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煤矿应急救援通信技术的现状与趋势

更新时间：2019-12-12 16:24:38 大小：3M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：通信技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

在煤矿事故后的灾区侦察和应急救援中,应急通信系统是保障人员沟通联络、确定受困人员位置、感知灾区现场态势的必备设施.提炼了煤矿应急通信系统的总体架构模型,即一个骨干、多个分支、若干专线,辅以无线通信网络的结构模式.综述了主要的煤矿有线应急通信系统、无线应急通信系统、透地应急通信系统和混合应急通信系统的发展现状,分析了各种系统的关键技术和在应急救援场景中面临的挑战.探讨了煤矿应急通信技术的发展趋势,提出了基于煤矿物联网重构的应急通信新模式,讨论了该模式需要解决的关键技术,即煤矿物联网灾后重构策略、矿井事故漂移节点重定位方法、矿井事故区域的态势感知方法和灾后重构网络的数据传输方法,有望显著提高事故应急处置速度和救援效果.

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第 40 卷第 5 期  
2019 年 5 月  
通
信
学
报
Vol.40 No.5  
May 2019  
Journal on Communications  
煤矿应急救援通信技术的现状与趋势  
胡青松 1,2，杨维 3，丁恩杰 1,4，李世银 1，李冰皓 2  
（1. 中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏 徐州 221008；2. 新南威尔士大学矿物与能源资源工程学院，悉尼 2052；  
3. 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；4. 中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心，江苏 徐州 221008）  
摘 要：在煤矿事故后的灾区侦察和应急救援中，应急通信系统是保障人员沟通联络、确定受困人员位置、感知  
灾区现场态势的必备设施。提炼了煤矿应急通信系统的总体架构模型，即一个骨干、多个分支、若干专线，辅以  
无线通信网络的结构模式。综述了主要的煤矿有线应急通信系统、无线应急通信系统、透地应急通信系统和混合  
应急通信系统的发展现状，分析了各种系统的关键技术和在应急救援场景中面临的挑战。探讨了煤矿应急通信技  
术的发展趋势，提出了基于煤矿物联网重构的应急通信新模式，讨论了该模式需要解决的关键技术，即煤矿物联  
网灾后重构策略、矿井事故漂移节点重定位方法、矿井事故区域的态势感知方法和灾后重构网络的数据传输方法，  
有望显著提高事故应急处置速度和救援效果。  
关键词：煤矿事故；应急救援；应急通信；通信网络；煤矿物联网  
中图分类号：TD676  
文献标识码：A  
doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2019123  
State-of-the-art and trend of emergency rescue  
communication technologies for coal mine  
HU Qingsong1,2, YANG Wei3, DING Enjie1,4, LI Shiyin1, LI Binghao2  
1.School of Information and Control Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China  
2. School of Minerals and Energy Resources Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, Australia  
3. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China  
4. Internet of Things (Perception Mine) Research Center, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China  
Abstract: For the disaster area probing and emergency rescue in a mine, it is of great importance to employ the emergency  
communication system to communicate with each other, determine the places of trapped miners, and sense current status of  
disaster area. The hybrid emergency communication architecture model for coal mines was extracted, which was composed  
of one backbone, multiple branches, several special lines, and some wireless networks as assistance. Four types of emergen-  
cy communication systems of coal mine were reviewed, namely through-the-air, through-the-wire, through-the-earth and  
mixed medium type. The key technologies and challenges of these four emergency communication types were analyzed. The  
research trend was discussed and a new emergency communication mode based on the reconstruction of mine Internet of  
