煤炭是我國的重要能源，煤礦安全歷來廣受關注。據(jù)統(tǒng)計[1]，2005~2009年全國煤礦共發(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)形勢仍然十分嚴峻。而要打造信息化數(shù)字礦井，實現(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)絡監(jiān)控系統(tǒng)接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)多點分布式監(jiān)控，如KJ95、KJ28、KJ122等。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)開放性好、實時性強、安全可靠，可以為監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)提供快速的數(shù)據(jù)傳輸通道，最大程度地實現(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，光纖浪費嚴重; (2)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式下每個設備都是有源設備，當設備出現(xiàn)故障需要檢修或設備需要擴容時，設備需要斷電，如果環(huán)上兩個或兩個以上的節(jié)點掉電，可能導致整個網(wǎng)絡癱瘓,影響礦井正常安全生產(chǎn);(3)整個環(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)的應用。主從式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)結構簡單、容易實現(xiàn)，各監(jiān)控分站可以輪詢獲得信道訪問控制權，有效地避免了總線沖突，在一般的實時監(jiān)控系統(tǒng)中應用較多。但主從式通信結構數(shù)據(jù)傳輸效率低，且網(wǎng)絡結構可靠性差，極易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷，無法實現(xiàn)設備間互聯(lián)互控、危險區(qū)域快速控制等關鍵問題。
    針對上述問題，本文在借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上[3-6]，提出一種新的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用千兆以太無源光網(wǎng)絡(GEPON)技術和基于LonWorks總線的多主通信分站的模式，是一種基于GEPON混合網(wǎng)絡控制的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于開放性通信協(xié)議，采用主干、分支多環(huán)冗余與LonWorks總線接入相結合的網(wǎng)絡模型,系統(tǒng)中各網(wǎng)絡控制設備具有多主并發(fā)、對等高速率通信的功能，可實現(xiàn)井下危險區(qū)域異地快速響應控制、異構系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。系統(tǒng)魯棒性強，安全可靠，在礦井突發(fā)事件下能穩(wěn)定運行。
1 新型煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)
    本文在國內(nèi)外現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的研究基礎上，構建新型監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構模型，如圖1所示。系統(tǒng)結構符合現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論，由控制層、設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)絡單元（ONU）、無源分光器（POS）。上述網(wǎng)絡設備均采用低功耗、抗干擾能力強的芯片設計。設備電源電路內(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，滿足本安電路設計要求。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，同時進行監(jiān)控數(shù)據(jù)備份。ONU1~ONUm和ONU1+m~ONUn通過OLT1、OLT2的兩個PON接口，分別實現(xiàn)雙總線和雙星型“手拉手”全倒換保護模式。OLT、ONU均具有鏈路狀態(tài)自動檢測功能，當設備、線路等出現(xiàn)故障或設備需要擴容時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動快速倒換，并在故障排除或擴容完成后，自動還原。如圖2所示，假設ONU3~ONUm通往OLT1的主支路光纖段“13”斷開，ONU3~ONUm便會在不大于0.3 s的時間內(nèi)，通過備用支路光纖段“7”、“10”、“12”、“11”自動倒換注冊到設備OLT2上，設備ONU1、ONU2通往OLT1的光纖段“1”、“2”、“3”、“4”保持主支路性能不變，設備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ONU1的PON接口處因故障斷開，ONU1便會在不大于0.3 s的時間內(nèi)，通過備用支路光纖段“5”、“8”、“9”、“10”、“11”自動倒換注冊到設備OLT2上，設備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，適用于煤礦井下特殊環(huán)境中的高速度、長距離傳輸。POS分布在EPON網(wǎng)絡各點，采用全無源密封方式設計，不會產(chǎn)生任何電火花或電弧，防水防塵等級為IP65，運行穩(wěn)定、可靠，基本不需要維護，適合井下特殊環(huán)境使用。系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構靈活，和井下巷道分布接近，光纖布置簡單方便。系統(tǒng)具有較大的傳輸帶寬，每個PON口帶寬可達雙向1.25 GHz，在使用多個PON口配合多個主干光纖的條件下，帶寬將線性增大。如果配合監(jiān)控電視墻，可以在費用無明顯增多的情況下，完成井下多點同時實時監(jiān)控。系統(tǒng)管理方式簡單，通過網(wǎng)管服務器，在地面就可以完成所有設備管理，可以做到ONU即插即用。系統(tǒng)中ONU還提供多個10/100BASE-T電接口和100BASE-FX光接口，方便監(jiān)控攝像頭和IP電話等設備直接接入。

