综述
郑学召1,2,3， 王虎1， 文虎1,2,3， 郭军1,2,3
(1.西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054；2.西安科技大学 国家矿山应急救援西安研究中心， 陕西 西安 710054； 3.陕西省煤火灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054)
摘要：阐述了矿井钻孔救援通信技术原理，详细介绍了钻孔救援通信技术即钻孔救援探测技术、矿井救援指挥系统及可视化技术、钻孔救援高速传输及交换技术的国内外研究进展，指出了矿井救援通信技术亟需解决的问题及发展趋势：钻孔救援通信系统各功能组成上应相互独立又有机统一，使系统在功能升级过程中不影响其他功能的正常使用；钻孔救援通信技术在进行音、视频图像采集，灾难现场环境监测，通信和存储等环节上应有更高的准确性；进一步提高数据通信系统的可靠性，使钻孔救援通信系统本身具有自检及恢复功能，为矿井救援方案的制定提供有效参考；完善与救援通信设备配套的应用软件，确保救援中信息实时交互传输，具有逼真的现场感，便于指挥人员后续的决策；研究数据采集系统错误及误差的判定及预警技术，使探测到的救援信息准确无误，提高救援效率及成功率。
关键词：钻孔救援； 应急救援； 多媒体通信； 救援探测; 救援指挥; 高速传输
我国煤炭资源丰富，煤炭生产量位居世界首位。在我国的能源结构中，煤炭的生产量和消费量分别占一次能源生产与消费总量的76%和68%[1]。近年来，随着矿井浅部资源逐步枯竭，深部开采给人们带来了巨大的挑战。据调查,我国煤矿的平均开采深度为456 m，深度大于600 m的约占28.5%，最大深度达1 365 m[2]。自2006年起，我国煤矿安全形势大有好转，中小型事故得到了有效遏制,但偶发的重特大事故仍会造成大量的资源损失和人员伤亡，严重影响我国矿山的安全生产，造成严重的经济损失和社会影响。
矿井事故发生后，先进的应急救援技术对减少安全生产事故的损失具有重要意义。大多数灾害事故并非直接伤及人身，往往是巷道垮塌堵住逃生通道，被困人员因中毒、受压、缺少食物和水等而死亡。传统的救援方式是通过直接透巷或新掘绕巷方法接近被困人员，当顶板冒落、透水及带出泥石淤积严重堵塞巷道时，这种方法实施起来较为困难，需要花费大量的时间，且井下环境不确定因素多，救援的成功率并不是很高。钻孔救援技术是近年来兴起的一种新型应急救援技术，通过从地面打小直径钻孔探测井下被困人员，若发现被困人员，可通过大直径钻孔将被困人员提升至地面。与传统的水平救援方式相比，钻孔救援可快速为井下被困人员输送氧气、食物和水等，使人员存活的可能性提高。在钻孔救援过程中，先进的通信技术显得尤为重要，可准确反映井下真实情况，提高救援成功率。
本文在分析矿井钻孔救援通信技术研究进展的基础上，对所开发的钻孔救援通信技术及设备进行了介绍，提出了矿井钻孔救援通信技术亟需解决的问题及其发展趋势，为今后矿井钻孔救援通信技术领域的科研及生产提供参考。
井下工作环境特殊，在矿井生产中会发生各种灾害事故。地面所有的通信技术和装备都不能直接应用于井下，井下环境对设备的防爆性能、传输性能、抗干扰性能、功耗、体积及组网技术等提出了更高的要求。事故发生后，如果能观测、监听事故现场险情、被困人员状态和位置等关键信息，为抢险救灾提供第一手资料，对于避免伤亡进一步扩大、快速有效地撤离人员、减少人员和财产损失、防止灾害蔓延都具有特别重要的意义。传统的语音通信不能全面、准确地反映井下现场实际情况[3]，导致救援不畅，延误救援时间，造成更大的伤亡事故。因此，如何迅速发现被困遇险人员，并对其进行准确定位，利用多媒体通信技术与被困人员取得有效的信息交流，便成为矿井钻孔救援成功的关键因素。
矿井钻孔救援通信技术是指在救援人员无法直接到达事故现场的情况下，在事发区域施工深孔至事发巷道，综合运用生命探测、多媒体通信、可视化指挥等高新技术，实时监测被困人员情况并建立通信联络，将搜集到的信息快速传输至地面指挥中心的一种技术。矿井应急通信有时间的突发性、地点的不确定性等特点[4]，先进的钻孔救援通信技术在整个救援过程中显得尤为重要，能有效避免事故的恶化，在一定程度上决定救援的成败。例如，2013年3月8日，王家岭煤矿发生重特大透水事故，事故发生后，由于井下通信系统破坏，造成井下38人没有及时撤离而不幸遇难。2010年8月5日，智利圣何塞矿难创造了世界救援史上的奇迹，除了先进的技术装备外，先进的救援通信技术在此次救援中发挥了至关重要的作用[5]。
国外的煤炭生产大国如美国、德国、澳大利亚等，矿井救援通信技术及设备的研究相对起步较早，有丰富的经验积累，能在事故发生后第一时间展开救援。我国钻孔救援通信技术及设备研究起步较晚，通常采用向井孔投放防爆电话实现通信。但防爆电话受各种环境因素的影响，很难采集井下微弱的声音信号，同时被困人员在照度低的巷道内很难发现投放的设备，救援通信效果不是很理想。近几年很多学者和科研单位针对救援通信技术做了大量的研究，取得了瞩目的成果。
