煤炭是我國(guó)的重要能源，煤礦安全歷來(lái)廣受關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，2005~2009年全國(guó)煤礦共發(fā)生重大以上事故183起，死亡4 272人，煤礦重大事故總數(shù)和死亡人數(shù)依舊很大，煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻。而要打造信息化數(shù)字礦井，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障之一便是組建快速、可靠的井下通信監(jiān)控系統(tǒng)。
    目前煤礦井下通信監(jiān)控系統(tǒng)主要采用的是以井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為核心，主從式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式監(jiān)控，如KJ95、KJ28、KJ122等。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)開(kāi)放性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全可靠，可以為監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供快速的數(shù)據(jù)傳輸通道，最大程度地實(shí)現(xiàn)全礦井安全監(jiān)控[2]。盡管如此，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)也存在不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 井下工業(yè)以太網(wǎng)主要以環(huán)網(wǎng)形式組網(wǎng)，在井下特殊環(huán)境下，光纜布置困難，光纖浪費(fèi)嚴(yán)重; (2)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式下每個(gè)設(shè)備都是有源設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障需要檢修或設(shè)備需要擴(kuò)容時(shí)，設(shè)備需要斷電，如果環(huán)上兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)掉電，可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓,影響礦井正常安全生產(chǎn);(3)整個(gè)環(huán)網(wǎng)中井上到井下的帶寬不高，限制了視頻監(jiān)控等大流量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。主從式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，各監(jiān)控分站可以輪詢獲得信道訪問(wèn)控制權(quán)，有效地避免了總線沖突，在一般的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多。但主從式通信結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸效率低，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性差，極易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互控、危險(xiǎn)區(qū)域快速控制等關(guān)鍵問(wèn)題。
    針對(duì)上述問(wèn)題，本文在借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[3-6]，提出一種新的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用千兆以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(GEPON)技術(shù)和基于LonWorks總線的多主通信分站的模式，是一種基于GEPON混合網(wǎng)絡(luò)控制的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于開(kāi)放性通信協(xié)議，采用主干、分支多環(huán)冗余與LonWorks總線接入相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)模型,系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備具有多主并發(fā)、對(duì)等高速率通信的功能，可實(shí)現(xiàn)井下危險(xiǎn)區(qū)域異地快速響應(yīng)控制、異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，安全可靠，在礦井突發(fā)事件下能穩(wěn)定運(yùn)行。
1 新型煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)
    本文在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建新型監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論，由控制層、設(shè)備層和信息層三部分組成。

