一种新型煤矿井下无线通信系统研究.pdf

第 3 9卷 第 8期 2 0 1 3年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo I ． 3 9 NO ． 8 Au g ．2 01 3 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 8 0 0 2 2 0 4 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 0 6 武先利 ， 王鹏 ， 温 良， 等． 一种新型煤矿井下无线通信系统研究I- J - 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 8 2 2 2 5 ． 一 种新型煤矿井下无线通信系统研究 武先利 ， 王鹏 ， 温 良， 郎琦 中煤科工集团煤炭科学研究总院 安全装备技术研究分院，北京1 0 0 0 1 3 摘要 针对应急救援常用的救灾通信 电话存在通信链路建立时间长、 通话质量差、 不能实时在 线等问题 ， 提 出 了一 种基 于 Me s h多跳 和跳 频扩谱 技 术的煤 矿 井下无 线通 信 系统 的设计 方案 。采 用 骨干路 由 节点和 中 继路 由节点相互配合构建 Me s h多跳的基础结构 ， 同时采用多射频多通道技术来提 高多跳子 系统的容量、 多 跳 次数及覆 盖 范 围 ； 针 对跳 频 扩谱 通信链 路 中需要 解 决 多频 天 线技 术 和异 频无 线路 由技 术的 问题 ， 采 用改进 型最小费用路 由算法来确保在 灾变后煤矿 井下不确定性 因素增强的情况下， 无线传输选择最优路 由链路。 测试结果表明， 该 系统能够实时准确地将井下信息传送到地面救援指挥 中心， 且能够实现地面救援指挥 中心 与 井下救 护 队 员的直接 对话 和通信 指挥 ， 提 升 了应急救 援 能力 。 关键词 矿井无线通信 ； 应急救援 ；Me s h多跳 ； 跳频 扩谱 ；多频天线；异频无线路 由；最 小费用路 由 算 法 中图分类号 TD 6 5 5 ． 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 3 0 7 2 3 1 3 5 6 网络 出版地址 h t t p ／ ／ w ww． 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 3 0 7 2 3 ． 1 3 5 6 ． 0 0 6 ． h t ml Re s e a r c h o f a n e w un d e r gr o un d wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m W U Xi a n l i ， W ANG P e n g， W E N Li a n g， LANG Qi Re s e a r c h Br a n c h o f S a f e t y Eq u i p me n t Te c h n o l o g y ，Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f CCTEG， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e ms o f l o n g s e t u p t i me o f c o mmu n i c a t i o n l i n k ，b a d v o i c e q u a l i t y a n d u n a b l e f o r o nl i n e e xi s t e d i n c o mm o n r e s c ue c o m mun i c a t i o n t e l e p ho ne f or e me r ge nc y r e s c ue ，t he pa p e r p r op os e d a d e s i gn s c he me of un de r gr o und wi r e l e s s c omm u ni c a t i on s y s t e m ba s e d o n M e s h mul t i h op a nd FH S S． The s c he m e u s e s ba c kbo n e r o ut i ng no d e s a nd r e l a y r ou t i n g no d e s t o b ui l d b as i c s t r u c t u r e o f M e s h mul t i ho p， me a n whi l e us e s mu l t i r a d i o a nd mul t i c ha nn e l t e c hn ol o gy t o i m p r ov e c a pa c i t y， mul t i h op t i m e s a n d c ov e r a ge r a n ge s of mul t i ho p s u bs ys t e m ．