2.1 钻孔救援探测技术及设备
地面钻孔探测技术和设备的研制已经有了较大的发展。欧美发达国家的成像测井技术的研究始于20世纪中期，并将这种技术引入油气勘探钻孔探测领域。20世纪90年代，大型基础工程钻孔的电视成像技术已成熟应用，国外用于工程钻孔探测的钻孔声波电视成像系统是在近些年开始完善成熟的，它与源自钻孔摄录技术的钻孔电视光学成像系统共同组成了先进的钻孔电视成像系统。
我国于20世纪60年代出现了井孔照相检测技术，70年代末国内研制出了用于管井检查的黑白井下光学电视系统，80年代末研制出彩色光学井孔电视摄像系统，这些摄像系统多被应用在供水管井故障检查和工程钻孔的异常探查中。国内的管井光学电视摄像产品有ZCD-50型井下电视仪[6]，JX-3500型井下电视仪[7]等。
上述设备大多只具有视频监控功能，缺少双向语音通信及环境监测功能，难以满足矿井钻孔救援的迫切需要。针对钻孔救援可视化程度低等问题，文虎等[8]率先研制出了一种深入矿井灾区的生命信息钻孔探测系统，可将探测到的信息通过双绞线传输到地面指挥中心，传输距离远，且具有图像、语音、温度参数等多媒体信号的摄入、检测、存储、显示和回放功能，为制定救援方案提供重要参考资料。在此基础上，王小波等[9]也相继研发出一种矿井救援井孔声像探测装置，在防爆电话等通信设备受限，难以采集井下微弱的声音信号和不具备视频采集功能的情况下，能有效与井下被困人员进行双向音视频通信。这2种探测设备在功能上都可实现与井下被困人员的视音频通信及环境参数的监测，但矿井救援井孔声像探测装置不具有回放功能，不能为以后的事故总结提供资料。
灾害发生后，在救援人员无法到达事发区域的情况下，利用钻孔下放探测机器人是救援技术的另一创新。张树生等[10]设计了一种钻孔探测机器人，通过救援钻孔将探测机器人下放至井下事故现场，利用机器人随机携带的摄像机和多种传感器，实时采集事故现场的图像信息及环境参数，并将采集到的信息传输到地面指挥中心，为矿井钻孔救援提供有效的决策依据。该探测机器人充分考虑井下特殊的环境，对设备进行防水、防爆、防震等设计，以保证稳定运行。
在上述多种矿井救援探测设备中，生命信息钻孔探测系统已在山东省临沂市平邑县万庄石膏矿坍塌事故中成功发现4名被困矿工，并在后续救援过程中探测钻孔孔壁的施工、涌水、坍塌及井下灾区情况发挥了重大作用。
2.2 矿井救援指挥系统及可视化技术
事故发生后，需要救援工作有序、及时、准确，但灾难现场的复杂性及救援技术、装备的多样性，要求救援指挥必须依靠灾区救援通信的支持，开展有效的救援。矿井救援指挥系统的信息化、智能化起着至关重要的作用。
20世纪90年代，澳大利亚矿山技术公司开发了PED(Personal Emergency Device)应急指挥系统，可实现超低频信号穿岩传输，该系统可使井下人员以最短的时间撤离，最大限度地减少人员伤亡，成功应用于美国、加拿大和澳大利亚的多个煤矿[11]。RIMtech井下救援无线通信系统利用有线与无线组合的传输方式快速布置通信系统，最大程度扩展了通信距离，适应各种不同的井下救援环境。SC100井下移动通信系统在20世纪70年代取得良好的使用效果， SC2000井下移动通信系统在SC100井下移动通信系统的基础上进行改进，可靠性更高，技术更成熟。
国内在引进国外先进矿井救援指挥系统的基础上，也进行了大量的研究。目前，技术较为成熟的产品有KTE5型矿山救援可视化指挥装置及救援无线多媒体指挥系统、KTN101型矿用救灾指挥装置。其中，KTE5型矿山救援可视化指挥装置[12]采用先进的即铺即用通信技术，可实现地面指挥中心、灾难现场、井下基地的三方双向通话及现场图像采集、救援过程的记录及回放功能。但该装置没有环境参数监测功能，指挥中心不能实时掌握灾区现场状况。因此，研究人员针对KTE5型矿山救援可视化指挥装置存在的不足，进行了改造升级，研发出矿山救援无线多媒体指挥系统。矿山救援无线多媒体指挥系统可将现场图像、声音及环境参数等数字信号利用无线射频和双绞线进行双向传输，实现救援可视化[13]。
2.3 钻孔救援高速传输及交换技术
对于矿井救援而言，时间就是生命。由于井下环境复杂，通信线路传输速率低一直是救援通信中的技术瓶颈。秋兴国等[14]设计了一种基于DSP和FPGA的钻孔救援高速调制解调器，可在矿井救援通信线路中有效提高数据传输速率。结合救援可视化的迫切需求，金永飞等[15]提出了一种利用电话线进行多媒体数据传输的SDSL传输技术，并在此基础上研制出煤矿多媒体救灾系统，实现了井下灾区多媒体信息的实时传输。李文峰等[16]采用对称数字用户线SDSL点对点宽带连接技术及IP网络协议，实现音频、视频等多媒体信息的高速传输，提高了救援效率。