    控制層部分主要是礦用GEPON系統(tǒng)，包括光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）、無(wú)源分光器（POS）。上述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的芯片設(shè)計(jì)。設(shè)備電源電路內(nèi)部和引出線部分，在正常工作或故障狀態(tài)下，所產(chǎn)生的電火花均不足以引燃井下特殊環(huán)境中的爆炸性混合物。設(shè)備內(nèi)線路板布線、電感和電容布置、接地方法均考慮充分，滿足本安電路設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)具備本質(zhì)安全、防爆特性。
    GEPON系統(tǒng)中，OLT1和OLT2均處于工作狀態(tài)中，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)備份。ONU1~ONUm和ONU1+m~ONUn通過(guò)OLT1、OLT2的兩個(gè)PON接口，分別實(shí)現(xiàn)雙總線和雙星型“手拉手”全倒換保護(hù)模式。OLT、ONU均具有鏈路狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)功能，當(dāng)設(shè)備、線路等出現(xiàn)故障或設(shè)備需要擴(kuò)容時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)快速倒換，并在故障排除或擴(kuò)容完成后，自動(dòng)還原。如圖2所示，假設(shè)ONU3~ONUm通往OLT1的主支路光纖段“13”斷開(kāi)，ONU3~ONUm便會(huì)在不大于0.3 s的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)備用支路光纖段“7”、“10”、“12”、“11”自動(dòng)倒換注冊(cè)到設(shè)備OLT2上，設(shè)備ONU1、ONU2通往OLT1的光纖段“1”、“2”、“3”、“4”保持主支路性能不變，設(shè)備ONU1、ONU2通往OLT2的光纖段“5”、“6”、“8”、“9”做備用支路。同理，如圖3所示，假設(shè)ONU1的PON接口處因故障斷開(kāi)，ONU1便會(huì)在不大于0.3 s的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)備用支路光纖段“5”、“8”、“9”、“10”、“11”自動(dòng)倒換注冊(cè)到設(shè)備OLT2上，設(shè)備ONU2~ONUm通往OLT1的光纖段“1”、“2”、“4”、“13”、“14”、“15”、“16”保持主支路性能不變,設(shè)備ONU2~ONUm通往OLT2的光纖段“6”、“7”、“12”做備用支路。OLT與ONU之間信號(hào)傳輸采用窄芯單模光纖，傳輸頻帶寬、容量大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，適用于煤礦井下特殊環(huán)境中的高速度、長(zhǎng)距離傳輸。POS分布在EPON網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)，采用全無(wú)源密封方式設(shè)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生任何電火花或電弧，防水防塵等級(jí)為IP65，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，基本不需要維護(hù)，適合井下特殊環(huán)境使用。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，和井下巷道分布接近，光纖布置簡(jiǎn)單方便。系統(tǒng)具有較大的傳輸帶寬，每個(gè)PON口帶寬可達(dá)雙向1.25 GHz，在使用多個(gè)PON口配合多個(gè)主干光纖的條件下，帶寬將線性增大。如果配合監(jiān)控電視墻，可以在費(fèi)用無(wú)明顯增多的情況下，完成井下多點(diǎn)同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)管理方式簡(jiǎn)單，通過(guò)網(wǎng)管服務(wù)器，在地面就可以完成所有設(shè)備管理，可以做到ONU即插即用。系統(tǒng)中ONU還提供多個(gè)10/100BASE-T電接口和100BASE-FX光接口，方便監(jiān)控?cái)z像頭和IP電話等設(shè)備直接接入。

    設(shè)備層主要是基于LonWorks總線的二級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。LonWorks是美國(guó)Echelon公司研發(fā)的一種高性能、低成本的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)[7],具有真正的開(kāi)放性與互操作性、靈活多變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)對(duì)等通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于樓宇自控系統(tǒng)、消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域[8]。本文設(shè)計(jì)的基于LonWorks總線的二級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)級(jí)總線的監(jiān)控分站、基于LonWorks設(shè)備級(jí)總線的傳感器節(jié)點(diǎn)和通信接入網(wǎng)關(guān)。監(jiān)控分站之間采用無(wú)主多點(diǎn)對(duì)等通信結(jié)構(gòu)，即使某個(gè)分站發(fā)生故障，也不會(huì)影響到系統(tǒng)中其他分站的正常工作，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低了系統(tǒng)維護(hù)難度與費(fèi)用。