探讨煤矿通信系统中无线以太网技术的应用
摘要：通过对煤矿较为复杂的生产环境以及移动的生产管理的通信需求特点，实现对了无线以太网技术的探讨，并以当前无线以太网技术的发展介紹为基础，具体探讨了无线以太网技术在煤矿通信系统中的实际应用，从而构建了持续改进和发展着的煤矿通信系统。
关键词：煤矿 通信系统 无线以太网 技术 应用
随着社会的发展，人们对能源的需求量不断加大，煤矿开采和生产将面临着更加复杂的环境。同时，当今的煤矿的开采不仅仅限于传统的永久性大巷，更需要根据煤矿开采和生产所面临的外在环境而不断改变，其中涉及到煤矿的采掘、支护、监控、通信、运输以及检测等工作。在煤矿井下巷道的掘进过程中，大量的机械设备需要搬迁，维护和移动，因此，对于进行煤矿企业的安全生产，提高生产效率的减员增效模式越来越受到人们的重视。此外，减员增效开采模式绝大部分属于井供式开采，由此，具有较大的开采难度。煤矿开采中煤层的赋存条件较差、煤矿开采过程中的成本较高、煤矿生产环境中的巷道较长。在煤矿这一特殊的环境下要实现减员增效，是对煤矿通信系统的巨大挑战。煤矿的生产面临着作业人员较少、巷道距离较长的开采环境下，煤矿的通讯设备应更为小型化、便捷化、可移动，并将成为今后煤矿通信技术的首要选择。
1 当前无线技术研究
调查显示，有线通信方式是我国目前煤矿井下通信系统的主要方式，煤矿井下的生产监测监控、控制、人员定位系统以及工业电视等都是使用了有线的方式来进行传输的。但是，当前煤矿井下的无线通信仍然以低效率的语音通信为主，煤矿井下的多模式通讯体系依旧处于理论的研究阶段。无线通信技术，具体有漏泄通信、透地通信、感应通信以及CDMA (大灵通) 通信系统等几种模式。在无线通信技术中，由于感应通信以及透地通信存在较小的信道容量，难以抵御电磁侵扰，可靠性不高，从而不同程度地制约其应用。矿用小灵通技术则来源于公用通信网络中的PHS系统，是井下与地面实现无线电通信的范畴。矿用大灵通(CDMA)是相对与小灵通而言的。大灵通的工作波段为450MHz，基于CD2MA2000技术。由于其具有抗干扰能力强、移动性好、通话清晰以及能够支持无线高速分组数据业务等特征，克服了小灵通的一些缺陷。但其功能单一、协议标准化较差，并且容易受到自然灾害的破坏。因而，并不适用于实现多功能煤矿井下无线通信。
煤矿通信系统的无线通信体系的构造中，通信频率的选择是其必不可少的一环节，根据当前的研究，井下巷道中无线电波的频率与衰减特性如下图所示。
如上图所示，煤矿井下的传播频率，在800MHz之下的电磁波衰减幅度较大，难以适应煤矿生产环境下的通讯需要。随着信息传输频率的不断提高，信号的损耗也在逐渐增加。由于巷道壁所引发的损耗较小，由此，在1000～3000MHz 区间整体的损耗逐渐缩小。
2 无线以太网(WLAN)技术
无线以太网(WLAN)通过IEEE802111 协议建立规范的定义体系，主要包括802111a 、802111b 、802111g 以及新的802111n 等，无线以太网的工作频段可设定为2400MHz 以及5800MHz，无线以太网使用的技术包括有正交频分复用技术(802111g)、直序列扩频技术(802111b)和智能天线与频道聚合技术(802111n) 。同时，无线以太网不仅扩展了有线以太网的使用范围，还具有使用灵活、成本低、协议标准化好以及抗干扰强等优点，其传输吞吐率可达5Mbps (802111b) 、20Mbps(802111g) 、250Mbps (802111n) ，并且，无线以太网技术的通信系统可实现有效语音和视频的传输。通常情况下，无线以太网在电子终端设备在医疗机构网络以及企业的内部无线网络等领域都得到了广泛的应用。
3 煤矿通信系统中无线以太网技术的应用
