率可由近似计算公式得出：

(1)

式中：kh为统计常数,(常数，由经验给出)；ah为巷道宽度方向的最大值,m；b为巷道高度方向的最大值,m；εγ为介电常数。

由衰减率近似计算公式可以看出，衰减常数同巷道的宽和高的3次方成反比，巷道尺寸越大电磁波的传播空问越宽阔，衰减率越小。而巷道尺寸越小，电磁波的传播空间越受限制，衰减越大。在巷道尺寸相同的情况下，工作频率越高，衰减率越小。在巷道截面较大，巷道为平直时，由于波导效应，UHF中的较高频段电磁波的传输距离会大大增加。对于弯曲巷道，高频段电磁波的衰减是非常严重的，而低频段电磁波的绕射能力和穿透能力都比较强。

表1 平直巷道中频率对衰减率的影响

表2 弯曲巷道中频率对衰减率的影响

通过理论研究和实验可知， 在平直巷道中，频率越高，衰减率越小，无线信号传输距离越远。在弯曲巷道中，频率越高，衰减率越大，无线信号的传输距离越近[2]。另外衰减率还会随着铁制设备的增多而增大。

1.2.1.2 截止频率

电磁波在巷道传输存在截止频率，截止频率是是矿井移动通信系统设计的重要依据[3]。当矿井无线传输频率低于截止频率时，无线传输衰减将会迅速增大，系统的无线传输距离将大大减小。

矿井无线传输的截止频率与无线传输有效截面积的形状和尺寸有关。对于有效截面为矩形的无线传输截止频率f与矩形截面长边a的关系表述：

f=C/2a

(2)

式中：f为截止频率,MHz；C为真空中的光速，m/s；a为矩形截面的长边，m。

针对不同的工作场所，通过理论和试验获取的截止频率：

1)采煤工作面的无线传输通用截止频率为246 MHz[4]；

2)巷道的无线传输通用截止频率为83 MHz。

通过在井下的现场测试，此无线对讲系统的频率应在300～900 MHz为宜。

1.2.2 电磁干扰对通信系统的影响与解决方案

煤矿的地面及井下的电磁频谱复杂多变，干扰问题很突出，甚至有的时候能够造成通信或数据中断，因此在开发新的通信系统时，必须研究电磁干扰以及抗干扰措施。

1.2.2.1 井下电磁干扰的特点

我国煤炭生产长期主要采用长壁式采掘方式，这就带来了井下电磁环境的复杂性、多变性。煤矿井下为限定性空间， 电磁干扰的耦合与传播和地面完全不同。巷道截面形状、尺寸、介质、弯曲、分支、倾斜、金属支护、纵向导体(电缆、水管、铁轨等)、通风设施影响着电磁干扰的耦合与传播。

井下无线通信的电磁干扰噪声主要可分为两大类， 自然噪声和工业噪声。工业噪声是指工业部门所使用的各类设备运行时所产生的电磁噪声，这些设备只要用电运行，就会产生电或电压的突变，也就成为噪声的发生源。这类噪声进入了运行中的通信系统就变成了干扰噪声。矿井里的主要干扰源是工业噪声，主要包括高压电力电缆、大功率变压器、变频装置、其他无线设备等。

1.2.2.2 抗干扰的措施

1)软件无线电技术。将软件无线电技术应用于通信抗干扰中，实现与时变技术的有效结合，根据信号的不同使用场合和干扰情况进行变化，可以单独跳频工作，或跳频与直扩混合的方式工作，有利于提高通信系统的抗干扰能力。

2)DSP技术。数字信号处理(Digital Signal Process，简称DSP)是利用专用或通用数字信号处理芯片，通过数字计算的方法对信号进行处理。与模拟信号处理相比，DSP具有极强的实时性，能在极短的时间内完成对外部输入信号的各种处理，即信号处理速度大于信号更新(传输)速度，这使其对话音进行实时处理成为可能。数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响，处理过程不引入其他噪声，故精度高、稳定性好，具有很高的信噪比。将DSP芯片植入对讲机中，将得到的语音信号进行数字化并通过 DSP 进行高速处理。再辅以相应的软件技术，可以最大限度地保障系统的抗干扰能力。

2 无线基站设计

无线基站用于自行组建智能数字无线通信网络，为对讲机终端广播对讲提供网络和信号中继。具有功耗低，信号传输稳定，传输距离远，自组网能力强等特点。无线基站适用于煤矿井下或地面无线语音通信的场合。

矿用智能对讲通信系统采用dPMR数字协议标准，以4.8 kbit/s的速率对语音进行双向编解码，实现多个手持对讲机的通话。为了提高数据带宽的使用效率，无线基站采用双收发模块，通信采用半双工通信方式，实现连续清晰的对讲通话。