救援工作顺利展开需要多个部门之间的有效配合。矿井救援通信除了可靠传输外，各个部门网络之间的互通能力也显得尤为重要。宋卫国等[17]针对应急救援通信中网络运行方式单一、各通信子网互通能力低、通信联络受限等问题，研究了灾害应急救援通信无线串行数据交换技术,以ARM7芯片为主处理器，可实现多种无线通信间的数据信息交换，便于救援过程中多个部门的统一指挥和管理。矿井救援中，通信网络复杂，将每个通信子系统有效整合，增强部门之间的互动，使救援信息最大限度地实现共享。
3.1 亟需解决的问题
矿井钻孔救援作为一种快速将被困人员从井下救出的新型技术，国内外很多学者对其进行了大量的研究，并取得了很大的进展，在一定程度上改善了钻孔救援通信技术落后的现状。通过分析以上钻孔救援通信技术的研究进展，其主要亟需解决的问题如下:
(1) 钻孔救援通信技术作为目前矿井应急救援领域的研究热点之一，通信系统各功能组成上应相互独立又有机统一，便于系统在功能升级过程中不影响其他功能的正常使用。
(2) 钻孔救援通信技术在进行音视频图像采集、灾难现场环境监测、通信、存储等环节上对系统的准确性提出了更高的要求。目前研究的重点放在系统的功能等方面，针对数据通信系统错误或误差的判定及预警技术等方面研究较少。
(3) 由于井下环境复杂多变，对通信系统的软件和硬件的可靠性要求较高。在救援过程中，当通信中断时，通信系统应有自检与恢复功能，避免延误救援时间，降低救援效率。
(4) 针对应急救援通信中的系统软件存在兼容性低、集成度低、信息量有限、存储数据分散、功能单一等问题，为实现信息的处理、存储及井下与井上信息的实时交互传输，开发多功能救援通信应用管理软件将是钻孔救援通信技术的迫切需求。
3.2 发展趋势
现代传感技术、计算机技术、网络通信技术等多种技术的融合，推进了矿井钻孔救援通信技术的发展，对新技术、新装备的研发显得尤为重要，钻孔救援通信系统将在原有技术和装备的基础上，向着更高效、更完善的方向发展，以满足救援需求,主要体现在以下几个方面：
(1) 加强各个功能组成之间独立性和关联性的详细划分，以满足钻孔救援通信技术不断发展的实际需求。
(2) 进一步提高数据通信系统的可靠性，使救援系统本身具有自检及恢复功能，为矿井救援方案的制定提供有效参考。
(3) 完善与救援通信设备配套的应用软件，确保救援中信息实时交互传输，具有逼真的现场感，便于指挥人员决策。
(4) 研究数据采集系统错误及误差的判定及预警技术，使探测到的救援信息准确无误，提高救援的效率及成功率。
通过近几年的研究与应用，国内外在钻孔救援通信领域单项技术上取得了重大进展，通信技术、计算机技术和传感器技术的融合，使得矿井钻孔救援通信技术的发展进入了一个崭新的阶段，不仅有助于提高通信质量，扩大通信规模，加快信息传播速度，而且使得通信的功能不断多样化、智能化。在优化现有钻孔通信设备的基础上，针对不同矿山灾害的特点研究与开发高可靠性、稳定性、适应性的矿井钻孔救援装备和通信设备，可以提高救援效率，减少人员伤亡。
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Research progress and tendency of mine drilling rescue communication technology
ZHENG Xuezhao1,2,3， WANG Hu1， WEN Hu1,2,3， GUO Jun1,2,3
(1.School of Safety Science and Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China; 2.State Mine Emergency Rescue(Xi'an) Research Center, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China; 3.Key Laboratory for Prevention and Control of Coal Fires in Shaanxi Province, Xi'an 710054, China)
