图1 矿井融合调度通信系统拓扑结构
顾俊1， 刘亚兵2
(1.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015；2.山西阳泉煤业(集团)有限责任公司， 山西 阳泉 045000)
摘要：针对现有部分矿井通信联络系统不能与矿井融合调度通信系统业务平台进行通信业务对接的问题，提出了一种基于SIP协议和标准媒体格式的矿井融合调度通信多业务网关系统设计方案，阐述了系统总体架构及IP广播、文本消息、工业视频三类网关业务的通信流程与控制处理设计。测试结果表明，该设计方案可较好地支撑全矿井融合调度通信业务实现。
关键词：融合通信； 调度通信； 多业务网关； SIP协议
矿井有线、无线通信装备与系统已在煤矿及非煤矿井得到规模应用，有效提高了井下作业人员的工作安全系数与效率[1]。目前存在以下实际情况：
(1) 矿井通信联络系统面临由过去单一固定通信方式向IP网络化、宽带化、智能化方式演变，要求其拓扑结构也向网络融合化与业务扁平化方向发展[2]。
(2) 随着井下综合通信基站等装备的研制和应用[3]，将包括RFID，WLAN，LTE等无线通信制式和RS485，CAN，DSL等有线通信制式的井下异构网络统一汇聚到井下高速以太环网，可在一定程度上实现井下通信网络在传输层面多网合一，但仍不能打破不同制式的通信系统在业务层面相互独立局面。
(3) 具备语音、数据、视频多媒体通信接入与交换业务能力的矿井融合调度通信系统能使矿井管理人员和作业人员在井上、井下进行跨系统通信联络与指挥调度，但目前部分矿井通信联络系统并不能接入矿井融合调度通信系统业务平台。
鉴此，本文针对IP广播、文本消息、工业视频三类网关业务，提出了一种矿井融合调度通信多业务网关系统的设计方案，可实现矿井融合调度通信系统业务平台与井下通信联络系统无缝对接与高效运行。
现阶段井下应用的电话通信系统、无线通信系统、广播通信系统、工业视频系统、应急通信系统及通信信号装置自成体系，矿井融合调度通信系统可为上述系统及装备提供高效的统一通信业务平台，实现融合通信与一体化调度业务，其拓扑结构如图1所示。
图1 矿井融合调度通信系统拓扑结构
矿井融合调度通信系统为全矿井范围的无缝沟通与多媒体信息调度提供技术支撑，其核心信令协议是SIP协议[4]。矿井电话通信系统、无线通信系统及应急通信系统已实现SIP协议，可与矿井融合调度通信系统业务平台对接互通[5-6]，但矿井广播通信系统、通信信号装置及工业视频系统目前不能在业务层面与矿井融合调度通信系统业务平台进行对接互通。其中，矿井广播通信系统虽然基本上向IP数字化方向演进，但主要还是采用私有协议与媒体完成点对点、点对多点的定向寻呼与对讲，在地面调度室单独设置广播主机与井下广播分机进行通信[7]。井下通信信号装置在矿井避灾引导指挥方面发挥重要作用，这些装置由地面控制主机通过内部私有协议独立控制[8]。井下工业视频系统主要实现视频IP化并通过井下以太环网将视频汇聚到调度室大屏幕，采用视频集中模式协议体系[9]，与通信领域双向通信、多向交换模式的协议体系不兼容。因此，有必要设计矿井融合调度通信多业务网关系统,以实现对矿井广播通信系统、通信信号装置及工业视频系统的无缝接入与便捷通信。
依据国际标准化组织制定的开放式系统互联七层模型，矿井融合调度通信多业务网关系统工作在矿井IP专网的传输层、会话层、表示层和应用层，从通信业务层面将矿井通信联络系统的语音、数据和视频通信业务统一接入到矿井融合调度通信系统业务平台。矿井融合调度通信多业务网关系统架构如图2所示。
图2 矿井融合调度通信多业务网关系统架构
网关系统总体设计包括以下方面：
(1) 传输层。目前TCP和UDP协议是矿井通信联络系统主要传输层协议，网关系统需同时支持TCP和UDP。设计TCP/IP socket等操作系统调用适配模块,以便网关系统在主流操作系统中均可高效运行。
(2) 会话层。依据基于号码呼叫的通信状态机及多媒体会话涉及的媒体类型，网关系统对多媒体通信会话进行抽象和封装[10]，通信会话抽象接口定义如图3所示。
通信会话抽象接口定义包括状态处理接口和输入输出接口，状态处理接口服务于信令控制，输入输出接口主要涉及媒体交互。通信会话类型模块完成上述抽象接口的特定实现，网关系统可在运行时动态加载与卸载特定通信会话类型模块，对于每一个主叫或被叫通话方，网关系统依据其会话类型生成相应会话实例对象。网关系统内核基于抽象接口进行呼叫状态控制和多媒体会话处理，与特定会话类型解耦。静态内核与动态模块相结合的设计模式是实现网关系统灵活性和扩展性的关键。
图3 通信会话抽象接口定义
