图1 三级指挥信息传输模型
郑万波1,2,3， 吴燕清1,3
(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037；
2.重庆大学 光电工程学院， 重庆 400044；
3.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039)
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SHDSL、无线WiFi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
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10 km[1]、无线覆盖距离大于2 km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)[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[3]；③ 应急救援指挥通信系统层次化[4-6]、单元化和标准化[7]，各种应急救援指挥通信系统之间以及应急救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[9]，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[10-11]。本文以上述发展趋势为设计需求，提出了一种结合有线SHDSL、无线WiFi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。
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[12]，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。
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SHDSL终端组成，可以传输语音、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WiFi基站、WiFi中继器、WiFi手机、WiFi摄像头、WiFi环境侦测器和WiFi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TCP/IP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SHDSL、无线WiFi和卫星通信的优点。
图1 三级指挥信息传输模型
图2 矿山应急救援指挥综合通信系统组成
在地面和矿井模拟巷道(巷道长约700 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SHDSL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≤90 Ω/km，分布电容≤0.06 μF/km，固有衰减≤1.10 dB/km)，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WiFi基站、地面基站或有线SHDSL终端的距离为4～6 km时，地面基站与井下无线覆盖区域的有线通信距离可达到8～12 km，传输速率稳定在1.5 Mbit/s，能够可靠传输2～5路视频数据，8～10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WiFi通信
采用10个无线中继节点串接的方式[13](节点之间信号强度相等，节点相距150～200 m，节点1以尽可能大的速率向节点10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10个节点时，无线传输距离达到1.5 km，端到端吞吐量降低至6.7 Mbit/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。
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BGAN探险者E700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TCP/IP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512 kbit/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
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。
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ZHENG Wanbo1,2,3, WU Yanqing1,3
(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037,China; 2.College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;3.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)
Abstract:Taking development trend of mine emergency rescue command communication system as design requirements, a design scheme of integrated communication system of mine emergency rescue command which combines with wired SHDSL, wireless WiFi and satellite communication technologies was proposed based on three-level command information transmission model. The test results show that the system meet needs of converged communication of various real-time data such as voice, video, environment monitoring parameter and personnel vital sign parameter with high transmission rate and long communication distance.
Key words:emergency rescue communication; three-level command; wired communication; wireless communication; satellite communication
中图分类号：TD655/77
文献标志码：A 网络出版时间：2016-03-07 15:24
作者简介：郑万波(1981-)，男，四川自贡人，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工作，E-mail:zwanbo2001@163.com。
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B09)；重庆市前沿与应用基础研究计划资助项目(cstc2014jcyjA90027)。
收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-01-24；责任编辑：盛男。
文章编号：1671-251X(2016)03-0084-03
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.020
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1524.020.html
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，2016,42(3)：84-86.