Abstract：The paper expounded principles of mine drilling rescue communication technology, emphatically introduced research progress at home and abroad of drilling rescue communication technology, including drilling rescue detection technology, mine rescue command system and visualization technology, high-speed transmission and exchange technology of drilling rescue, pointed out problems need to be solved of mine drilling rescue communication technology and its development tendency: each function and composition of drilling rescue communication system should be independent and organic unification, so as to guarantee normal use of other functions of the system in upgrade process;drilling rescue communication technology should have higher accuracy on links of sound and video image acquisition, environmental monitoring of disaster scene, communication and storage; the drilling rescue communication system should have functions of self-check and recovery through further improving of reliability of data communication system, so as to provide effective reference for establishment of mine rescue plan; application software matched with rescue communication equipments was perfected to ensure that rescue information is real-time interaction transmission with vivid presence to facilitate commanders to do subsequent decisions; error and error judgement and early warning technology of data acquisition system was researched to ensure accurate of rescue information and improve rescue efficiency and success.
Key words:drilling rescue; emergency rescue; multimedia communication; rescue detection; rescue command; high-speed transmission
收稿日期：2017-01-16；
修回日期：2017-04-12；责任编辑：张强。
基金项目：国家重点研发计划重点专项项目(2016YFC0801802)；中国博士后科学基金项目(2016M592820)；陕西省重点科技创新团队计划资助项目(2012KCT-09)。
作者简介：郑学召(1977-)，男，新疆焉耆人，副教授，博士，主要从事矿山安全与应急救援的教学与科研工作，E-mail:zhengxuezhao@xust.edu.cn。
引用格式：郑学召，王虎，文虎，等.矿井钻孔救援通信技术的研究进展及趋势[J].工矿自动化，2017,43(9)：41-45. ZHENG Xuezhao，WANG Hu，WEN Hu，et al. Research progress and tendency of mine drilling rescue communication technology[J].Industry and Mine Automation，2017,43(9)：41-45.
文章编号：1671-251X(2017)09-0041-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.09.008
中图分类号：TD655
文献标志码：A 网络出版时间：2017-08-28 11:10
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170828.1110.008.html