淺述我國(guó)礦山應(yīng)急救援通信裝備的發(fā)展

1、淺述我國(guó)礦山應(yīng)急救援通信裝備的發(fā)展鄭學(xué)召"2,王偉峰2(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西西安710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西部煤礦安全教育部工程研究中心)摘要:根據(jù)我國(guó)礦山應(yīng)急救援的現(xiàn)狀，闡述了現(xiàn)有礦山應(yīng)急救援通信裝備的功能及特 點(diǎn)。提出并介紹了目前急需研制開發(fā)的應(yīng)急救援通信裝備的關(guān)鍵技術(shù)，使應(yīng)急救援通信 裝備更好有為礦山救護(hù)人員和遇險(xiǎn)礦工服務(wù)。關(guān)鍵詞：礦山救援；多媒體通信；無(wú)線傳輸0引言礦山應(yīng)急救援通信裝備是礦山救護(hù)隊(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中不可缺少的設(shè)備，隨著數(shù)字視、 音頻編解碼技術(shù)的fi益成熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展為多媒體信息系統(tǒng)在礦山上的 應(yīng)用提供了

2、堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)我國(guó)政府對(duì)礦山應(yīng)急救援工作的高度重視，對(duì)礦山應(yīng)急救 援裝備的發(fā)展起著強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。但近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的高速提升，對(duì)能源的需求量大幅 度的提升，部分礦山超生產(chǎn)能力開采、不遵守煤礦安全規(guī)程生產(chǎn)，使的礦山事故頻發(fā)，為減 少礦山事故人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失、促進(jìn)礦山安全生產(chǎn)。還需進(jìn)一步加強(qiáng)礦山應(yīng)急救援通信技 術(shù)研究和裝備的研制。1礦山應(yīng)急救援通信設(shè)備的發(fā)展目前礦山應(yīng)急救援通信設(shè)備按傳輸介質(zhì)不同分為有線和無(wú)線通信及有線/無(wú)線自適應(yīng)三 大類。1.1有線應(yīng)急救援通訊設(shè)備有線應(yīng)急救援通訊設(shè)備就是在信號(hào)的傳輸過程中是依靠線路進(jìn)行傳輸，其小傳輸線也有 多種，有雙絞電話線、同軸線纜、網(wǎng)線、光纖等，按

3、在其上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分又有單純咅頻傳輸、 和多媒體信息同時(shí)采集傳輸裝置。(1) 音頻通訊系統(tǒng)目前使用的有pxs-1型聲能電話機(jī)和kjt-75型救災(zāi)通訊設(shè)備。pxs-1型聲能電話機(jī)為礦用防爆型設(shè)備，有效通話距離24km,該機(jī)由發(fā)話器、受話器 械、聲頻發(fā)電機(jī)、擴(kuò)大器等組成。在搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)，進(jìn)入災(zāi)區(qū)的人員可選用發(fā)話器、受話器全 裝在面罩中，擴(kuò)大器固定在腰間的安裝方式。kjt-75型救災(zāi)通訊設(shè)備由主機(jī)、副機(jī)和袖珍發(fā)射機(jī)進(jìn)入災(zāi)區(qū)的救護(hù)隊(duì)員使用。救護(hù)隊(duì) 員通過副機(jī)楊聲器收聽主機(jī)傳來(lái)的話音，使用袖珍發(fā)射機(jī)向主機(jī)發(fā)話。救護(hù)隊(duì)員隨身攜帶纏 制好的放線包，救災(zāi)作業(yè)時(shí)邊放線，并隨時(shí)和基地的主機(jī)保持井下聯(lián)系(主、副機(jī)間的通

4、訊 距離為2km)o通訊導(dǎo)線兼做救護(hù)隊(duì)員的探險(xiǎn)繩。基地通訊主機(jī)可同時(shí)對(duì)三路救災(zāi)隊(duì)員實(shí)現(xiàn) 救災(zāi)指揮。(2) 多媒體通訊系統(tǒng)目前使用的較為廣泛的有kte5型礦山救援可視化指揮裝置kte5型礦山救援可視化指揮裝置具有傳輸語(yǔ)咅和視頻的便攜式本安型礦井應(yīng)急救援通 訊裝置。它主要采用計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和対稱數(shù)字用戶線sdsl(symmetrical digital subscriber line)寬帶接入技術(shù)，用一對(duì)礦用雙絞電話線為傳輸介質(zhì)，利用局域網(wǎng)傳送音 頻和視頻，進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互實(shí)現(xiàn)“即鋪即用”的應(yīng)急多媒體通信服務(wù)。其具體技術(shù)方案如圖1所示:前端設(shè)備1前端設(shè)備2基地設(shè)備本安電源走女電瀝i外延設(shè)備地

