矿井综合通信系统摘要:针对目前矿井井下通信系统功能不完善，技术与实目前复杂的现状，提出了一种基于井下人员定位的综合通信监控系统。详细介绍了定位原理与具体实现过程，给出了系统中关键设备基站(BS)与人载通信器的结构原理图，并对综合通信与监控功能的实现进行了分析，最后给出了CMC管理软件的系统功能框图。
关键词:人员定位;基站;人载通信器;通信系统
一、矿井井下通信系统组网现状
井下通信系统在矿山或煤矿中有着重要的作用。它可以完成地面控制中心与井下员工的实时通信，或者对井下的一些重要设备进行实时监控。目前，常见的井下通信系统主要有有线传输调度程控电话系统、架线电机车载波电话系统、感应通信系统及近几年发展起来的漏泄通信系统[1，2]。由于井下恶劣的通信环境，特别是严重的噪声干扰和电波衰落，严重影响了通信系统的实际应用。目前井下通信系统[3-5]的功能比较单一，可扩展性较差，不利于大规模矿山应用。井下多功能综合通信系统特别是无线移动通信系统对矿山工程的生产与管理意义重大，但目前没有较成熟的产品，因而其发展空间广阔。
二、一种基于井下人员定位的综合通信系统组网方案
2.1 系统设计功能与要求
本方案的主要目的是对井下人员进行定位，并通过基站实现地面控制管理中心与井下员工的实时通信。除此以外，该方案还具有实时监测井下重要仪器设备的功能。分析表明，该综合通信系统具有设备与施工简单，成本造价较低，实用功能较强等特点。系统采用无线与有线相结合的方式，具有良好的可扩展性，可应用于大中型煤矿井下人员的定位管理与设备检测管理
(1)任务与要求:
①对矿井下的员工进行定位，并进行相关信息统计。能够实时地监控井下员工的具体位置(误差范围内);能够进行员工下井考勤与相应时间、地点的统计(包括何时下井，何时离井，具体位置等)。
②可对某些井下重要仪器设备或重要区域进行实时监控。不需要工作人员实地看管，可将设备运行状态的实时数据及时反馈至控制中心，以便进行提前故障预测与检修。
③实现地面控制中心与井下员工的简单双向通信(数据或语音)。主要用于通告员工对仪器设备的实时维护与紧急情况下互相通信。
(2)主要设计参数如下:①网络规模大小约为10km;②基站BS总数量约为1 000个;③无线通信距离为30m-50m;④基站BS间距为50m-80m;⑤通信器移动速度为0-5m /s。
(3)设计注意事项:
①井下信号的衰减较大，要合理地设置基站的发射功率与基站间的距离。
②信号传感源密集区(仪器设备密集区)要设置相应基站，便于铺设传感线路。
③基站设置要重点考虑可能的员工密集区和信号衰减严重区域(如十字路口处)。
2. 2系统整体设计方案
通信定位系统主要由地面控制中心CMC( Control Management Center)、井下基站(Base Station)以及人载通信器(Comm unicator)组成。CMC负责整个通信定位系统的管理与控制，通过地面管理中心可以对井下人员以及相应设备进行实时的监控。CMC任务可由一台多功能计算机并配有相应数据库管理软件完成。BS为整个通信定位系统的关键部分，负责多项功能。主要有:人载通信器周期性信号的检测(用于人员定位);仪器设备或其他传感信号的采集与初步处理;地面控制中心与井下人员的双工通信。人载通信器用于完成井下员工与地面的通信，并通过发射周期性Hello报文来确定井下人员位置。
矿井剖面图如图1所示。BS( Base Station，基站)采用悬挂式装置置于井下通道壁上，BS位置固定，通过有线电缆与地面控制中心CMC相连接。BS分布于整个矿井中，负责对井下人员的身份、位置、时间进行鉴别定位。Ci为人载通信器，即井下人员的具体位置。Ci可处于静止或运动状态，移动速度一般小于3m /s－5m /s。
通信系统平面模型图如图2所示，整个系统采用集中式控制，便于生产管理与整体调度。BS与CMC可采用井下已有的通信电缆进行连接，不需额外铺设架线。传感器可将采集到的传感信号通过短距离有线媒体接入BS。由于井下传感源数量有限，而且布置BS时已考虑传感信号源的分布，所以传感器接入线路距离较短。传感信号带宽需求较小，普通有线传输媒体即可满足需求，使得整个传感接入线路代价较小，可根据需要临时铺设。
煤矿矿井可以看作线型通道，BS采用悬挂式结构安装在通道墙壁。人载通信器Ci的最大发射功率与基站BS相同，保证井下任何位置由人载通信器所发出的信号都可以被附近至少一个基站BS接收到。通过图1可以看出，合理的设置BS间距离可以使得基站信号既能覆盖整个矿井通道，又不会造成太大的信号重叠;既节省了发射功率，又降低了无线信号间的同频干扰，增加了无线带宽利用率。对于人载通信器Ci，最多只有两个BS同时检测到某个Ci发出的周期性Hello报文，既节省了发射功率，又方便于井下定位的计算。整个系统的设计兼顾了实用性、经济性和技术可行性要求。
2. 3井下人员定位原理
我们采用信号强度检测法对井下员工进行位置定位。基站BS实时的检测周期性人载通信器发出的Hello报文，并将检测到的报文信号强度和报文信息传给地面控制中心CMC,CMC根据收到的信息来进行井下人员的位置定位。
定位原理:
