0 前言

要实现我国矿山由传统的劳动密集型产业向技术密集型产业的升级，解决矿山安全、低耗、高效的开采问题，关键是要建立和完善矿山资源、环境、生产状态的实时监测监控、分析、评价、决策与调度管理体系。实施矿山生产实时管理的基础是信息的实时采集、传输和分析。

传统矿山井下各种监测、监控系统繁多，目前这些监测、监控系统仍处于相互独立的状态。各种系统自成体系，信息不能互通，造成通信线路重复投资，重复建设，系统维护量增大，整体可靠性差，维修、维护困难。特别是大量“信息孤岛”的存在，使信息不能综合利用，难以从系统工程的整体角度来对矿山进行统一的自动化调度管理^[1~2]。

随着矿山生产现代化程度的不断提高，矿山生产将在开采信息数字化、集成化的基础上，向智能化开采迈进。笔者针对矿山信息数字化对通信系统的要求，在分析现有的通信技术的基础上，构建了基于漏泄通讯技术的矿山井下综合通信网络。

1 矿山井下综合通信网络的功能要求

与全部开采过程有关的信息的数字化，是矿山开采实施智能化，最终迈向自动化的基础^[3]。

实时管理是矿山开采智能化的核心，它包括以下内容：①矿井生产环境的安全监测与预警；②生产设备的工况监测与自动控制；③生产过程的监控、优化与调度。实时管理的关键是监控中心与开采现场信息的实时交流及远程共享。要把与开采过程有关的、分散的信息集成起来，实现共享、分析与应用，必须建立高速、双向、大容量的矿山井下综合通信网络。综合通信网络应满足以下要求：

(1) 传输信息类型的综合性，即同一网络应能够同时传输语音、图像、数据等各种信息，使语音、视频、数据三网合一。

(2) 通信接入方式综合：①普通有线接入方式，如一般的监测、监控系统的分站等。②无线接入方式，如流动人员及移动车辆和设备的移动通信以及巷道末端通信等。

(3) 能够实现直接、双向的TCP/IP网络通讯，从而构建矿山井下Intranet, 并与Internet链接，使矿山拥有一个一体化的网络平台，所有信息都通过此网络传输。

2 矿山井下综合通信网络的传输介质选择

在构建矿山井下综合通信网络时存在这样一个技术难题，即如何实现井下无线通讯。这是因为：

(1) 传统的矿山信息传输是以铜缆或光缆为传输媒介的有线通讯，该通讯方式只能适用于固定地点和场所，对移动设备和流动作业等不能适应^[4]，且通讯手段大部分还停留在单一的电话通讯时代^[5]。

(2) 地面无线电移动通讯已是比较成熟的技术，然而无线电电波在自由空间传播时才具有良好的效果，它不适应于分散的、狭长的矿井巷道^[4]。

(3) 目前，矿山井下移动通信主要有载波通信、感应通信、中、低频无线通信、超低频无线通信等几种方式，但它们都存在这样或那样的局限性，只能实现局部通讯或者某种单一通讯功能，不能用来构建井下综合通信网络。

20世纪50年代末，德国科学家发现利用井下广泛分布的金属导体(如钢轨、钢管、电缆等)为媒介，可以实现一种既象无线电、又象有线电的通讯技术，并将之称为“感应电话”。然而，由于井下各种磁场、噪声的干扰，经常出现声音混杂、话语不清和出现“一呼百应”的局面。为克服此缺陷，受生物通讯的启发，人们在“感应电话”的基础上，提出了一种基于仿生学原理的“无线电漏泻通讯技术”。这项技术以“漏泄电缆”为传播媒介，是近年来国际上采用的最先进的井下通信技术^[6]。漏泄电缆将成为井下综合通信网络的传输介质的最佳选择。这是因为：

(1) 漏泄同轴电缆是一种将信号传输、发射及接收特性融为一体的高频传输线。漏泄电缆有意减小横向屏蔽, 使电磁波能量可以部分地从电缆内泄漏到电缆外。其作用类似于传输线和天线的组合体, 射频电磁波能够沿着漏泄电缆一边传输，一边向周围空间辐射，在电缆周围形成一个连续的无线电波漏泄场，这样巷道任何截面都有足够的无线电波场强，同时漏泄电缆也能接受它周围的无线电波，就象一个超长的天线，通过和流动天线之间的双向可逆藕合，从而实现矿井巷道中的移动通信。但是，电磁波在漏泄电缆传输过程中必然产生衰减，而采用双向中继放大技术有效解决了这一问题^[7]。

