陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿 陕西黄陵 727307
摘要：对矿井无线通信体系进行研究，分析其中几种比较典型的无线系统的构造和功能特点，针对我国现在所面临的煤矿安全问题和国家应急救援方案进行整体化的研究，提出了一种新型的矿井安全生产和应急通信体系相互融合模型，并且对其中的核心技术进行了研究。最后以IP和无线网络融合的矿井安全生产和应急通信系统为基础，希望能够为煤矿安全技术的发展提供有效的帮助。
关键词：无线网络;Wi-Fi;ZigBee;矿井安全
0引言
现在，有限矿井监测、监控系统已经逐渐发展成为行业生产安全、灾害预测和预警的主要方式之一。但是，因为矿井开采环境比较繁杂、井下的环境比较险恶，再加上电磁干扰和工作人员比较密集等问题，使得矿井灾害和事故问题经常出现，尤其是重大灾害和安全生产问题给国家的发展和社会的稳步前进造成了严重的影响。为了有效的解决矿井安全和应急救援中所面临的问题，就需要不断提升瓦斯等灾害防治和应急装备的整体质量，不断推动矿井安全和应急救援工作的顺利进行，从而更好地推动矿井无线通信系统理论和技术方面的研究工作。尤其是最近几年一无线网络技术为主的灾害预防和应急救援通信体系已经逐渐发展成为矿井安全技术装备等行业关注的主要内容之一。
1 基础理论研究的实际状况
矿井无线网络系统基础理论研究主要包含了网络覆盖和规划、网络拓扑构造和网络连接性、网络移动自组织和自恢复路由算法、无线传感器网络理论及其协议算法、无线网络接入及其信道复用算法等方面的内容。2004年,新型的全矿井无线信息系统理论和主要技术受到了人们的广泛关注，其中把无线通信、无线网络和光纤通信技术进行有效的融合，为新型全矿井无线信息系统的发展提供了有效的帮助，使得矿井无线通信技术和装备研发能够顺利进行。但是现在矿井技术能力有限，全方位的推动矿井无线信息体系还为时尚早，尤其是现在矿方已经具备的通信基础设施，还存在多方面的问题急需处理。J.-J.Beaudoin等研究了基于802.11技术的矿井无线局域网络架构和视频传输方法,并且针对矿井移动设备的语音、视频、数据等多媒体信息资源进行了有关的实验，认为可以使用以ITU-T的H.26L标准为基础的复杂度编码算法,从而有效的保证多媒体实时控制和传输的QoS结构,提升了矿井网络通信质量。H.Aniss等也对基于IEEE802.11标准的矿井无线通信网部署和同轴电缆数据服务接口规范(DOCSIS)标准展开了研究,提出了基于DOCSIS和802.11两种标准相互融合的网络结构，并在CANMET实验矿井对2.4,5GHz频段进行了测试,为采用802.11技术标准,为矿井通信的发展提供了理论依据。
2007年,G.Kennedy和其导师P.J.Foster系统研究了矿井无线Mesh网络及Mesh智能传感器网络基础理论,并揭示了井下2.4,5.8GHz微波传播规律,为矿井无线Mesh网络基础理论发展提供了有效的帮助。下面就针对几种比较典型的无限系统构造和技术进行研究。
2 典型系统及其关键技术
2.1 超低频透地通信系统
超低频透地通信主要是以大地作为电磁波传播媒介、无线电波穿透大地的无线电通信方式。透地通信系统是由澳大利亚MST矿井技术公司开发的超低频PED井下无线通信与急救系统。该系统主要运用在地面和井下应急救援人员的通信中。这个系统的信息含量比较少，而且无线通信的速度也比较慢，容易受到低频电磁的干扰。所以，PED系统部署比较复杂，缺乏多变性。
2.2 中频感应通信系统
中频感应通信系统主要是利用专业的感应线缆，使用无线电波感应来引导电磁波的传递，而且在工作的过程中其频率往往处于中低频段。这个系统投资耗损比较少，如果离感应体较近，其通信效果比较好，但是如果离感应体比较远信息传递就不稳定。所以其感应距离限定在2米以内，可以在井下进行小范围的救援通信。
2.3 漏泄通信系统
矿井漏泄通信系统主要是利用漏泄同轴电缆的无线电信号辐射漏泄原理实现无线通信。电磁波在漏泄电缆中,不但可以从内向外进行导体的纵向传递，还可以通过开孔向外辐射传播。典型的如国内引进的加拿大FLEXCOM系统,工作在150MHz频段,提供了32个语音或数据信道,16个图像信道,不但可以和光纤网络相互融合，还可以和我们常见的普通电线的电话以及数据系统融合。
但是这些系统中继节点包含的范围有限，通信抗干扰的能力也不强，而且电缆资金耗损较多，设备在移动过程中的支持能力比较差。
