矿山应急救援指挥综合通信系统设计.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 3 M a r ． 2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 8 4 ～ 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ．1 67 1 25 1 x ．2 0 1 6 ． 03 ． 0 20 郑万波 ， 吴燕清． 矿山应急救援指挥综合通信系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 8 4 8 6 ． 矿山应急救援指挥综合通信系统设计 郑 万波 。 ， 吴 燕清 。 1 ． 瓦斯灾 害监控 与应 急技术 国家 重点 实验室 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 重庆 大学 光 电工程 学院 ， 重庆4 0 0 0 4 4 ； 3 ． 中煤 科 工集 团重庆研 究 院有 限公 司 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 摘 要 以矿 山应 急救援 指挥 通信 系统发展 趋 势为设 计 需 求 ， 结合 三 级指 挥信 息传 输模 型 ， 提 出 了一 种 结 合 有 线 S HDS L 、 无线 Wi F i 和卫 星通信 技 术 的矿 山应 急救 援 指 挥 综合 通信 系统 设 计 方案 。测 试 结 果表 明 ， 该 系统传输速率高， 通信距 离长， 满足井下语音、 视频、 环境监测参数和人员生命体征参数等多种实时数据融 合 通信 的需要 。 关键 词 应 急救援 通信 ；三级指 挥 ；有线 通信 ； 无 线通信 ； 卫 星通信 中图分类号 T D6 5 5 ／ 7 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 3 - 0 7 1 5 2 4 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 2 4 ． 0 2 0 ． h t ml De s i g n o f i n t e g r a t e d c o mmu n i c a t i o n s y s t e m o f mi ne e me r ge n c y r e s c u e c o mma nd ZH ENG W a n bo 。 一． W U Ya nq i n g ， 。 1． St a t e Ke y La b or a t o r y of Ga s Di s a s t e r M o ni t o r i ng a n d Eme r ge nc y Te c h no l o gy，Ch o ng q i ng 40 0 03 7 ， Chi n a；2． Co l l e ge o f Op t o e l e c t r o ni c Eng i ne e r i n g，Cho ng q i ng Uni v e r s i t y，Cho n gq i ng 40 0 0 4 4 ，Chi n a； 3． CCTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ta k i ng d e v e l o p m e nt t r e nd o f m i n e e m e r ge nc y r e s c ue c o mm a nd c omm u ni c a t i o n s ys t e m a s de s i gn r e q u i r e me n t s ， a d e s i g n s c he m e o f i nt e gr a t e d c o m mun i c a t i o n s y s t e m o f mi ne e me r g e n c y r e s c ue c omma nd whi c h c o mbi n e s wi t h wi r e d SH DSL，wi r e l e s s W i Fi a nd s a t e l l i t e c ommun i c a