在电源方面，无线基站采用2种供电模式。在有外电的情况下，采用隔爆兼本质安全型电源给无线基站供电，电池作备用电源；在临时性的活动区域和不具备外电供电的场所，由电池进行供电。基站采用多重节能设计，容量为10 Ah的电池待机工作时间达12 h，电池可以带到地面充电。基站构成如图2所示。

图2 基站构成

3 对讲机设计

数字对讲机有射频单元、音频单元、电源和控制单元以及基带处理单元组成，系统比较简单，组成部分少，这充分体现了系统简单，组网方便的特点。对讲机构成如图3所示。

非洲猪瘟病毒在原料中30天后的存活能力仍然未知，并且当前还没有足够的数据来准确估计。由于无法计算有效的隔离期，高风险的原科应该从无非洲猪瘟病毒和经典猪瘟病毒的国家引进。

图3 对讲机构成

数字对讲机与模拟对讲机最大的区别就是语音信号进行了数字化并通过DSP进行了高速处理。虽然这样使得通话质量大大提高，但高速DSP的时钟高达100 MHz以上，这导致其谐波有可能会干扰射频载波。另外为了提高电源效率而采用的是开关电源，其开关频率也会调制到载波上，这在一定程度上也会对载波造成一系列干扰。

针对这些干扰信号，采取如下解决方案。

1)在电路板的设计上，采用射频单元单独布局布线，单独使用屏蔽槽，控制线、数字信号线进行屏蔽处理，同时在软件上进行优化，从而解决高速时钟所带来的影响。

2)通过调整开关电源的频率、滤波电感的值、选择滤波性能好滤波电感、PCB优化设计来解决开关频率的影响。

同时，对讲机还具有路由中转功能，其接受到的数据包在对讲机中也可以进行解密或打包进行传输。这使得对讲机也可以起到中继作用，可以减少所需基站数量从而使系统布置方便，结构简单，组网能力强的特点更加明显。

4 系统应用场合设计

4.1 采掘工作面及通道的设备布置

对于采掘工作面的繁杂工作程序，复杂、多变的工作环境，利用矿用智能即时对讲通信系统快速建立起区域无线覆盖，可实现工作面区域内工作人员的快速调度、指挥和协同工作。

在采煤工作面与运输通道的交叉口位置布置1台便携式无线基站，手持设备由工作面以及通道的工作人员持有。布置示意图如图4所示。

1-采煤机；2-刮板输送机；3-支架；4-下端头支架；5-上端头支架；6-转载机；7-带式输送机；8-配电箱；9-乳化液泵站；10-设备平板列车；11-移动变电站；12-喷雾泵站；13-液压绞车；14-集中控制台。图4 工作面系统布置示意图

4.2 竖井的设备布置

在竖井井口布置1台便携式无线基站，手持设备由车房，井口工作人员以及井筒检修人员持有，布置示意图如图5所示。

1-对讲机；2-天线；3-无线基站；4-外接电源。

经试验，系统可实现以井口圆心半径1 500 m，以及井口至井底220 m范围内的通信信号覆盖，对讲通信语音清晰连贯，无断线掉字等情况，成功解决了井筒检修过程中检修人员及车房工作人员之间语音通信的问题。

4.3 巷道中的设备布置

在2 000 m的皮带巷中每几百米布置1个无线基站，每个基站配置1个定向天线和1个全向天线，天线垂直于巷道长度方向布置，每个检修人员持1部对讲机。布置示意图如图6所示。

经试验，该系统能实现对2 000 m皮带巷的全范围通信信号覆盖，对讲通信语音清晰连贯，无断线掉字,从而方便了带式输送机的检修作业。

图6 皮带巷系统布置示意图

5 结论

1)项目采用dPMR数字式、低功耗、快速组网等特点的语音通信技术，实现在临时区域、环境复杂区域及救援通道区域内的通信。以低数据带宽的dPMR无线通信技术，采用双收发模块基站，半双工对讲手持设备的系统方案。

2)基站的设计轻巧简捷，便于安装和拆卸，防水防尘等性能优越，适合煤矿生产各种复杂的情况。系统采用全数字设计，性能可靠稳定性高，传输速度快，且采用了多重抗干扰设计，抗干扰能力强，适应工作面通信、井筒检修、井下巷道皮带检修等一系列工作。

3)如遇突发情况，该系统可在险情发生的第一时间，在救援通道上快速灵活地组建无线网络，提供稳定可靠的通信，提高救援效率，能够满足生产、救援指挥的需要，必将成为矿井日常生产和应急备用不可缺少的系统，具有广阔的应用前景，良好的经济效益和社会效益。