无线以太网技术在煤矿通信系统中的应用

张正旭

（西山煤电集团公司西铭矿，山西 太原 030053）

0 引 言

煤炭是一种重要能源，被誉为“工业的食粮”，在推动工业化建设和促进经济发展等方面做出了巨大贡献。煤炭开采过程中，一个采煤工作区的作业完成后，除永久性大巷外，要将电力、运输、通信、支护、采掘、通风排水以及监测监控等设备搬迁到下一工作区。井下巷道掘进过程中，伴随着掘进的进度，大量设备也要随时搬迁，因此对煤矿井下通信系统有着较高的要求。

1 无线以太网技术

以太网技术（Ethernet Technology）是一种技术规范，以太网主要是应用载波监听多路访问/冲突检测技术（CSMA/CD），可以在多种不同类型的电缆上以10 Mb/s的速率运行。无线以太网是在以太网的基础上发展起来的，起源于1971年，具有以太网的优势且无需电缆。无线以太网由IEEE 802.11协议进行规范，协议的主要组成部分有802.11a、802.11b、802.11g以及802.11n等。无线以太网工作频段为2 400 MHz和5 800 MHz，是两个开放的ISM频段。相关技术包括直序列扩频技术、正交频分复用技术以及智能天线与频道聚合技术。作为有线以太网的无线扩展，无线以太网有着诸多优势，包括高带宽、低成本、小型灵活、协议标准化好以及抗干扰性能优越等。不同协议下，无线以太网的传输吞吐率也不相同，使用802.11b可达到5 Mb/s，802.11g可达到20 Mb/s，802.11n可达到250 Mb/s，使得无线以太网能够承载视频、语音以及数据等业务的传输。

现阶段，无线以太网已经得到广泛应用。从各种移动终端设备如手机、个人电脑以及PDA等，到家庭内部无线网络和企业无线网络，从教育、医疗、电力以及石油等领域到中国移动、中国联通以及中国电信等运营商无线以太网的接入服务，均体现了无线以太网的应用。

2 常用的煤矿井下无线通信系统

现如今，我国煤矿井下通信系统依然以有线通信为主。煤矿井下的工业电视系统、监测监控系统、工业控制系统以及人员定位系统等，应用的均是通信电缆或光缆等有线传输方式，只有语音通信等几个领域采用无线通信，说明无线通信系统在煤矿井下尚未得到普遍应用。

我国煤矿井下无线通信主要包括漏泄通信系统、感应通信系统、透地通信系统、小灵通（PHS）通信系统以及大灵通（CDMA）通信系统。其中，漏泄通信系统、感应通信系统以及透地通信系统存在诸多不足，其可靠性较差，容易受到电磁干扰，且信道容量相对较小，应用范围严重受限；矿用小灵通无线通信系统是在PHS系统这一无线系统基础上产生的，可为地面和煤矿井下提供无线语音业务；矿用大灵通无线通信系统是与小灵通无线通信系统相对比而产生的，以CDMA 2000技术为基础，工作频率为450 MHz。大灵通无线通信系统克服了小灵通无线通信系统的一些劣势，有着优越的抗干扰性能和较好的移动性，且通话清晰，信号稳定，支持无线高速分组数据业务。但是，大灵通无线通信系统的抗灾变能力和协议标准化较差且功能单一。

此外，研究煤矿井下无线通信系统时，频率也是一个不可忽视的因素。相关研究发现，井下巷道中，无线电波有其独特的频率和衰减特性，如图1所示。从图1可以看出，煤矿井下巷道中，无线电波的传输频率在0～800 MHz时，衰减非常大。伴随着频率的上升，倾斜损耗不断加大，但因巷道壁粗糙造成的损耗不断减少，在1 000～3 000 MHz总损耗缓慢上升。

图1 井下巷道中无线电波的频率、衰减特性

3 煤矿通信系统中无线以太网技术的有效应用策略

3.1 应急通信系统

基于生产环境的特殊性，煤矿生产过程中的危险系数相对较高，井下灾害或紧急情况的发生率较大。稳定畅通的通信是灾害或紧急情况发生时最基础的救援保障，因此煤矿井下生产过程中应急通信系统是煤矿通信系统中必不可少的重要组成部分，与煤矿的生产安全存在密切关联。现阶段，煤矿应急通信系统应用的技术主要是有线通信技术和大灵通无线通信系统等，往往依赖地面的局端交换设备。在遭遇严重灾害或紧急情况时，煤矿井下电路往往会断开，相关线路和井下设备出现破坏，导致井下与地面的局端设备失联，使得整个通信系统瘫痪而无法保障应急救援工作的顺利展开。