(3) 表示层。网关系统表示层主要涉及字符、语音和视频的编码与解码。网关系统内核实现常用字符、语音和视频编解码功能，供具体通信会话类型模块高效调用，满足矿井常用音视频通信业务的媒体格式需要。特定通信会话类型采用的私有表示格式则在该通信会话类型对应的具体模块内部予以设计并实现。
(4) 应用层。网关系统应用层设计包括与具体网关业务相关的号码路由及桥接、混音、媒体分发等相关通信控制逻辑。为提高各网关业务号码路由效率，网关系统为每种网关业务设立单独的SIP配置和号码路由上下文。通信控制逻辑因具体网关业务不同而不同，下文将详细介绍现阶段涉及的IP广播、文本消息、工业视频三类网关业务的通信流程与控制处理设计。
3.1 IP广播网关业务
矿井融合调度通信多业务网关系统将矿井IP广播通信的私有通信协议和语音格式透明转换为标准SIP信令和G.711语音编码，并为每路广播节点以独立SIP账号向矿井融合调度通信系统业务平台中心节点注册并通信。中心节点可直接拨号呼叫到任一广播节点，避免不必要的二次拨号流程与通信时延。广播节点、网关系统及中心节点间的语音呼叫通信流程如图4所示。
图4 IP广播网关业务语音呼叫通信流程
IP广播节点在通信业务上能够支持基于IP地址的状态巡检和点对点定向寻呼与对讲。网关系统G首先向广播节点A发送STATUS_REQUEST状态巡检请求，广播节点A返回STATUS_RESPONSE状态巡检响应则表明广播节点A工作正常，然后网关系统G以广播节点A对应的预设账号Alice向中心节点S发起REGISTER注册，该巡检及注册过程周期性进行。对于中心节点S向广播节点A发起的语音通信，一方面中心节点S经由网关系统G转换向广播节点A广播讲话，另一方面广播节点A经由网关系统G转换向中心节点S回话，该双向语音通信由调度员挂机触发中心节点S向网关系统G发送BYE信令结束。网关系统支持全双工通信，对于半双工广播节点，双向语音通信过程中网关系统在接收不到广播节点语音媒体情况下,将向中心节点发送静音包。
由于矿井融合调度通信系统业务平台支持多级调度与协同调度，可能有多个调度员同时呼叫某一广播节点，为便于紧急情况的及时广播发布，网关系统有必要支持多路呼叫某路广播节点的通信业务。广播呼叫控制处理流程如图5所示。
网关系统G代理了广播节点A与中心节点S所有信令与媒体的通信，当网关系统G收到中心节点S呼叫广播节点A的请求时，先判断广播节点A是否已在SIP通话过程中，如果没有则按图4流程进行单呼控制处理，否则网关系统G直接成功应答中心节点S并将该路主叫加入广播节点A对应的主叫队列。双向语音通信过程中，网关系统G将广播节点A的多路主叫语音混音成一路语音发送给广播节点A，并将广播节点A的回话分发给各路主叫。网关系统收到所有主叫的BYE通话结束信令时，才实际结束双向语音通信。
图5 广播呼叫控制处理流程
3.2 文本消息网关业务
目前井下通信信号装置包括IP通信分站设备和显示牌、信号灯等信号显示设备两级设备。地面控制主机通过具体分站号和设备号寻址到特定信号显示设备，通过内部私有IP通信协议远程控制信号显示。内部私有协议内容为命令类消息，不涉及音视频流媒体。为提高业务应用便捷性，网关系统将具体分站号和设备号两级号码对应到单独一个SIP账号向矿井融合调度通信系统业务平台中心节点注册并通信，中心节点直接向该SIP账号发送MESSAGE消息信令，网关系统作为中间代理将该MESSAGE消息信令透明转换为内部协议命令，并模拟地面控制主机向对应通信分站及信号显示设备发送。MESSAGE消息信令格式：
MESSAGE sip:6223@10.30.17.6 SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 10.30.17.121:5080;rport;branch=z9hG4bK6
Max-Forwards: 70
From: "system" <sip:dispat+system@10.30.17.121>;tag=62mK83N79rrSp
To: <sip:6223@10.30.17.6>
Call-ID: a23d1d9c-51d3-422f-b2c2-51e61a4d160b
CSeq: 78481117 MESSAGE
Contact: <sip:1000@10.30.17.121:5080;transport=udp;gw=test>
Allow: INVITE, ACK, BYE, CANCEL, OPTIONS, MESSAGE, INFO, UPDATE, REGISTER, REFER, NOTIFY
Supported: timer, path, replaces