3.1 移动通信 无线以太网的技术作为煤矿的语音移动通信设备已经有比较长的使用历史。研究表明，目前已经开发成功的通信系统已到达数十套。通过采用Vo IP的通信技术体制，结合以太网的使用环境，并随着Vo IP在无线以太网中的应用技术的不断完善和进步，并在煤矿通信系统中得到了广泛的应用。然而，新一代的综合通信技术建立了行政生产一体化的调度通信，并且实现了无线有线的一体化，如下图所示。
3.2 系统组网 在传统的煤矿通信系统使用中，都是以链形或星形的网络拓扑结构为主，其子系统自成网络，带宽利用率低下、系统的可靠性不高、运行维护难度大以及抗灾性能较差。煤矿井下无线以太网技术的不断应用和技术的提高，无线通讯系统的可靠度逐渐提高，但当前的工业以太网技术均采用有线传输的方式，对于复杂、恶劣的井下作业环境，必须确保通信系统的网络应在环境的布置中要相对较好，并且由于通讯系统的组网施工、通讯系统维护相对困难、通讯设备常常搬迁等原因，无线通讯系统安装在生产层面不能形成环网，同时移动设备的搬迁工作量较大，而Mesh 组网技术、无线网桥技术，是充分保证煤矿无线通讯系统组环的重要技术。无线以太网与有线网络的连接标准一致，可以形成对工业以太网的无缝连接，无线以太网可作为工业以太环网的接入点，采用已建好的工业以太环网实现数据的传输，有效利用当前资源，此外，还可将无线以太网扩展到煤矿生产的采掘工作层以及掘进工作层，由此保证煤矿通讯系统的灵活和简便等特性。
3.3 工业自动化 随着工业技术的不断更新和发展推动了通讯系统的持续进步，煤矿通讯系统逐渐向自动化以及复杂化的方向发展，子系统的数量、类型在发展中不断增加，而现有子系统连接方式均以星形或是链形为主干拓扑结构，选择有线的通信网络方式容易受到位置以及生产环境的限制，同时煤矿的通信系统的设置还应架设通信系统电缆，不便于移动，同时也将导致线路冗余的缺少，导致信号“一碰就断”。而煤矿作业层面采用无线以太网技术，接入适配设备，同时还将无线以太网接入了井下工业以太环网。从而能建立以设备以及子系统为对象的网络，同时为煤矿无线以太网以及无线以太网的通信以及系统的总线通信和串行通信提供了多种层次的接口。煤矿无线通信系统中的以太网与适配设备的自动接入，致使网络的子系统或是设备的接入不再受到线缆的约束，建立了简单而快速的接入方式，以太网通讯系统的自动化接入还能构建无线-有线或无线Mesh的多链路冗余传输模式，有效提高了煤矿无线通信系统的可靠度。
3.4 应急通信 在煤矿的井下开采中，由于其生产和作业的高危险性，出现紧急或是灾害的现象或概率较大，由此，稳定的通信设备和通信系统是十分必要的求援保障。目前，煤矿的通信系统多为矿用小灵通和大灵通，而这些通讯设备的运行与地面的局端交换设备的状况密切相关。当煤矿灾害发生时，整个煤矿的通信线路遭到损坏，或是井下通讯设备断电时，将导致整个网络通信系统设备失效。一旦与地面的局端设备失去连接，通信系统就将崩溃，从而难以发挥其在应急救援中的通信作用。无线以太网是基于VoIP 通信，各无线通讯系统基站以及用户手中的通讯器都能脱网通信，即使与地面的局端设备失去连接，无线通信系统的各个节点之间依旧能持续通信。煤矿无线以太网通信系统还具有环网冗余的功能，就其用途而言是系统中一个节点或一条通信线路的损坏将不对整个通信系统的通信功能造成影响。
3.5 视频监控 随着不断提高的煤矿井下生产自动化设备的采用，煤矿企业对工业现场的视频监控要求逐渐提高。煤矿通信系统中的无线视频监控功能，在地面的石油、电力以及公安等相关领域也得到了广泛应用，煤矿通信系统中的无线以太网技术还能实现多路视频传输功能，能应用于煤矿井下的开采作业中。具有无线传输功能的摄像机，能轻松移动，可作为煤矿生产和开采作业中电视传输视频系统的有效补充。
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