系統(tǒng)各分站地位平等，每個(gè)分站均能獨(dú)立完成信息采集、通信和控制功能，分站與分站之間可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)聯(lián)控。同一個(gè)ONU下的分站與分站之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互控只需要通過(guò)LonWorks總線傳輸命名信息就可以完成，不同ONU下的分站之間相互通信，需要通過(guò)該ONU的上一級(jí)OLT進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)交換時(shí)間可以忽略不計(jì)。傳感器與分站之間采用LonWorks總線，一方面可以加大通信距離，滿足煤礦特殊環(huán)境下的布線要求，另一方面可以減少線纜數(shù)量，節(jié)約成本，且很易實(shí)現(xiàn)傳感器熱插拔，系統(tǒng)擴(kuò)容、維護(hù)方便。通信網(wǎng)關(guān)的功能是完成LonWorks總線與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的信息共享。
　信息層位于地面，主要由地面中心站、地面交換機(jī)及冗余設(shè)備等組成。監(jiān)控系統(tǒng)在井下完成互聯(lián)互控后，地面中心站不再對(duì)分站進(jìn)行定時(shí)巡檢，主要負(fù)責(zé)瀏覽井下各OLT、ONU、監(jiān)控分站、傳感器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作狀態(tài)和監(jiān)控信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、告警、分析、處理、報(bào)表打印等，便于工作人員及時(shí)掌握井下設(shè)備的運(yùn)行狀況，做到安全可靠監(jiān)控。
2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究
2.1 GEPON系統(tǒng)通信原理與技術(shù)
　礦用GEPON系統(tǒng)中，OLT與ONU之間使用單模光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最大傳輸距離達(dá)20 km。在單芯光纖上通過(guò)波分復(fù)用方式(WDM)，采用1 490 nm和1310 nm兩種不同波長(zhǎng)的光，實(shí)現(xiàn)信息全雙工傳輸。為完成同一根光纖上與多個(gè)用戶間的雙向通信，信號(hào)傳輸采用下行廣播、上行時(shí)分多址方式(TDMA)。
    如圖4所示，設(shè)OLT下3個(gè)ONU入網(wǎng)注冊(cè)成功后，每個(gè)ONU獲得唯一一個(gè)邏輯鏈路識(shí)別地址（LLID），EPON下行方向采用廣播方法處理傳送802.3以太網(wǎng)幀，OLT根據(jù)802.3幀目的ONU在802.3幀的前導(dǎo)碼中打上不同LLID，并時(shí)分復(fù)用至傳輸鏈路，然后廣播到該OLT下所有ONU，每個(gè)ONU能收到所有下發(fā)數(shù)據(jù)，ONU把接收到的幀前導(dǎo)碼中LLID與OLT分配給自己的LLID進(jìn)行比較，如果兩者完全一致，則接收并轉(zhuǎn)發(fā)該802.3幀，否則丟棄該幀。

    EPON數(shù)據(jù)流上行采用TDMA方式。OLT與ONU之間為主從管理模式，ONU上行方向的時(shí)分復(fù)用由OLT控制，OLT下所有ONU進(jìn)行時(shí)鐘同步，OLT給每個(gè)ONU分配一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙能保證傳輸多幀數(shù)據(jù)。每個(gè)ONU只在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)向OLT上傳數(shù)據(jù)。時(shí)隙劃分包括靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配，時(shí)隙分配需考慮各ONU與OLT之間的距離差別。
2.2 EPON系統(tǒng)測(cè)距與時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)
    從上文可知,實(shí)現(xiàn)EPON數(shù)據(jù)上行TDMA方式，需要OLT與ONU之間時(shí)鐘同步。但礦井巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，井下布置的各ONU與OLT之間的物理距離差別很大，僅OLT與ONU之間時(shí)鐘同步，不能確保各ONU上傳數(shù)據(jù)集中到OLT時(shí)不產(chǎn)生碰撞。因此，為實(shí)現(xiàn)井下EPON信號(hào)真正的同步傳輸，要進(jìn)行OLT與ONU間的測(cè)距。傳統(tǒng)測(cè)距方法有帶內(nèi)開(kāi)窗法、擴(kuò)頻法、正弦波法，但這些方法或者測(cè)距精度較低，或者影響業(yè)務(wù)QoS，或者技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本較高[7]。本文采用性價(jià)比較高的時(shí)間標(biāo)記法（Time Stamp）進(jìn)行測(cè)距。