things was proposed. The main enabling technologies of this new emergency communication mode were analyzed, namely  
post-disaster reconstruction of mine Internet of things, shifting nodes re-localization after mine disaster, status sensing meth-  
od of mine disaster area, and data transmission method for post-disaster reconstruction network.  
Key words: coal mine disaster, emergency rescue, emergency communication, communication network, mine Internet of  
things  
收稿日期：2018–12–26；修回日期：2019–04–25  
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51874299, No.61771474）；江苏省科技成果转化专项基金资助项目（No.BA2016016）  
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.51874299, No.61771474), Special Funds for Transfor-  
mation of Scientific and Technological Achievements in Jiangsu Province (No.BA2016016)  
2019123-1  
万方数据  
·164·  
通
信
学
报
第 40 卷  
联网重构的应急通信模式，为矿井应急通信研究  
提供一定借鉴。  
1 引言  
煤炭在我国一次能源的生产和消费中占有重  
要地位，我国煤炭开采长期遭受瓦斯、水害、顶  
板等事故的困扰[1]。尽管绝大多数矿井部署了通  
信联络、灾害预警等辅助系统，但是重大事故仍  
时有发生，造成的人员伤亡依然十分严重。因此，  
在煤炭主体能源地位无法替代、煤矿事故无法完  
全避免的情况下，提升煤矿事故应急处置和救援  
能力已上升为国家战略：国家安全生产“十三五”  
规划明确将“应急救援能力建设工程”作为八大  
重点建设工程之一，煤矿安全生产“十三五”规  
划要求“提升煤矿事故应急处置能力，完善煤矿  
应急救援体系”。  
根据《煤矿安全规程》的规定[2]，事故救援  
前必须进行灾区侦察，根据探测到的事故地点、  
波及范围、灾区人员分布、潜在危险等因素制定  
救援方案和实施救援。在灾区侦察和事故救援中，  
迫切需要建立救援人员和地面救援指挥中心的通  
信联系，确定被困人员及事故的位置，帮助救援  
指挥人员掌握现场态势。尽管各种有线或无线通  
信设施在生产监测控制和灾害预测预警中发挥了  
巨大作用，但是一旦发生事故，事故区域的部分  
通信节点和感知节点将会在事故中损毁，导致有  
线通信线路中断，无线节点难以组网，进而导致  
沟通联络没有保障，人员位置无从知晓，现场感  
知难以进行。显然，为救援工作大规模部署有线  
或无线设施不太现实，因此，建设可靠的应急通  
信系统，利用残存资源和少量新添设备，满足事  
故救援所需的沟通联络等需求，是实现及时有效  
救援的重要保障。  
2 煤矿应急救援的通信需求与总体架构  
矿井应急通信系统是整个煤矿通信系统的有  
机组成部分，旨在建立起救援一线与地面救援指挥  
中心的通信联系，服务于煤矿灾后探查和应急救  
援。本节通过分析煤矿应急救援的通信需求，构建  
煤矿应急通信系统的架构体系。  
2.1 煤矿应急救援的通信需求分析  
如上文所述，当前煤矿的做法通常是将为正常  
生产而部署的煤矿通信系统兼做应急救援网络，因  
此有必要考察一般煤矿通信系统的影响因素。煤矿  
通信系统的结构选择受多个互相矛盾的因素制约，  
主要包括以下 3 个方面。  
1) 数据类型多样。煤矿安全生产数据既包括  
机械化设备的运行状态、井下作业人员的位置信  
息和生命体征、煤矿巷道内的环境信息，也包括  
安装于井下关键区域的监控视频，以及地面和井  
下或井下不同区域之间的语音或视频等。此外，  
随着煤矿生产过程的推进，新的数据需求还会不  
断产生。因此，矿井骨干传输网络的吞吐量必须  
足够大，以保证大量异构煤矿安全生产数据的有  
效传输。  
2) 传输及时可靠。只有准确掌握生产现场的  
一手资料，地面决策指挥人员才能全面掌控井下  
的动态生产情况，以便进行有针对性的安全监控  
和生产调度。同时，及时准确地将地面调度指令  
传输到指定人员和设备，是保证生产效率和安全  
水平的必备条件。因此，煤矿通信中的传输可靠  
不但体现了无丢失、无差错的基本要求，而且包  
含了时延、时延抖动、确定性等 QoS(quality of  
service)约束。  
矿井应急救援通信系统必须具有灾变情况下  
的顽存能力、灾变后的按需重构能力，以及通信  
与感知并重的特性。然而，当前煤矿中有的没有  
安装应急通信系统，仅仅部署了用于正常生产的  
矿用通信网络；有的虽然部署了应急通信系统，  
但只是地面网络系统的简单移植，使用效果并不  
佳。随着有线/无线通信技术的迅猛发展，以及物  
联网和云计算的快速成熟，矿井应急通信呈现出  
可重构化、协同化、云计算化[3]，甚至“空天地  
井”联合优化的趋势[4]。本文拟对矿井应急通信  
的基本原理、发展现状、主要挑战和发展趋势进  
行全方位的综述，并提出一种新颖的基于煤矿物  
3) 部署方便灵活。井下多数巷道（特别是主干  
巷道）是固定不变的，适合部署高带宽大容量的有  
线通信系统。另一方面，综采工作面和掘进工作面  
等巷道随着开采的推进而动态变化，适合部署成本  
低廉、结构可变、移动灵活的移动网络。另外，没  
有主干网络的分支巷道，也宜使用无线网络系统作  
为有线网络的有益补充，以便扩大通信网络系统的  
覆盖范围。  
煤矿应急救援场景下通信联络的目的与正常生  
产情况有很大差别。正常生产情况下，所有通信和信  
2019123-2  
万方数据  

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