t i o n t e c hno l o gi c S wa s p r o p o s e d b a s e d o n t h r e e l e v e l c o mma n d i n f o r ma t i o n t r a n s mi s s i o n mo d e 1 ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m me e t n e e d s o f c on ve r ge d c o mm un i c a t i o n of v a r i o us r e a l t i me d a t a s u c h a s v o i c e，v i d e o，e n vi r o n m e nt mon i t o r i ng p a r a me t e r a nd pe r s o nn e l v i t a l s i g n pa r a m e t e r wi t h hi g h t r a n s m i s s i o n r a t e a nd l ong c o mm u n i c a t i o n di s t a nc e． Ke y wo r ds e me r g e n c y r e s c u e c o mm u ni c a t i o n； t h r e e - l e v e l c o mm a nd；wi r e d c o mm u ni c a t i on；wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o ns a t e l l i t e c o mmu n i c a t i o n 0 引言 国内矿 山应 急救援指挥通信系统主要发展趋 势 ① 能够穿越复杂的深部矿井灾害环境， 建立有 线 覆盖 距离 大于 1 0 k m 、 无线 覆盖 距离 大于 2 k m 网络 ， 能长距离、 快速、 准确 、 可靠地实现对灾害事故 指挥和专家辅助决策 ； ② 建立井下可靠通信网络 ， 传输灾区全方位信息数据 语音 、 视频 、 环境监测参 数 、 人员 生命 体 征参 数 l_ 2 ] ， 采用 有 线 、 无 线 、 卫 星 等 通信方式 ， 实现天 、 地、 井一体 化快速组 网I s ] ； ③ 应 急救 援 指挥 通信 系统层 次 化[ 4 ] 、 单 元化 和 标 准 化 ， 各种应急救援指挥通信系统之间以及应急救 收稿 日期 2 0 1 5 1 卜1 8 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 1 2 4； 责任编辑 盛男。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划 资助项 目 2 0 1 2 B AK0 4 B 0 9 } 重庆市前沿与应用基础研究计划资助项 目 c s t c 2 0 1 4 j c y j Ag o o 2 7 。 作者简介 郑万波 1 9 8 1 一 ， 男 ， Ig t ／ , I 自贡人 ， 副研究员， 博士研究生 ， 现 主要从事矿井 应急救援通信 和工程物探 仪器及装备 方面的研究 T作 E ma il z wa n b o 2 0 0 1 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 3期 郑万 波等 矿 山应 急救援 指挥 综合 通信 系统设 计 8 5 援 指挥 通 信 系统 与井 下 生 产 调 度 、 地 面 办 公 系 统 应 兼 容 [ 8 ； ④ 符 合应 急救 援 反复 性 、 持 久性 的特 点 ， 救 援 设备 能 够 多次 、 长 时 间 工 作 ； ⑤ 应 急 救 援 指 挥 通 信 系统 自供 电_ g ] ， 即井 下 电 网遭 到破 坏 或需 停 电处 理时 ， 有电池或其他方式供 电； ⑥ 提高应急指挥信 息 的真 实性 、 可 靠 性 和传 递 性_ 1 n ] 。本 文 以上 述 发 展趋势为设计需求 ， 提出了一种结合有线 S HDS L、 无线 Wi F i 和卫星通信技术的矿 山应急救援 指挥综 合通信系统设计方案 。 