2.4 小区蜂窝移动通信系统
小区蜂窝移动通信系统是以第二代GSM公共无线移动通信系统为基础发展起来的，把其中的大范围通信机制转化成为小区通信制的全双工移动通信系统。实际上就是把地面蜂窝移动通信技术融合到煤矿井下使用，并且利用微小区概念对井下巷道进行划分，最后根据无线电波耗损大小吧全矿井服务范围转化成为几个比较小的服务范围。各个小区无线电基本上耗损相同，每个微小区构建一个中继站，每个小区在指定的信道上工作。各个相邻小区之间构建一个区群，各个区群的频率不同，区群中的频率相互对应，从而保证频率可以多次使用，构建成为蜂窝无线铜线体系，有效的处理泄露或感应通信中频道数目比较少的问题。但是这个系统在进行井下规划安排和工作频率时过程比较复杂，而且该系统只进行语音识别，不能进行图像或是视频传递，同时也不具备网络方面的功能。
2.5 矿用小灵通无线通信系统
矿用小灵通(PHS)是根据煤矿安全的相关准则，把城市中曾经推行的公众通信体系PHS进行较为安全的技术处理和转移，并且发展到矿井下部，从而为井下提供无线通信网络服务载体。因为小灵通自身也是一个比较窄的通信技术，不能承载较多的视频监控等媒体业务传输工作。
3 矿井系统融合及其关键技术
矿井无线通信系统发展十分迅猛，本文主要对上面的一些系统和技术进行深入研究，从而找到了既安全又适合灾害应急救援通信的新型矿井安全生产和应急通信系统的融合模型。该模型主要包含以下六方面显著的功能，分别是：矿井安全生产和环境监测以及系统监控，定位、导航和系统追踪，矿井开采无线探测体系，多媒体应急通信和可视化监视系统,调度指挥通信系统以及矿井机器人无线通信系统。为了保证这个模型的顺利运行需要从以下六个层面入手：
1)自适应、自组织无线网络智能路由算法与MAC协议。新型的矿井无线网络和通信体系是一个相互融合的综合性技术体系，不但包含物理层面的调配、编码和接入技术，还要为不同的业务状况进行相对应的变化，同时还可以在网络中自行组织和自行恢复。所以，，需要探索自适应的网络跨层协议和智能算法。
2)多媒体无线传感器网络技术。因为无线传感器网络几点一般体积比较小、耗损量较少、资金投入少，而且可以进行编程计算、多媒体感应和无线通信等方面的工作，所以比较适合运用在矿井安全监测和救灾勘测等工作中。使用多媒体无线传感器网络传输对设备或传感器电池使用状况和传递宽带都提出了更高的标准，则那样以最少的消耗来获得和传递监测信息是十分重要的。这就包含了高效通信应答、MAC接入和路由协议,以及信息编解码算法等方面的问题。
3)无线可靠传输与抗衰落技术。无线可靠传输技术包括高效调制与编码技术、多路分集接受和均衡技术,以及低信噪比条件下弱信号检测和接收技术等。而且,矿井巷道密集的反射与散射现象也会造成无线信号选择性衰落，也就是所谓的多径效应为了保证体系的稳定运行，解决多径效应，就需要探索新型的无线可靠传输和抗衰落技术，例如无线Mesh网络(WMN)、正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)和CSS技术等。
4)UWB或微波射频信号在矿井巷道中传播方式和特点。因为现在无线信号频率资源比较匮乏，合理使用矿井巷道无线频率资源的价值，探索UWB或微波射频信号在矿井巷道中的传播特点就显得至关重要。尤其是探索UWB或微波信号沿矿井巷道传播时的衰落与时延扩展特性以及巷道的截面、弯曲、倾斜等因素对信号传递规律的影响性，选择科学合理的无线频段和技术，使得矿井信息传递更加及时。
5)自适应天线和软件无线电技术。为了进一步提升传感器节点电池的能量，增加网络的使用时间，一般都需要无线设备使用自适应可编程阵列天线和软件无线电技术,使得设备能够一直沿着矿井巷道的方向来发射定向波束，并且使用自适应功率来把控技术，从而调节体系的电波覆盖范围，以便最大程度的减少电池能量的损耗。
6)光无线通信技术。新型矿井无线网络和通信系统将采用光无线(ROF)通信技术,它能够全面的、较低损耗的连接光纤传感体系，从而有效的减少宽带无线信号传递时的耗损，缩短矿井的通信距离。使用光纤无线电技术,对不同的矿井巷道环境进行监测，保证信息的传递，进行及时有效的监控，在光纤传递不同阶段的无线信号，能够有效的进行传感器的信号收集，方便进行光纤传递和灵活运转。
作者简介：
张骥（1990-），男，陕西渭南人，汉，一号煤矿信息部科员，从事信息部技术管理工作。