矿井无线通信技术问题研究

矿井无线通信技术问题研究【摘要】由于矿井地形复杂以及综采面等监控区域的流动性大，与有线生产调度系统相比，无线安全调度系统“即铺即用”，随时随地可在矿井构建移动通信网络，方便流动接入，可实时把监控数据发至地面监控中心，极大地提高了调度和监控效益；并且在矿难的应急通信中，即使现有通信系统遭到破坏，也可利用无线通信设备快速组网，接收传输监控数据，动态掌握井下人员的分布及设备作业情况，并保证地面指挥中心与井下抢险工作面的实时通信，提高抢险救灾、安全救护效率和搜救效果。本文分析了目前矿井使用的无线安全调度和应急通信系统，讨论了其系统结构和特点，并根据矿井安全生产的现状，指出了矿井无线安全调度和应急通信系统的发展趋势。【关键词】矿井;无线通信;安全调度;应急通信;发展趋势1.超低频透地通信系统透地通信是以大地为电磁波传播媒介、无线电波穿透大地的无线电通信方式。目前实用的透地通信系统有澳大利亚开发的PED（PersonalEmergencyDevice）井下无线通信与急救系统。该系统的硬件由澳大利亚矿山技术公司（MST）生产，系统的软件由MST与安菲斯公司合作开发，主要应用于井下急救，即在紧急情况发生、其它通信方式完全中断时，通过PED系统发射系统，使其超低频信号穿透岩层到达井下任何位置，迅速有效地与井下人员通信。1998年，大同矿务局煤峪口矿安装了我国第一套PED系统。1.1PED系统结构及工作原理PED井下无线通信与急救系统的系统信息输入设备由装有PED系统的计算机组成，PED系统软件即PED井下无线急救与通信系统人机用户接口软件，与PED系统专用调制器、超低频发射机、环型天线、PED和接收机配套使用，其工作原理是由大功率发射机放大的系统信号，经长度达数十千米的环型天线传输，采用超低频透地通信方式，信号穿透岩层传达到井下的接收机。接收装置与矿工灯帽电池连为一体，当有信号传来时，矿灯闪烁、同时接收机鸣叫，并在接收机的液晶板上显示中文信息。1.2系统特点1.2.1信道容量小。为避免较大的传输衰减，透地通信的工作频率一般选择为数百至数千赫兹的特低频。因此，不能用于语音等需要较大信道容量的通信，只能用于传呼、简单遥控等。1.2.2电磁干扰大。煤矿井下空间狭小、机电设备相对集中，特别是采掘运输设备的功率较大，负载不稳定，造成井下电磁干扰严重，特别是50Hz工频干扰对特低频透地通信干扰严重。1.2.3应用范围受限制。透地通信系统需要在地面架设长达数千米的天线，限制了该方法的应用。2.中频感应通信系统感应通信系统借助专用感应线（或借助矿原有电话线、信号线等），利用无线电波感应场引导电磁波传输，往往频率选择在中低频。该系统投资费用低，小范围内信道还算稳定，缺点是靠近感应体通信效果好，稍远离感应体信道不稳定。2.1RB2000系统结构及工作原理RB2000系统结构由基地台和移动台组成。基地台设置于基地指挥部，装备8m环形天线，救护队员使用移动台，中频感应操作配置自动调谐器，可在井下恶劣环境中锁定最佳的通信波段，输出高强度信号，确保达到理想的通信效果。移动台包含基站、环形天线以及多个SC2000便携式无线对讲机。2.2系统特点RB2000是中频感应无线电设备，救援时可利用该通信系统的便携特点，将所有可用到的无线联络都整合在一个系统里，具有以下特点：2.2.1系统通信采用中频感应操作，配置自动调谐器，可在井下恶劣环境中锁定最佳的通信波段，输出高强度信号，确保达到理想的通信效果。2.2.2为了抑制噪音，系统采用导频抑噪技术，这样可使SC2000在噪音较高的电磁环境中使用且通话效果十分清晰。3.VHF漏泄通信系统漏泄无线电通信系统利用漏泄电缆的漏泄原理实现矿井无线电通信。电磁波在漏泄电缆中，既沿内外导体纵向传输，也通过开孔（或疏编孔）向外辐射，通过利用具有良好导引辐射性能的漏泄电缆，可延长通信距离和覆盖面积。漏泄通信不同于一般无线通信，它用漏泄同轴电缆替代基地站的普通天线，漏泄同轴电缆附近的移动台通过与漏泄电缆的漏泄耦合实现与基地站的移动通信。3.1FLEXCOM系统结构及工作原理漏泄系统的中心是基地站，从基地站出来2条漏泄电缆，可分别送到井下不同的水平或方向，也可接地面天线，实现地面移动通信。漏泄电缆上每隔350m需加装1个中继器。在基地站中，32路下行信号经频分复用（FDM）调制在148~159MHz频率范围内，送入漏泄电缆下行传输；32路上行信号占用带宽为163~174MHz，经解复用后输出给相应的监测、监控系统或电话交换系统。16路视频信号占据10~120MHz频段，单向上行，送给相应的监视器显示。数据信号则通过无线调制解调器将信号馈入漏泄电缆进行传输。3.2系统特点漏泄通信系统采用超高频进行无线通信，具有信道较稳定、电磁干扰较小等优点。但也存在以下缺点：3.2.1漏泄电缆上每隔350m需加1个中继器，使系统的可靠性变差，任一中继器和电缆故障将会造成该中继器以下的部分系统瘫痪；并且，随着中继器的增加，噪音易累加，信号容易失真。3.2.2各个通道指定用于固定的设备，信道利用率不高。当井下各种监测监控系统和通信系统都要接入漏泄系统传输时，会出现某些信道长期空闲不用而总的信道数又不够使用的状况。4.小区域制的矿井蜂窝状全双工无线通信系统KT14型矿井无线电蜂窝状全双工移动通信系统（简称KT14型系统）是煤科总院常州自动化研究院结合目前国内外几种移动通信系统的优点开发成功的一种变大区域通信为小区域通信制的全新矿井全双工移动通信系统。4.1KT14型系统结构及工作原理KT14型系统利用了感应传输的原理，选择高于一般感应通信的频段（1MHz），把感应通信中无法解决的大区域问题，划分为若干个稳定可靠的小蜂窝区域，从而较好地解决了纵向衰耗与耦合衰耗的关系，既保持了感应通信投资费用低的特点，又实现了漏泄通信中信道稳定的优点。根据无线电波衰耗大小划分小区，各个小区无线电全程衰耗大致相同，每个小区工作在指定的信道上，几个相邻小区为1个区群，区群内频率不同，区群间频率一一对应，实现频率重复使用，形成了蜂窝状无线电通信系统，从而解决了漏泄或感应通信中频道数较少的缺陷。KT14型系统由地面主机、井下小区中继站、移动机组成，小区中继站通过有线方式与地面主机直接相连，各移动台由其所在的小区中继站管理和控制。4.2系统特点4.2.1实现了全双工无线语音通信，且成本比漏泄通信低得多。4.2.2采用蜂窝状组网，5个小区为1个区群，区群间的信道可以重复使用。4.2.3每个小区服务范围：直径为500~1000m，巷道截面方向为3~5m，可借助井下现有电缆或电话线通信。4.2.4只可用于语音通信、不能用于图象的传输通信。5.结语我国煤矿开采条件复杂，自然灾害严重，煤炭企业生产力水平整体偏低，构建矿井无线安全调度与应急通信系统，作为煤炭安全生产与抢