5、面設(shè)備圖1 kte5型礦山救援可視化指揮裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖礦山救援可視化指揮裝置開機(jī)后，木安紅外攝像機(jī)自動(dòng)捕捉井下事故現(xiàn)場(chǎng)圖像，并將捕 捉到的視頻信號(hào)連同耳麥小的音頻信號(hào)一起送至視音頻合成壓縮模塊。視音頻合成壓縮模塊 首先將模擬的咅頻、視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后采用mpeg-4壓縮方式進(jìn)行壓縮編碼送 至sdsl線路接入模塊；sdsl線路接入模塊將壓縮后的數(shù)據(jù)采用2btq的調(diào)制方式，通過礦 用雙絞電話線以ip包的形式傳送給基地設(shè)備的sdsl線路接入模塊。兩塊sdsl線路接入模 塊z間的距離w4千米，調(diào)制編碼數(shù)字信號(hào)通過一對(duì)0. 5mm線徑的電話線在4千米的距離內(nèi) 可以達(dá)到1.4mb/s的對(duì)稱速率，

6、且性能穩(wěn)定，抗噪聲能力強(qiáng)，能達(dá)到ddn專線品質(zhì)。基地設(shè) 備目前可以同吋接收兩路前端設(shè)備的視咅頻信號(hào)，這兩路視咅頻合成后在基地臺(tái)分兩路輸 出，一路輸出至井下數(shù)字信息終端還原語(yǔ)音、圖像信號(hào)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；另一路再通過井下現(xiàn)有 的電話線路資源輸出至地面數(shù)據(jù)交換隔離模塊。如果基地設(shè)備與地面設(shè)備之間的傳輸距離 4千米，中途需要加屮繼放大器將信號(hào)放大。地面數(shù)據(jù)交換隔離模塊首先將井下本質(zhì)安全電 路與地面電路隔離，然后信號(hào)送入sdsl線路接入模塊解碼，sdsl線路接入模塊解碼提供一 個(gè)rj45用戶端接口，用計(jì)算機(jī)觀察信號(hào)；也可通過提供的10m/100m自適應(yīng)快速以太網(wǎng)口高 速上傳。1. 2無(wú)線應(yīng)急救援通訊設(shè)備目前

7、使用的有sc2000災(zāi)區(qū)電話和ktw2型礦用救災(zāi)無(wú)線電通信裝置sc2000災(zāi)區(qū)電話工作于損耗較小的低頻（100kiiz100lz,救災(zāi)通信系統(tǒng)的工作頻率為 340 khz）。這些頻率信號(hào)能被簡(jiǎn)單、低成本的長(zhǎng)線天線系統(tǒng)傳輸，甚至述可以在大多數(shù)礦井 巷道中所存在的管道和電纜中傳輸。無(wú)線感應(yīng)信號(hào)通過便攜手機(jī)上的環(huán)形天線（稱為子彈帶 天線）、基站側(cè)的環(huán)形天線和生命線與管道、電纜之間的耦合而建立。如果巷道內(nèi)無(wú)管道和 電纜存在，則手機(jī)彼此之間的通信距離僅為50m。在一個(gè)斷面較小的巷道中，通信距離為 500800m。ktw2型礦用救災(zāi)無(wú)線電通信裝置為第三代礦用專用救護(hù)無(wú)線電通信設(shè)備，主要用于礦 山救護(hù)隊(duì)，也

8、可以用于井口運(yùn)輸、機(jī)巷檢修設(shè)備調(diào)試時(shí)聯(lián)絡(luò)使用。裝置由ktw2. 1型便攜機(jī)、 ktw2.2型井下基地站、ktw2. 3型井下指揮機(jī)、ktw2. 4型井上指揮機(jī)等組成。系統(tǒng)設(shè)備布置如圖2所示圖2 ktw2型礦用救災(zāi)無(wú)線電通信裝置組成框圖a井上指揮機(jī) b井下指揮機(jī)c井下基地站d便攜機(jī)井上指揮機(jī)、井下指揮機(jī)、井下基地站、便攜機(jī)組成一個(gè)有線/無(wú)線通信系統(tǒng)，井上指 揮機(jī)、井下基地站之間采用兩芯電纜連接，井下基地站、便攜機(jī)之間為無(wú)線通信方式。井上 指揮機(jī)、井下指揮機(jī)話音信號(hào)通過井下基地站發(fā)射，便攜機(jī)接收；便攜機(jī)發(fā)射通過井下基地 站接收，向井下指揮機(jī)、井上指揮機(jī)傳送話音信號(hào)。1. 3有線/無(wú)線自適應(yīng)急救援通