CMC为每个 BS设置具体的位置序列号，该序列号对应矿井下具体的地理位置。每个人载通信器Ci设有不同的身份认证序列号，分别对应不同的员工信息。Ci周期性的发送Hello数据包，该数据包为一种握手信息，只包含Ci的身份认证信息。BS实时的接收来自Ci的Hello报文，对收到的信息包进行电平大小和身份认证信息检测，并将结果实时地传给地面控制中心CMC。 CMC通过不同的BS序列号值和Hello信号强度(电平值)可确定出信号的具体位置来源，通过对信号中认证信息的分析可确定发出该信号的人员信息，从而可以实时地检测每个员工井下的具体位置。多个相邻BS接收到含有同一身份认证信息的Hello报文时，CM C通过比较不同BS接收的Hello报文信号强度来确定该报文发出的具体位置。
设井下某段通道信号衰落成均匀分布(在某段通道内可以近似)，则可使该段内任意两相邻BS间距离相等，如图3所示。BS为基站，BS1与BS2, BS2与BS3皆距离相等。Ci（i＝1,2, 3, 4)表示人载通信器，即井下人员的具体位置。我们通过测定此段通道内Ci无线信号的最大传输距离来设置两BS间距的大小，使Ci信号的最大传输距离略大于BS间距的一半(如0.6倍BS间距)。
对C1,C2两个节点，BS2可以检测到它们的周期性Hello信息包，其他BS由于距离这两个节点较远，则无法检测到C1与C2发出的周期性信息。CM C可以接收到t0时刻由BS2传来的信息(包含电平值大小和Ci的身份认证信息)，据此可以判定出在t0时刻C1与C2皆在BS2附近。BS2在井下的位置固定，C1,C2对应不同的井下人员，所以CM C可以知道t0时刻这两名井下员工的具体位置。对C3节点，由于处于BS2与BS3的中间位置，CMC可以同时收到来自这两个基站接入点的信号，从而判定出该节点位于BS2与BS3基站之间(此时信号电平值较小)。C4发出的周期性信息也同时被BS3与BS4检测到，但是CMC通过比较两者的电平大小可以确定C4位于靠近基站BS3的地方。
这里需要注意的是该方法确定的是C，的大体位置，存在一定的误差。但是通过比较信号强度，可以使该误差远小于二分之一倍BS间距。该方案中BS间距约为50m－100m，故误差在几米范围内，这对一个数十公里的大型矿井井下员工位置的定位是有意义的。
2. 4结构原理框图
以上从整体结构讨论了该系统的构成与定位原理。图4,图5给出系统中的基站BS和人载通信器的结构原理框图。为保证一般性，我们对具体芯片型号与参数不作要求，具体应用中可以根据实际情况选用不同的通信器件与芯片。
2.5设备监控与传感信号采集
该通信系统除了完成井下人员定位功能之外，还具有对井下重要设备进行监控和对感应信号源进行信号采集的功能。
设备监控功能可实现地面控制中心对井下一些重要设备的运行状态进行实时监控，及时地预测设备可能出现的故障，便于井下人员的维护。该功能的实现需要辅以设备检测装置，BS可以通过数据线路时接收来自设备检测仪器的信号，并将数据传给地面控制中心CMC进行数据分析处理，完成实时监控的目的。
通过传感器可以对井下某些特殊区域进行传感信号的收集。不同的传感信号可以通过不同的传感器进行收集，如温度、压强、甲烷含量等传感信号。传感器可将获得的信号传送至附近基站，然后进一步传至地面控制中心进行处理。通过得到的传感数据可实时对井下特殊地理区域进行检测。
此外，对检测到可能出现的事故或设备故障可以通过基站的报警装置和显示屏(图4)，进行实时实地的预报，以满足矿井安全生产需要。
2.6 CMC与井下员工的双工通信
系统所实现的另一个功能就是通过人载通信器与基站BS实现地面控制管理中心与井下员工的实时通信。井下双工通信在安全生产，井下人员管理等方面都有重要作用。目前已有许多专门的井下通信系统用于实现地面控制中心与井下人员的实时通信，由于井下无线环境恶劣，特别是通道拐角处信号衰减很大，使得无线通信效果较差。专门铺设通信电缆代价较大，而且有线通信对员工的移动性也提出了限制，因此也不利于井下通信_
通过在人载通信器中设置语音输入电路和语音信号发生器(图5)，可以方便地完成地面控制中心CMC与井下员工的实时语音通信。信号通过基站BS进行传输，由于无线传输距离短，因此大大降低了信号衰减对通信的影响。此外，还可以通过键盘输入和液晶显示屏完成与地面的数据通信功能。
2.7 CMC的软件讨论
由于管理软件设计的灵活性与多样性，本文不对软件的具体设计进行深入讨论，但作为整体通信管理系统的一部分，软件的设计具有重要地位。不失一般性，图6给出地面管理控制中心的软件管理系统的参考结构框图。
3 矿井综合通信系统结束语
矿井井下通信系统对矿业安全生产与管理意义重大。矿井井下地形复杂，无线信号衰减严重，有线电缆铺设困难而且造价高，使得目前大多井下通信系统不仅功能简单，而且技术复杂，造价较高，不能较好地应用于实际生产过程中。基于人员定位的矿井井下综合通信系统通过有线与无线结合的方式，采用信号强度检测的方法，可以实现地面控制中心对井下人员的实时通信与位置监测。通过传感设备还可以实现对井下重要仪器设备进行实时监控和故障预报。整个通信系统各功能实现独立，方便实际应用与功能扩展，具有广泛的推广应用价值。