为避免上述问题，使煤矿井下可以与地面保持实时通信，需要在应急通信系统中有效应用无线以太网，确保系统的稳定性。通过应用VoIP技术，即使应急通信系统中的手机和基站脱网也可以进行通信。也就是说，即便与地面局端设备失去联系，系统内部间依然可以保持通信。煤矿生产过程中遭遇突发情况导致各种终端设备损坏时，应急通信系统依然可以保持实时通信，为救援工作的开展提供良好的支持，确保救援工作顺利开展。此外，在应急通信系统中有效应用无线以太网技术，赋予其环网冗余功能，即使应急通信系统中的单点、单边线缆或设备发生损坏，应急通信系统也可以正常运行，发挥良好的应急通信作用。

3.2 人员定位系统

煤矿人员定位系统中通常采用RFID技术，以准确定位人员。但是，RFID技术依赖于独立的系统与网络。伴随着无线以太网技术的迅速发展，它的定位技术不断完善，已在海关、酒店以及医院等领域得到了应用。在煤矿人员定位系统中，有效应用无线以太网的优势在于：协议标准化，能与视频、语音以及数据等业务共同使用一个无线以太网平台，不需要建立独立的系统与网络；定位精度高，可以准确测量和计算场强与信噪比，定位精度远远超过传统的RFID技术。

3.3 移动通信系统

借助无线以太网实现煤矿话音的移动通信从2007年开始出现。现阶段，我国应用VoIP技术机制建设了数十套系统。伴随着无线以太网中VoIP技术的进步和VoWLAN的发展，以往限制无线以太网语音通信的无缝漫游和通话质量等问题已经逐步解决。现阶段的融合调度通信技术实现了生产与行政一体化和有线与无线一体化的调度通信功能。煤矿移动通信系统如图2所示。

3.4 煤矿自动化系统

近年来，自动化技术在煤矿中得到了广泛应用。自动化技术的有效应用有利于节约人力、物力。在煤矿开采作业中有效应用自动化技术可以减少劳动强度和人工劳动量，还可以确保煤矿开采安全并提高煤矿开采效率。伴随着煤矿中综合自动化技术的应用，煤矿各监控子系统和生产子系统的复杂化与自动化程度得到了明显提升。子系统的种类和数量越来越多，接入传输方式的弊端与不足也逐渐暴露。目前，接入传输方式的网络拓扑结构主要为“链型”和“星型”，采用有线的传输方式接入，缺乏链路冗余，易“一碰就断”，且受到现场环境和位置等因素的干扰，需架设线缆，无法灵活移动。

图2 煤矿移动通信系统

在煤矿自动化系统中有效应用无线以太网，即使用无线自动化接入适配设备，子系统和被控设备可提供总线通信、串行通信以及以太网等多种接口，对网络侧可应用无线以太网接入井下工作以太环网。采取这样的方式能实现无线接入，摆脱线缆对设备和子系统接入的束缚，更加便捷，同时可以建立无线Mesh或“无线+有线”的多链路冗余传输机制，大幅度提升自动化系统的可靠性。

3.5 风险监测系统

安全是第一要义。煤矿生产过程中，必须保障生产安全。煤矿生产环境相对复杂，安全风险较多，有必要全面检测煤矿的潜在风险，预防安全事故的发生。煤矿井下监测系统中，设置了大量一氧化碳传感器探头、粉尘传感器探头以及瓦斯传感器探头等，用来检测有害物质的浓度。若被检测物质的浓度超标，这些传感器探头便会发出报警信号。现阶段，这些传感器探头主要是以有线传输方式与监测分站连接，在断电或发生意外情况时会丧失报警功能。将无线以太网应用于风险监测系统，也就是将无线以太网传输模块安装在一氧化碳传感器探头、粉尘传感器探头以及瓦斯传感器探头上，实现各种传感器的无线接入，便于传感器的井下部署。煤矿井下生产过程中，瓦斯泄露是一个常见的问题。瓦斯浓度超过一定范围，便会导致瓦斯爆炸。煤矿井下生产中，为有效检测瓦斯浓度，通常应用手持式瓦斯检测仪。该设备具有便于携带和移动性较好的优势，但数据独立，无法及时上传并共享。此时，可以将无线以太网传输模块安装在手持瓦斯检测仪上，实现手持瓦斯检测仪联网，使其可以及时上传数据，实现数据共享。

4 结 论

综上所述，无线以太网技术有着诸多优势，在煤矿通信系统中实现对无线以太网技术的有效应用，是保障煤矿生产安全的必然要求。将无线以太网应用于应急通信系统、人员定位系统、移动通信系统、自动化系统以及风险监测系统中，可有效提升煤矿生产的效率和安全性。