9、訊設(shè)備目前國(guó)內(nèi)外具有代表性的有線/無(wú)線自適應(yīng)應(yīng)急救援通信裝備是礦井救災(zāi)機(jī)器人，在 煤礦井下發(fā)生災(zāi)害時(shí)，由于存在各種有害氣體、高溫等情況，如果救災(zāi)人員貿(mào)然進(jìn)入，就會(huì) 造成救護(hù)人員的傷亡，這是煤礦安全規(guī)程中嚴(yán)明禁止的。因此，利用救災(zāi)機(jī)器人及時(shí)深入災(zāi) 害現(xiàn)場(chǎng)探明情況，對(duì)煤礦井下?lián)岆U(xiǎn)救災(zāi)十分必要。井下救災(zāi)機(jī)器人必須能夠與地面控制主機(jī) 之i'可建立實(shí)時(shí)、可靠的通信信道，以保證災(zāi)區(qū)視頻、音頻、環(huán)境參數(shù)和控制信號(hào)等各種信息 通暢傳輸。救災(zāi)機(jī)器人也和普通機(jī)器人一樣，主要也是由下下兒大部分組成即：機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)伺 服單元、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)接口，同時(shí)它還增加了防爆部分。在 本文主要

10、討論它的信號(hào)采集傳輸技術(shù)。其信號(hào)采集傳輸主要由機(jī)器人通信接口、無(wú)線自組網(wǎng)通信模塊、有線/無(wú)線自適應(yīng)通信 模塊、上位機(jī)通信接口和遙控主機(jī)控制與顯示模塊組成，其中機(jī)器人通信接口、無(wú)線自組網(wǎng) 通信模塊和計(jì)算機(jī)通信接口以硬件電路為主，是構(gòu)成信息傳輸通道的關(guān)鍵部分。上位機(jī)控制 與顯示模塊為軟件模塊，用于控制通信的方式、傳輸速度等，并顯示井下機(jī)器人通過紅外攝 像儀和拾咅器、多功能氣體采集器來(lái)采集來(lái)的圖像和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3救災(zāi)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成2目前急需研制開發(fā)的應(yīng)急救援通信裝備（1）遇險(xiǎn)人員準(zhǔn)確定位技術(shù)裝備（2）災(zāi)區(qū)繼發(fā)性爆炸危險(xiǎn)性判定技術(shù)裝備（3）高可靠度井下多媒體無(wú)線傳輸技術(shù)裝備（4）區(qū)域預(yù)

11、測(cè)預(yù)警、模擬仿真和推演技術(shù)與裝備（5）礦山應(yīng)急救援通信多功能裝備車2.1遇險(xiǎn)人員準(zhǔn)確定位技術(shù)和裝備目前，我國(guó)礦山地質(zhì)部門的精查數(shù)據(jù)不是十分準(zhǔn)確，各礦山企業(yè)的井下巷道圖也有一定 的出入，歷次救援工作中按圖紙打井下鉆孔時(shí)均有較大的偏差，給救援工作帶來(lái)了一定的閑 難。要想準(zhǔn)確定位井下遇險(xiǎn)人員的位置，若有可用的電話等方式進(jìn)行聯(lián)系是一種途徑，但大 部分情況下，需要通過遇險(xiǎn)人員敲擊巷幫、頂板以及鐵軌等設(shè)施，產(chǎn)生地震波以供地面救援 人員進(jìn)行定位。為此，可以rfidb （radio frequency idcnt i f icat ion）技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用 于井下惡劣環(huán)境中的rssi （received si

12、gnal strength indicator）人員定位原理和方法, 同時(shí)結(jié)合超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和高集成度、低功耗的cc11oo射頻芯片，電源管理，msp430超 低功耗單片機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的礦山應(yīng)急救援搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方 案。設(shè)計(jì)111能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)發(fā)送定位信號(hào)，海量自動(dòng)存儲(chǔ)，rssi定位信息實(shí)時(shí)顯示，同步顯 示被困人員身份信息等功能。2.2災(zāi)區(qū)繼發(fā)性爆炸危險(xiǎn)性判定技術(shù)裝備礦山救護(hù)是一項(xiàng)極具危險(xiǎn)性找作，近年來(lái)多有指戰(zhàn)員犧牲在礦山救護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，其中有近一 半的隊(duì)員犧牲在繼發(fā)性的瓦斯爆炸事故中，教訓(xùn)極為深刻。由于井下災(zāi)區(qū)環(huán)境復(fù)雜，災(zāi)區(qū)氣 體成分和通風(fēng)參數(shù)多變，研發(fā)用于井下災(zāi)區(qū)繼發(fā)性爆