Fo r s ol v i ng pr o bl e ms o f t e c hno l o gi e s of mul t i f r e qu e nc y a nt e nn a a nd wi r e l e s s r ou t i n g wi t h d i f f e r e n t f r e qu e n c y，t he s c h e m e u s e s i m pr o v e d mi ni m u m c o s t r ou t i n g a l g o r i t hm t o e ns u r e wi r e l e s s t r a ns p or t a t i o n s e l e c t t h e b e s t r o ut i ng l i n k un de r c on di t i on o f e n ha nc i ng o f un de r g r ou nd unc e r t a i n f a c t o r s ． Th e t e s t r e s ul t s ho ws t ha t t h e s y s t e m c a n s e nd r e l a t e d un de r gr o un d i n f o r m a t i on t o s u r f a c e r e s c u e a n d c o mma n d c e n t e r ，a n d c a n r e a l i z e d i r e c t c o mmu n i c a t i o n a n d c o mmu n i c a t i o n c o mma n d b e t we e n s u r f a c e r e s c u e a n d c o mma n d c e n t e r a n d r e s c u e r wi t h h i g h e r a b i l i t y o f e me r g e n c y r e s c u e ． Ke y wo r d s mi n e wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n；e me r g e n c y r e s c u e ； M e s h mu l t i h o p；F HS S；mu l t i f r e q u e n c y a n t e n n a ；wi r e l e s s r o u t i n g wi t h d i f f e r e n t f r e q u e n c y ；mi n i mu m c o s t r o u t i n g a l g o r i t h m 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 5 - 1 3 。 基金项 目 煤炭科学研究总院青年创新基金项 目 2 0 1 0 C X0 8 。 作者简介 武先利 1 9 7 0 -- ， 女 ， 内蒙古武川人 ， 副研究 员 ， 博士 ， 主要 从事煤 矿井下通 信系统 、 井 下安全监 控系统等方 面的研 究工作 ， E ma i l wu x i a ni i c e r i s e ． c n。 2 0 1 3年第 8期 武先利等 一种新型煤矿 井下无线通信 系统研 究 2 3 0 引言 在煤矿井下灾变后的应急救援过程 中， 可靠有 效的无线传输手段至关重要 ， 可有效保证救护队员 、 井下救护基地和地面指挥 中心三方 的正常通信 ， 实 时了解救灾环境情况 。目前应急救援常用的救灾通 信电话 防爆手机 在灾变条件下需要 预先拨 号， 通 信链路建立时间长 ， 在紧急时刻容易误拨 ， 并需要救 护队员手持通话 ， 携带极不方便 ； 防爆手机采用传统 的声音电磁波转换原理， 在灾变现场恶劣的环境下 ， 信号信噪比较低 ， 通话质量差， 不能实时在线 ， 一旦 断线 需 要重新 建 立新链 路 口 。 ] 。因此 ， 需 要采 用 更先 进的煤矿井下灾变后应急救援的无线传输手段 。本 文 提 出 一 种 采 用Me s h 多 跳 和 跳 频 扩 谱 F r e q u e n c y Ho p p i n g S p r e a d S p e c t r u m， F HS S 技 术的煤矿井下无线通信系统 ， 构建 了可靠的多频点 路由通信方式及多频天线、 异频无线路 由技术 ； 研究 了煤矿井下灾变后应急救援无线通信最优传输路由 的 Me s h算法 即最小费用路 由算法 [ 5 ] 。 1 应 急救 援 Me s h多跳 通信 技术 煤矿井下发生灾难后 ， 环境恶劣 ， 常规通信技术 会受到诸如塌方、 断电等情况的困扰 ， 而采用 Me s h 技术 ， 即使在救援过程 中部分通信线缆再次受到损 害， 井下各通信基站之间仍可利用 Me s h技术通信 。 Me s h多跳组 网每个节点 的信号传输 和信号接人采 用 2 ． 