(2) 同一根漏泄同轴电缆可以在80、150、400、900、1500MHz等多个频段上同时工作^[8]。仅敷设一根漏泄电缆，可以同时实现数据、语音、视频等多种通信，并可实现宽带接入，从而实现“一缆多用”。

3 语音通讯与井下Intranet共享综合通信网络的构建

通过分析漏泄通讯技术的原理，结合矿山开采智能化对通信网络的要求，根据现场总线概念和局域网组网技术，参考国内外比较成熟的通信系统，笔者架构了基于漏泄通讯技术的井下综合通信网络，网络拓扑结构如图 1。

通信网络以漏泄电缆为传输通道，以前端单元为中心呈树枝状组网，把漏泄电缆敷设到井下的任何巷道中，组成全矿规模的无线电通讯网。它为语音通讯和井下局域网分别提供窄带无线电通道和宽带数据通道，彼此互不干扰，从而建立共介质的语音通讯系统和井下数字局域网络。

地下矿山智能化化开采的最终目标是实现自动化无人开采，但就目前的技术来讲还不能完全实现无人开采，井下还是需要一定的人员辅助机器开采，因此语音通讯仍是收集信息和指挥生产调度必不可少的手段。语音系统利用漏泄电缆提供的窄带无线电通道传输信号。井下无绳电话(手持电话、重型车载无线电话)通过和漏泄波的双向耦合，实现和控制中心同时双向通话，并且可进一步通过地面天线实现和地面移动手持台通话。语音系统通过内联装置实现和公用电话网络对接。

采用Cable Modem技术实现以漏泄电缆为传输通道的宽带接入，从而组建井下局域网络。Cable Modem进行数据通信时主要由前端CMTS(Cable Modem Termination System)和终端Cable Modem组成，下行数据先由前端CMTS进行射频调制，再用频分复用方式同模拟语音信号混合，然后经漏泄电缆和双向放大器向井下传输，终端Cable Modem是用户设备与通信网络的接口，Cable Modem备有以太网的标准接口，它可与单个或多个用户终端相连接。Cable Modem负责接收下行数据，经解调后送到用户终端，同时把上行信号进行射频调制，经漏泄电缆传向前端机房。CMTS前端单元进行上、下行数据之间的传输频率转换。CMTS服务器是CM的核心部分，CMTS用来控制和管理CM及整个局域网，具有自诊断功能。

井下局域数字网络采取TCP/IP通信协议，每个具有监测监控或故障检测功能的设备都有一个IP地址，实现了Data over IP、Video over IP、Voice over IP的三网合一。该网络通过CMTS设备与因特网连接，这样任一台联网的计算机经授权均能直接查阅有关的信息，或向井下发送有关的信息，从而实现矿山生产过程的远程浏览和生产安全的远程监控，为各级安全管理部门实时监管、矿山灾害预警及事故会商等提供了解决方案。特别是国家正在推广的Ipv6新一代互联网具有网址多、速度快、安全性强的特点，使需要大量IP地址传感器的矿山安全实时、远程监控成为可能。

信息传到监控中心以后，在软件系统的支持下实现信息的共享、分析与应用。整个中心站软件系统用Client/Server(客户/服务器)结构来建立, 见图 1的中心站部分。Server是为其他应用程序(即Client)提供数据的矿山综合数据库, 该数据库除了从现场传来的实时数据外，还包括各种历史数据，如矿山测量、地质勘探、矿井三维空间等各种数据。而Client则是根据服务器提供的数据完成特定功能的各个应用程序系统，如人员、车辆追踪系统，微震监测系统，自动调度系统等。

4 结论

通过矿山井下综合通信网络把开采过程与矿山设计、矿山计划以及生产控制集成在一起，必将推动矿山数字化的长足发展。与全部开采过程相关联的信息尽管很分散，但由于综合通信网络的存在，这些信息能够很好集成在一起，为矿山实时管理提供及时的、精确可靠和恰当的数据，保证矿山的高产高效和安全生产，从而达到最优经济生产目的。