Content-Type: text/plain; charset=UTF8
Content-Length: 25
显示字符,"安全第一，警钟长鸣",流水方式
其中Content-Type头域表示消息内容的文本媒体类型，并指示具体字符编码类型，如果消息内容不为空，则Content-Type头域必须存在。通信信号装置内部通信协议一般采用二进制报文格式，为满足用户在操作控制界面对信号显示文本消息的自定义输入及维护管理，网关系统进一步对消息内容进行明文格式向二进制格式的透明转换，明文格式依据具体二进制格式命令内容及用户编辑习惯来协定。
3.3 工业视频网关业务
工业视频领域采用的ONVIF(Open Network Video Interface Forum，开放型网络视频接口论坛)标准是包含网络视频设备之间搜寻、视频访问、元数据和控制信息交互等在内的一套网络视频框架协议，ONVIF规范中网络视频流媒体的通信访问采用RTSP(Real Time Streaming Protocol，实时流传输协议)。网关系统实现矿井工业视频RTSP协议到SIP协议的透明转换，视频节点、网关系统及中心节点间的视频呼叫通信流程如图6所示。
图6 工业视频网关业务视频呼叫通信流程
网关系统G首先向视频节点B发送RTSP的DESCRIBE视频通道描述请求，视频节点B返回200 OK响应则表明视频节点B工作正常，然后网关系统G以视频节点B对应的预设账号Bob向中心节点S发起REGISTER注册，该请求及注册过程周期性进行。中心节点S向视频节点B发起视频查看呼叫时，由于视频节点B只发送视频而不接收视频，网关系统G在通话建立成功后向中心节点S发送200 OK SDP信令，该信令中设置会话为SEND ONLY属性，中心节点S收到200 OK SDP信令后开始单项视频流通信过程。
由于矿井融合调度通信系统业务平台支持多级调度与协同调度，可能有多个调度员同时查看某一视频节点，网关系统有必要支持多路呼叫某路视频节点的通信业务。视频呼叫控制处理流程如图7所示。
图7 视频呼叫控制处理流程
当网关系统G收到中心节点S呼叫视频节点B的请求时，先判断视频节点B是否已在SIP视频通话过程中，如果没有则按图6流程进行单呼控制处理，否则网关系统G直接成功应答中心节点S，并将该路主叫加入视频节点B对应的主叫队列。视频通话时，网关系统G将视频节点B的视频流分发给每路主叫。网关系统收到所有主叫的BYE通话结束信令时，才实际结束视频通话。
为验证矿井融合调度通信多业务网关系统的可行性，搭建了测试环境，其网络拓扑结构如图8所示。
图8 测试环境网络拓扑结构
矿用工业以太环网与矿用无线通信基站组成了矿井有线、无线IP分组传输交换网络，支持IP单播、组播与广播报文的高速传输与管理。融合调度通信服务器作为SIP中心节点，通过网关系统与矿用IP广播终端、通信信号装置、视频摄像仪进行语音、数据、视频业务的对接与通信。调度控制台为融合调度通信服务器的一体化调度操作台，可视电话和智能手机分别为融合调度通信服务器典型的有线多媒体终端和无线多媒体终端。测试结果如下：
(1) 调度控制台通过网关系统可图标化表示每一路IP广播终端、通信信号装置、视频摄像仪并显示其在线、断线状态；调度员可点击呼叫1路或会议呼叫多路上述通信装备，由于网关系统在中间做信令与媒体转换工作，呼叫建立与通信延时会增加1 s左右。
(2) 可视电话和智能手机可分别拨号呼叫到空闲的IP广播终端;当电话和手机同时拨号呼叫同一路空闲IP广播终端时，广播终端可同时播放电话和手机来话，电话和手机分别收到广播终端回话;当广播主机先与某路IP广播终端通话时，电话或手机拨号呼叫该路IP广播终端时收到忙音。
(3) 调度控制台及开启权限后的可视电话和智能手机可分别向通信信号装置发送文本消息，文本消息按照协定格式正确编辑并发送时，通信信号装置可按消息指定方式正确发布文本内容、信号指示。
(4) 可视电话和智能手机可分别拨号呼叫到视频摄像仪，可视电话和智能手机屏幕流畅显示摄像仪视频；当可视电话和智能手机同时呼叫同一路视频摄像仪时，可视电话和智能手机屏幕可同时流畅显示摄像仪视频。
通过信令协议与媒体类型的透明转换及具体业务控制处理，矿井融合调度通信多业务网关系统能够将矿井语音、数据、视频通信业务透明转换为SIP信令与标准媒体接口，实现矿井IP广播系统、通信信号装置及工业视频系统与矿井融合调度通信系统业务平台的无缝对接与便捷通信，具有较好的工程实用价值。
参考文献：
[1] 胡穗延.煤矿自动化和通信技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术,2007,35(8):1-4.