4 GHz和 5 ． 8 GHz两个不 同的频段 ， 本 地接 人 服务采用 2 ． 4 GHz 8 0 2 ． 1 1 b ／ g信道 ， 骨干 Me s h回 传网络采用 5 ． 8 GHz 8 0 2 ． 1 1 a信道 ， 二者互不干扰 ， 这样 每个 Me s h基 站 就可 以在 服务本 地 接人 用 户 的 同时， 执行回传转发功能 ， 解决了回传和接人的信道 干扰 问题 ， 提高了网络性能 ， 确保了应急救援语音 、 视频 、 环境参数等信息 回传的可靠性 。 结合煤矿井下灾变后应急救援需求及矿井巷道 特点 ， 采用骨干路 由节 点和中继路 由节点相互配合 构建 Me s h多跳的基础结构 ， 同时采用多射频多通 道技术来提高多跳子系统的容量 、 多跳次数及覆盖 范围， 解决 由于多跳传输造成的容量与覆盖范 围间 的矛盾 。由于不同救援环境的网络业务数据量、 信 息量不 同， 而且不同类 型的数据实时性、 突发性 、 交 互性、 重要级别也不同 ， 应急救援的无线通信要求具 有合理的网络规划 、 业务量预测、 网络运行控制 等， 保证高级别 的数据优先传输等功能。煤矿应急救援 Me s h多跳通信架构如 图 1所示 。 应急救援无线通信需求 矿井巷道带宽无线传输特性 立基于网络的煤矿应急救援通信系统业务模型与体系 多 射 频 多 信 道 传 输 技 术 一网 络 可 扩 展 性 建 模 卜 ． 审 宙 厂_ l路 l道 I 自 l适 I应 亍 l 网 络 管 理 系 统卜 - 一 应急救援系统指挥平台 一 图 1 煤矿应急救援 Me s h多跳通信架构 2 F H S S最小费用路 由算法 无线通信传输链路中必须解决 2个关键技术 ， 才能保证煤矿井下灾变后应急 救援通信数据 的可 靠 、 有效传输 1 多频天线技术 。在 F HS S通信 中， 抗干扰 、 自动选择链路是 2个主要问题 ， 在同一电磁环境下 ， 解决这 2 个问题 的要点是更换 发射频点 。因此 ， 研 究双 或 2 个 以上 频点天线是关键 技术所在 ， 双频 点天线就是 1 根天线支持 2 个 或 2个以上 频点设 备的发射。 2 异频无线路 由技术 。异频路 由需对不同频 率信号进行检测 、 比较 ， 保证无线发射频率在传输和 接人的 2 ． 4 GHz 和 5 ． 8 GHz 间快速切换 ， 优化各个 不 同频 率 的最大路 径 和抗 干扰特 性[ 6 ] 。 F HS S分组无线网的路 由选择算法是跳频网络 中最为重要的技术之一 ， 解决 以上 2 个问题 ， 设计合 适的路由选择算法非常重要 。针对不 同分组类型 ， 网络对其时延 、 丢失率 等指标 的要求不同， 因此 ， 同 一 条链路 面 向不 同类型 分组 的链 路费用 也不 同。 AL R Ad a p t i v e L e a s t Re s i d u a 1 算 法 和Qo S Qu a l i t y o f S e r v i c e 算法 2种路由算法在 F HS S分 组无线网中广泛应用 ， 但它们对链 路费用 的考虑非 常单一。本文提出一种改进型最小 费用路 由算 法， 可大大提高 网络传输 性能。以下 重点分析该算 法 原 理 。 改 进 型 最 小 费用 路 由算 法 是 基 于 B e l l ma n F o r d算法的推理路由算法 ， 设定从给定 的源节点找 出最短路径 ， 该最短路径是从所有最多只含 1条链 路的路径中选择 出来 ， 再找出条件 为所有路径最 多 只含 2条链路的最短路径 ， 如此类推。定义 为源 节点 ； i ， J 为节点 i 到节点 之 间的链 路费用 ； 2 4 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 h为算法在 目前阶段中的路径具有的最大链路数 ； K 为多跳链路 的 Me s h跳变数 ； L 为在不多于 h条链路的条 件下， 从节点 S到节点 的最小 费用 路径的费用 。具体步骤 1 初始 化。L 。 一C x D ， 当 ≠s的情况下 ， L s 一 0。 2 更新 。对每个 后继 的 h ≥0及每个 n ≠s ， 计算 L 1 ” 一 mi n L ∞ ， ] 1 将 与前 一次 处理 的节 点 J相连 ， 以获取最 小 值 ， 并 删除在以前重复时形成的 与任何其他前次处理节 点之 间 的连接 。从 s 到 ；r ／ 的路 径 以从 J到 的路 径 结束 。 3 循环。不断重复第 2 步 ， 当 h K 时 ， 对 于每个 目的节点 ， 算法将从 5到 n的长度 为 K1 的可能路径 与前一 次重 复结束时得到 的路径相 比 较 ， 选择 较 短路径 。 从以上 分 析 可 看 出， 两 节 点 间 的链 路 费 用 w i ， 是计算路 由的重要参数 ， 它包 含传输链路 费 用和节点费用 2 个部分， 可表示为 o o i ， J 一 a I ， J 2 式中 I i ， J 为传输链路 费用 ， 考虑了链路 的衰落 、 丢失 、 信噪 比等 ； W j 为节点费用 ， 由 目的节点缓冲 区分组数 、 转发延迟等决定； a ， 为系数 ] 。 