1 三级 指 挥信 息传 输模 型 事故救援时， 必须保证抢险指挥部与地面基地 、 井 下基 地 ， 井下 基 地与灾 区救护 队 ， 救 护 队 队员 之 间 通信正常 ， 因此 ， 矿山应急救援指挥综合 通信系 统宜采用三级指挥 。三级指挥信息传输模型如图 1 所示。指挥信息在井下指挥基地 、 井上指挥 中心和 远程指挥 中心之间双向传输 ； 现 场信息单 向传输到 井下指挥基地 、 井上指挥中心和远程指挥中心； 井下 指挥基地根据现场信息指挥事故现场的救护队队员 进 行救 援 工作 。 2系统 组成 及功 能 矿 山应急 救援 指 挥综合 通 信 系统分 为有 线通 信 系统和无线通信系统 ， 如 图 2所示 。有线通信系统 由地 面基 地 主机 、 地面 基站 、 有 线耳 机 、 有 线摄 像 头 、 避 雷 器 、 井 下 基 站 和有 线 S HD S L 终 端 组 成 ， 可 以传 图 1 三级 指 挥 信 息 传 输 模 型 输语音、 视频 、 环境监测参数、 人员生命体征参数等 数 据 ， 有 线通 信方 式可 解决 无线 覆盖距 离短 、 带 宽衰 减 快 、 可 靠性 低 的 问题 。无 线 通 信 系 统 分 为地 面 卫 星通信系统和井下无线通信系统两部分 地 面卫星 通信系统主要 由动 中通卫星站 移动指挥部 、 静 中 通 便携 式卫 星站 地 面 指挥 中心 、 远 程 卫 星 中心 站 国家 省 救援指挥 中心 组成 ； 井下无线通信 系统 主要 由 Wi F i 基 站 、 Wi F i 中 继 器 、 Wi F i 手 机 、 Wi F i 摄像头 、 Wi F i 环境侦测器和 Wi F i 人员监测器组成。 无线通信可实现作业 范围的高带宽覆盖 ， 克服有线 通 信移 动性 差 、 作业 困难 的缺 点 。井 下 设备 采 用 可 更换备用电源 ， 具有休眠唤醒功能 ， 满足应急救援多 次、 长时间工作的需求。有线通信系统、 地面卫星通 信系统和井下无线通信系统之间采用 T C P ／ I P传输 协议实 现 高带宽 配接 ， 可兼 容工 业 以太 网 、 办公 局域 网和互联 网 ， 充 分 发 挥 有 线 S HD S L、 无 线 W i F i 和 卫星通信的优点 。 图 2 矿 山应急救援指挥综 合通 信系统组 成 8 6 工矿 自动化 2 O 1 6年 第 4 2卷 3 系统 测试 在地 面和矿 井模 拟巷道 巷道 长 约 7 0 0 m， 具有 常用矿用 设备 和照 明 电 网 对 矿 山应 急救 援 指 挥综 合 通信 系统进 行测试 。 3 ． 1 有线 S HD S L通信 采用线缆 串接 的方式 线 缆参数 线芯直径为 0 ． 8 mm 铜芯 ， 直流电阻≤9 0 f ／ k m， 分布电容≤ 0 ． 0 6 F ／ k m， 固 有 衰 减 ≤ 1 ． 1 0 d B ／ k m ， 在 假 设 误 码率较小的情况下， 用统计软件测试通信距离 和传 输 速率 当井 下基 站 与 Wi F i 基站 、 地 面 基 站或 有 线 S HDS L终端 的距 离 为 4 ～6 k m 时 ， 地 面 基 站 与 井 下无线覆盖区域的有线通信距离可达到 8 ～1 2 k m， 传输速率稳定在 1 ． 5 Mb i t ／ s ， 能够可靠传输 2 ～5路 视频数据 ， 8 ～1 0路语音、 环境监测或人员生命体征 数据 ， 满足有线通信长距离、 高速率 、 高可靠性数据 传输需求。 3 ． 2无 线 W i Fi 通 信 采用 1 0个 无 线 中继 节 点 串 接 的方 式[ 1 。 节 点 之间信号强度相等 ， 节点相距 1 5 0 ～2 0 0 i n， 节点 1 以尽可 能大 的速率 向节 点 1 O发 送数据 ， 中间节点 转 发数据 ， 测试 中继节点数与端到端吞吐量 的关系 ， 结 果 如图 3 所 示 。随着 中 继节 点 的 增 加 ， 端 到端 吞 吐量逐 渐 降低 ， 到第 1 O个 节 点时 ， 无 线 传 输距 离 达 到 1 ． 5 k m， 端 到端 吞 吐量 降 低至 6 ． 7 Mb i t ／ s ， 能 可 靠传 输 2 ～3路视 频数 据 ， 4 ～6路 语音 、 环境 监测 或 人员生命体征数据 ， 满足无线通信多级中继高速率 传输 数据 的要求 。 e 。 耋 o 4 。 