[2] 孙继平.现代化矿井通信技术与系统[J].工矿自动化,2013,39(3):1-5.
[3] 霍振龙,顾义东,李鹏.LTE通信技术在煤矿的应用研究[J].工矿自动化,2016,42(1):10-12.
[4] 顾俊,霍振龙,徐茜亮.基于软交换平台的矿用调度通信业务系统的研究和实现[J].工矿自动化,2011,37(1):5-8.
[5] 徐炜,顾义东,李静.矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用[J].工矿自动化,2014,40(9):115-118.
[6] 霍振龙,顾俊.基于Mesh技术的矿井应急救灾通信系统设计研究[J].工矿自动化,2012,38(11):1-4.
[7] 王树强,江云,徐炜,等.矿用IP广播对讲系统设计[J].工矿自动化,2011,37(11):4-6.
[8] 姜文峰,霍振龙.煤矿避灾引导指挥系统的设计[J].工矿自动化,2011,37(2):9-11.
[9] 王瑛.高清网络视频监控系统在煤矿安全生产中的应用[J].江西煤炭科技,2014(2):56-58.
[10] 顾俊,罗克,徐茜亮,等.基于SIP的矿用应急通信业务系统设计[J].工矿自动化,2013,39(7):8-11.
田成金.煤炭智能化开采模式和关键技术研究[J].工矿自动化，2016,42(11)：28-32.
GU Jun1, LIU Yabing2
(1.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China;2.Shanxi Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Yangquan 045000, China)
Abstract：In view of problem that some mine communication systems cannot connect with service platform of mine integration dispatching communication system, a design scheme of multi-service gateway system for mine integration dispatching communication based on SIP protocol and standard media format was proposed. Overall architecture of the system and designs of communication flow and control processing of gateway services of IP broadcast, text message and industrial video were described. The test results show that the design scheme is a good support for implementation of whole mine integration dispatching communication.
Key words：integration communication; dispatching communication; multi-service gateway; SIP protocol
文章编号：1671-251X(2016)11-0022-06
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.006
顾俊，刘亚兵.矿井融合调度通信多业务网关系统设计[J].工矿自动化，2016,42(11)：22-27.
收稿日期：2016-08-10；
修回日期：2016-10-10；责任编辑：盛男。
基金项目：天地科技股份有限公司技术创新基金资助项目(KJ-2015-CZGF-02)。
作者简介：顾俊(1982-)，男，江苏常州人，工程师，主要从事IP网络与通信、矿井无线/有线通信系统的研发工作，E-mail:gujuncz@163.com。
中图分类号：TD655
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-10-28 16:24
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1624.006.html