在改进型最小费用路由算法中 ， 同一条链路上 的不同数据类 型， i ， 对应不同的表达式。设定 考虑数据分组和语音分组 2种分组类型。数据分组 要求误码率低 ， 但允许一定延迟 ； 语音分组要求时延 小 ， 但可 包含 少量误 码 。这 2种分 组 的链路 费用 为 f C O d ， J 一口 d I d ， J wd ⋯ l 叫 ， 一 a I ， W 式 中 下标 d代表数据分组； 下标 v代表语音分组 ； ，I 与 未考 虑 分 组类 型 的 情 况 基 本 相 同 ； W ， W 由节点 接收缓 冲区中的等待分组数决定 ， 设等待 的数 据分组 数 、 语 音分 组数 分别 为 ， N ， 则 有 W 一N N ， W 一N N 。由于语音分组对 数据分组的延迟影响很小 ， 取 一0 ； 而数据分组对 语音分组的时延影响较大， 0 。 在实际网络 中， 采用 Re e d - S o l o mo n编码 ， 链路 费用可由式 4 计算 』 叫 a ㈤ 一2 4 l i ， t 0 ． 5 e N 0 ． 7 Nd 式中 t 为每码字中码元错； 为每码字中删除错。 煤矿井下环境复杂 ， 大功率电磁干扰源较多 ， 同 - 员 ，／ 1 监测仪 监测 仪 号中 继器 、 ￡ 时 千姥 ＼ 夺 搬加 2 号人员 ⋯ ’ ’＼ 囊 瘴 ● ‘ 虿 中 继 器 有 线 传 输 距 离 ．1o 0 m 第 3 9卷 第 8 期 2 0 1 3年 8月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo1 ． 3 9 No ． 8 A u g ． 2 0 1 3 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 3 O 8 0 0 2 5 0 3 DO I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 0 7 王卫东 ， 任伟 ， 孙军涛， 等． 浓缩机絮凝沉降检测分析系统设计E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 3 ， 3 9 8 2 5 2 7 ． 浓缩机絮凝沉降检测分析系统设计 王卫 东 ， 任伟 ， 孙 军涛 ， 孙远 1 ． 中国矿业大学 北京化学与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 摘要 针对浓缩机药剂添加 自动化闭环控制需求， 设计 了一种浓缩机絮凝沉降检测分析 系统。当浓缩机 中煤 泥 水浓度 低 于 5 ％ 时 ， 该 系统采 用 C N1 4 1浊度 计检 测 絮凝 沉 降效果 ， 浊度 计直接 输 出 4 ～2 O mA 的 电流 信 号 送微 处理 器 处理 ； 当煤 泥水 浓度 为 5 ～ 3 5 时 ， 该 系统 采 用微 电容 阵 列传 感 器检 测 絮 凝 沉 降效 果 ， 检 测结 果 经放 大滤 波后 送 微 处理 器处理 。 实际应 用表 明， 该 系统 能 够 准 确 、 及 时地 检 测 出浓 缩机 絮凝 沉 降效 果 ， 实现 了浓 缩机 絮凝 剂添加 的 闭环控 制 。 关键 词 浓缩机 ；药 剂添加 ； 絮 凝 沉 降 ； 煤 泥水 浓度 ； 微 电容 阵列传 感器 ；浊度 计 ；电极 中图分类号 TD 9 2 3 ． 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 3 0 7 2 3 1 3 5 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． 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 3 0 7 2 3 ． 1 3 5 7 ． 0 0 7 ． h t m1 De s i g n o f d e t e c t i o n a nd a na l y s i s s ys t e m o f f l o c c u l a t i n g s e d i me nt a t i o n o f t hi c ke n e r WANG W e i d o n g ， RE N We i 。 ， S UN J u n t a o ， S UN Yu a n 1 ． S c h o o l o f Ch e mi c a l a n d En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． B e i j i n g Ti a n d i Ma r c o E l e c t r o Hy d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f r e q u i r e me n t o f a u t o ma t i c c l o s e d l o o p c o n t r o l f o r a g e n t a d d i t i