删3 0 程2 0 塑 1 0 巢 0 图 3 中继 节 点 数 与 端 到 端 吞 吐 量 的 关 系 3 ． 3 卫 星 通 信 采用 2个 B GAN探 险者 E 7 0 0和卫 星组成 卫 星 通信 测试 网 ， 数 据通 信 终端 采 用 近 端计 算 机 和远 端 计算机来模拟 ， 数据通信终端与卫星通信测试网之 间采用 T C P ／ I P接口， 近端计算机通过卫星通信测 试 网访 问远端计 算机 ， 如 图 4所示 。经测试 ， 卫星通 信 系统 能够实 现地 面 全方 位 网络覆 盖 ， 传输 速 率 稳 定 在 5 1 2 k b i t ／ s ， 能 基本满 足 1路视频 数据 ， 2 ～ 4路 语音 、 环 境监 测或人 员生 命体 征数据 传输需 求 。 图 4卫 星 通 信 测试 框 架 4 结语 矿山应急救援指挥综合通信 系统汇集有线 、 无 线 、 卫星通信技术于一体 ， 在救援现场与井下指挥基 地 、 井上 指挥 中心 及远 程 指挥 中心 之 间快 速 建 立 通 信 连接 ， 采集语 音 、 视 频 、 环境 监 测 参 数 和人 员 生 命 体 征参数 信息 。该 系 统 现场 测 试 效果 良好 ， 其 全 方 位立体覆盖的通信模式满足应急救援指挥实时数据 传 递 的需 求 。 参 考 文献 [ 1] 孙继平． 煤矿井下有线宽带信息传输研究 [ J ] ． 工矿 自 动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 1 - 5 ． [ 2] 郑万波． 基于 wi F i 与 x D S L的矿 井应急救 援多媒 体 综 合通信 系统设计及应用[ J ] ． 山东科技大学 学报 自 然科学版 ， 2 0 1 2 ， 3 1 2 6 8 7 3 ． [ 3] 郑万波 ， 吴燕清 ， 康厚清 ， 等． 矿井 应急 救援 指挥 通信 装置卫星传输音视 频 的实现 [ j ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 4 7 1 0． [4] 郑万波 ， 吴燕清 ， 李平 ， 等． I C S架构 下 的矿山应 急 指 挥通信系统层次模型[ J 3 ． 山东科 技大学学报 自然科 学版 ， 2 0 1 5 ， 3 4 2 8 6 9 4 ． [ 5] 郑万波 ， 吴燕 清 ， 刘 丹 ， 等． 矿 山应 急指 挥平 台体系层 次模 型探讨[ J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 6 9 7 3 ． [ 6] 钱建生 ， 李双双 ， 王莹莹． 煤矿应急通信保障系统 的设 计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o 1 2 ， 3 8 2 5 - 8 ． [ 7] 郑万 波． 基于应急救援模 型的矿 山应 急指挥通信模 式 探讨E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o 1 5 ， 4 1 8 2 9 3 4 ． [ 8] 孙继平． 煤矿安全监控系统联网技术研究[ J J ． 煤炭学 报 ， 2 0 0 9， 3 4 1 1 1 5 4 6 1 5 4 9 ． [9 ] 郑万波 ， 吴燕 清 ， 谢成 梁 ， 等． 新型 矿井应 急救援 指挥 通信系 统 关键 技 术 研 究 [ J ] ． 煤 炭科 学 技 术 ， 2 0 0 9 ， 37 8 1 0 0 1 02， 11 9． E l O 2 郑万波 ， 吴燕 清 ， 秦 伟 ， 等． 矿井 应急救援 指挥 通信装 置 的休 眠唤 醒 功 能实 现 探 讨 [ J ] ． 煤 矿 安 全 ， 2 0 1 0 ， 4l 3 1 07 1 1 1 ． [ 1 1 ] 郑万波 ， 吴燕清 ， 李 先 明， 等． 基于应 急管理机 制 的矿 山应 急救援指挥信 息传递 模型探讨 [ J ] ． 中国安全 生 产科 学技 术， 2 0 1 4 ， 1 0 增刊 1 2 9 3 2 9 9 ． [ 1 2 ] A Q l 【 ] 8 2 0 。 7矿山救援规程 E s 1 ． [ 1 3 1 李礼 ． 多接 口多信道多跳无线网络资源管理 与广播机 制的研究E D ] ． 长沙 国防科学技术大学 ， 2 0 0 9 2 5 2 8 ．