13、炸危險(xiǎn)性的判定技術(shù)和裝備一直是一個(gè) 難題，亟待研究解決。2.3高可靠度井下多媒體無(wú)線傳輸技術(shù)裝備在應(yīng)急救援工作中，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)多媒體資料的獲取與傳輸是非常重耍的，一方面有利于 地面救災(zāi)指揮部和各級(jí)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)決策指揮，另一方面有助于事故調(diào)查和救援案例的分 析。目前，雖然我國(guó)已經(jīng)研制了井下有線（或屮繼）多媒體傳輸設(shè)備，但其體積大、導(dǎo)線（或 中繼站）重量大、布線費(fèi)吋費(fèi)力，給救援人員增加了許多工作量，影響救援進(jìn)度與效果。為 此，研制井下高可靠度井下多媒體無(wú)線傳輸技術(shù)裝備是當(dāng)務(wù)之急2.4區(qū)域預(yù)測(cè)預(yù)警、模擬仿真和推演技術(shù)與裝備國(guó)家安全監(jiān)管總局正在全力推進(jìn)國(guó)家安全生產(chǎn)應(yīng)急平臺(tái)體系建設(shè)，其目的是要在建立一 套包

14、括有關(guān)部委應(yīng)急機(jī)構(gòu)、中央企業(yè)、各省、市等地方安全生產(chǎn)部門應(yīng)急機(jī)構(gòu)以及應(yīng)急救援 隊(duì)伍的互聯(lián)互通、信息共享的應(yīng)急平臺(tái)體系，從而掌握應(yīng)急資源，實(shí)現(xiàn)異地會(huì)商和決策指揮。 然而，在應(yīng)急平臺(tái)體系建設(shè)過程中，區(qū)域預(yù)測(cè)預(yù)警、模擬仿真以及模擬推演是應(yīng)急平臺(tái)體系 建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，如何建立健全區(qū)域預(yù)警、仿真和推演模型，并與事故企業(yè)(包括煤礦井下) 三維圖像相結(jié)合，自動(dòng)采集環(huán)境參數(shù)，疊加顯示在各級(jí)指揮屮心的屏幕上，供領(lǐng)導(dǎo)決策指揮, 是一個(gè)亟待解決技術(shù)裝備難題。2.5礦山急救援通信多功能裝備車礦山應(yīng)急救援多功能裝備車應(yīng)該是具有以下幾大系統(tǒng)，車載束管式礦井安全監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)；復(fù)合式救災(zāi)專用束管纜線；礦井救災(zāi)無(wú)線通信系統(tǒng)；低照

15、度礦用工業(yè)電視系統(tǒng); 礦井人員定位系統(tǒng)；衛(wèi)星通信系統(tǒng)；智能化專家系統(tǒng)軟件役車內(nèi)裝有：快速氣相 色譜分析儀、煤礦束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、災(zāi)區(qū)移動(dòng)電話、呼吸器、紅外測(cè)溫儀、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣，連續(xù)監(jiān)測(cè)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、趨勢(shì)數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)曲線、趨勢(shì)曲線 顯示、打印等功能，并進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)性的智能判別及災(zāi)害預(yù)測(cè)，為救援指揮決策提供科學(xué)的 依據(jù)。3結(jié)束語(yǔ)我國(guó)礦山作業(yè)安全生產(chǎn)已經(jīng)擺到了至關(guān)重要的位置,礦井應(yīng)急通信保障是迫切需要解決 的問題?，F(xiàn)有成熟的可視化技術(shù)，智能機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)為礦山應(yīng) 急救援通信裝備的發(fā)展提供技術(shù)保障。結(jié)合礦山救護(hù)工作特點(diǎn)，礦山應(yīng)急救援通信設(shè)備應(yīng)該 具備“救災(zāi)通訊可視化、救災(zāi)指揮專家化、事故分析科學(xué)化、信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化”等特色，使 礦山應(yīng)急救援通信裝備更加適應(yīng)現(xiàn)有礦山救援的需求，有效保障廣大救護(hù)隊(duì)員和遇險(xiǎn)礦工的 生命安全。參考文獻(xiàn)1 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)察管理總局.煤礦安全規(guī)程m.北京：煤