o n o f t h i c k e n e r ，a de t e c t i o n a nd a na l y s i s s y s t e m o f f l o c c ul a t i ng s e d i m e nt a t i o n o f t hi c ke n e r wa s de s i g ne d． The s y s t e m u s e s CN1 41 t ur bi d i me t e r t o de t e c t e f f e c t o f f l oc c u l a t i n g s e di me nt a t i on whe n c o nc e nt r a t i o n of s l i me wa t e r i s l e s s t h a n 5 ，a n d t h e t u r b i d i me t e r o u t p u t s 4 ～ 2 0 mA c u r r e n t s i g n a l t o mi c r o p r o c e s s o r d i r e c t l y．Th e s y s t e m us e s mi c r o c a p a c i t or a r r a y s e ns o r t o de t e c t e f f e c t of f l o c c ul a t i ng s e d i me nt a t i o n wh e n c on c e nt r a t i on of s l i me wa t e r i S 5 ～ 3 5 ，t h e d e t e c t e d r e s u l t i S s e n t t o mi c r o p r o c e s s o r a f t e r a mp l i f i e d a n d f i l t e r e d． Th e a c t u a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e s y s t e m c a n d e t e c t e f f e c t o f f l o c c u l a t i n g s e d i me n t a t i o n o f t h i c k e n e r a c c u r a t e l y a n d r e a l t i me l y a nd r e a l i z e s c l os e d l o o p c o nt r o J of f l o c c u l a nt a dd i t i o n o f t h i c ke ne r． 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 5 1 6 。 基金项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 5 1 2 0 4 1 9 0 ， 5 1 2 7 4 2 0 8 ； 中央高校基本科研业务费专项资金 资助项 目 2 0 0 9 HR 0 0 1 。 作者简介 王卫东 1 9 7 8 一 ， 男 ， 安徽淮北人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要研究方向为选煤过程检测与控 制 ， E - ma i l wwd c u mt b ． e d u ． c n 。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 王鹏 ， 霍 中刚 ， 宋 先明 ， 等． 煤矿 应急救援可视化通 信技 术 与装 备 研 究 报 告 J R ] ． 北京 煤 炭 科 学 研 究 总 院 ， 20 11 ． 徐亚 民． 煤矿应 急救援 系统数 字化 预警通 信研 究 [ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 1 2 3 2 2 3 2 2 7 ． 孙震字 ， 张振龙 ， 王海 燕． 我 国煤矿 事故新 特点 及应 急 E 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 救援特征分 析[ J ] ． 科技 创新 导报 ， 2 0 1 2 1 5 2 1 9 2 2 1 ． 冯珍， 郝晶星． 煤矿企业应急救援能力评估[ J ] ． 电子科 技大学学报 社会科学版 ， 2 0 1 0 ， 1 2 3 5 3 5 7 ． ARS LAN H， CHEN Z h i n i n g ．DI BE NEDETTO M G． 超宽带无线通信[ M] ． 长春 吉林长白山出版社， 2 0 0 6 ． 王世伟 ， 褚庆昕 ， 陈付 昌， 等． 微带超 宽带 带通 滤波器研 究[ D] ． 广州 华南理工大学 ， 2 0 1 2 ． 黄 武 ， 吕国强 ， 朱 健． 跳频 频 率 合成 器 的设 计 [ D ] ． 合 肥 合 肥工业大学 ， 2 0 0 7 ．