    EPON測(cè)距主要是獲取從“OLT→ONU→OLT”往返傳輸時(shí)間，即Round Trip Time（RTT）值，再對(duì)RTT值延時(shí)補(bǔ)償，使OLT與各ONU之間具有相等的邏輯距離。Time Stamp測(cè)距方法如圖5所示[8]。OLT在絕對(duì)時(shí)間T1下播時(shí)間戳（Timestamp）為T1的授權(quán)（GATE）信息，經(jīng)下行傳輸鏈路延時(shí)Tdw，某一已啟動(dòng)的ONU在絕對(duì)時(shí)間T2監(jiān)測(cè)到一個(gè)GATE信息時(shí)，根據(jù)Timestamp T1將本地時(shí)鐘調(diào)整為T1，然后在絕對(duì)時(shí)間T3上傳一個(gè)在線響應(yīng)數(shù)據(jù)幀REPORT，此時(shí)，REPORT中本地Timestamp為T4；經(jīng)上行傳輸鏈路延時(shí)Tup，OLT在絕對(duì)時(shí)間T5接收到該REPORT幀，其Timestamp為T4。

式中，Gj(i+1)代表第j次輪詢周期中第(i+1)個(gè)ONU獲得的發(fā)送時(shí)隙的起點(diǎn)，RTTi為第i個(gè)ONU的RTT值，Wj(i)是第j次輪詢周期中OLT分配給第i個(gè)ONU的發(fā)送時(shí)隙寬度，Ru為ONU與OLT間的通信速率，P為安全保護(hù)間距。
2.3 多分站通信沖突避免機(jī)制與多主通信協(xié)議制定
    當(dāng)多個(gè)分站同時(shí)向同一LonWorks總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)并發(fā)沖突。為解決這一問(wèn)題，本文采用可預(yù)測(cè)的CSMA算法(Predictive P-Persistant CSMA)[11]，該算法是對(duì)傳統(tǒng)CSMA算法的改進(jìn)。當(dāng)總線上某個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到信道空閑時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間被隨機(jī)分配到N個(gè)時(shí)隙上，以概率P=1/N在一個(gè)隨機(jī)分配的時(shí)隙發(fā)送報(bào)文,其中，N=16×Q，Q為某一時(shí)刻總線上將要發(fā)送的報(bào)文數(shù)目，即該時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)負(fù)載， LonWorks總線報(bào)文大部分帶有應(yīng)答服務(wù)，Q值可以預(yù)測(cè),當(dāng)預(yù)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，隨機(jī)發(fā)送時(shí)隙數(shù)隨之增加,降低了發(fā)送包產(chǎn)生沖突的概率。該算法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，仍能保持很高的吞吐量，不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
    要實(shí)現(xiàn)煤礦井下多分站的互聯(lián)互控，保證通信穩(wěn)定、可靠，通信協(xié)議的制定非常關(guān)鍵。本文根據(jù)煤礦井下通信特點(diǎn)制定協(xié)議，部分內(nèi)容如下：
   分站發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式：

其中，幀頭為2E，占1 B；分站類型包括A型分站、B型分站、信集閉分站、人員定位分站等，分別用A、B、C、D……的ASCII碼表示；分站號(hào)用數(shù)字1~64的16進(jìn)制表示；通信狀態(tài)包括通信是否誤碼和中斷，各占1個(gè)字節(jié)段，通信是否誤碼字節(jié)段中，01代表通信誤碼，00代表通信正常，通信是否中斷字節(jié)段，01代表通信中斷，00代表通信正常；返回?cái)?shù)據(jù)是一個(gè)變長(zhǎng)值，主要存儲(chǔ)改變的信息，最多可以存4個(gè)傳感器采集的信息，幀長(zhǎng)度計(jì)算該幀占用的字節(jié)數(shù)，便于上位機(jī)或其他分站隊(duì)列讀取與存儲(chǔ)。
    分站發(fā)送命令幀格式：

    命令幀一般實(shí)時(shí)性要求較高，因此長(zhǎng)度較短。幀格式中，分站號(hào)占一個(gè)字節(jié)，代表分站地址，命令類型中:00表示復(fù)位命令，01表示采集命令，02表示手控命令；數(shù)據(jù)段中代表命令控制內(nèi)容，如，對(duì)采集命令，01表示采集溫度傳感器值，02表示采集風(fēng)速傳感器值，03表示采集壓力傳感器值，04表示采集信號(hào)機(jī)狀態(tài)，對(duì)手控命令，00表示1號(hào)風(fēng)機(jī)停機(jī)，01表示1號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。
    本文針對(duì)目前我國(guó)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究了一種新型煤礦安全高可靠性監(jiān)控系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)該結(jié)構(gòu)模型的魯棒性進(jìn)行了分析，即使某點(diǎn)發(fā)生故障，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速切換，不影響煤礦安全生產(chǎn)，系統(tǒng)采用GEPON與LonWorks總線的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備互聯(lián)互通，危險(xiǎn)區(qū)域異地快速控制，為提高煤礦安全技術(shù)裝備水平，減少和控制煤礦重特大災(zāi)害事故的發(fā)生提供了有效途徑。
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