    設備層主要是基于LonWorks總線的二級分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)。LonWorks是美國Echelon公司研發(fā)的一種高性能、低成本的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡[7],具有真正的開放性與互操作性、靈活多變的網(wǎng)絡拓撲結構、節(jié)點對等通信能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于樓宇自控系統(tǒng)、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等領域[8]。本文設計的基于LonWorks總線的二級分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)包括基于LonWorks現(xiàn)場級總線的監(jiān)控分站、基于LonWorks設備級總線的傳感器節(jié)點和通信接入網(wǎng)關。監(jiān)控分站之間采用無主多點對等通信結構，即使某個分站發(fā)生故障，也不會影響到系統(tǒng)中其他分站的正常工作，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了系統(tǒng)維護難度與費用。系統(tǒng)各分站地位平等，每個分站均能獨立完成信息采集、通信和控制功能，分站與分站之間可以實現(xiàn)聯(lián)動聯(lián)控。同一個ONU下的分站與分站之間實現(xiàn)互聯(lián)互控只需要通過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，需要通過該ONU的上一級OLT進行轉發(fā)，轉發(fā)交換時間可以忽略不計。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，且很易實現(xiàn)傳感器熱插拔，系統(tǒng)擴容、維護方便。通信網(wǎng)關的功能是完成LonWorks總線與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉換，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡間的信息共享。
　信息層位于地面，主要由地面中心站、地面交換機及冗余設備等組成。監(jiān)控系統(tǒng)在井下完成互聯(lián)互控后，地面中心站不再對分站進行定時巡檢，主要負責瀏覽井下各OLT、ONU、監(jiān)控分站、傳感器等網(wǎng)絡設備的工作狀態(tài)和監(jiān)控信息，并對這些信息進行顯示、存儲、告警、分析、處理、報表打印等，便于工作人員及時掌握井下設備的運行狀況，做到安全可靠監(jiān)控。
2 系統(tǒng)關鍵技術研究
2.1 GEPON系統(tǒng)通信原理與技術
　礦用GEPON系統(tǒng)中，OLT與ONU之間使用單模光纖進行數(shù)據(jù)通信，最大傳輸距離達20 km。在單芯光纖上通過波分復用方式(WDM)，采用1 490 nm和1310 nm兩種不同波長的光，實現(xiàn)信息全雙工傳輸。為完成同一根光纖上與多個用戶間的雙向通信，信號傳輸采用下行廣播、上行時分多址方式(TDMA)。
    如圖4所示，設OLT下3個ONU入網(wǎng)注冊成功后，每個ONU獲得唯一一個邏輯鏈路識別地址（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幀的前導碼中打上不同LLID，并時分復用至傳輸鏈路，然后廣播到該OLT下所有ONU，每個ONU能收到所有下發(fā)數(shù)據(jù)，ONU把接收到的幀前導碼中LLID與OLT分配給自己的LLID進行比較，如果兩者完全一致，則接收并轉發(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上行方向的時分復用由OLT控制，OLT下所有ONU進行時鐘同步，OLT給每個ONU分配一個時隙，每個時隙能保證傳輸多幀數(shù)據(jù)。每個ONU只在屬于自己的時隙內(nèi)向OLT上傳數(shù)據(jù)。時隙劃分包括靜態(tài)分配和動態(tài)分配，時隙分配需考慮各ONU與OLT之間的距離差別。
2.2 EPON系統(tǒng)測距與時延補償技術
    從上文可知,實現(xiàn)EPON數(shù)據(jù)上行TDMA方式，需要OLT與ONU之間時鐘同步。但礦井巷道錯綜復雜，井下布置的各ONU與OLT之間的物理距離差別很大，僅OLT與ONU之間時鐘同步，不能確保各ONU上傳數(shù)據(jù)集中到OLT時不產(chǎn)生碰撞。因此，為實現(xiàn)井下EPON信號真正的同步傳輸，要進行OLT與ONU間的測距。傳統(tǒng)測距方法有帶內(nèi)開窗法、擴頻法、正弦波法，但這些方法或者測距精度較低，或者影響業(yè)務QoS，或者技術實現(xiàn)復雜、成本較高[7]。本文采用性價比較高的時間標記法（Time Stamp）進行測距。
    EPON測距主要是獲取從“OLT→ONU→OLT”往返傳輸時間，即Round Trip Time（RTT）值，再對RTT值延時補償，使OLT與各ONU之間具有相等的邏輯距離。Time Stamp測距方法如圖5所示[8]。OLT在絕對時間T1下播時間戳（Timestamp）為T1的授權（GATE）信息，經(jīng)下行傳輸鏈路延時Tdw，某一已啟動的ONU在絕對時間T2監(jiān)測到一個GATE信息時，根據(jù)Timestamp T1將本地時鐘調(diào)整為T1，然后在絕對時間T3上傳一個在線響應數(shù)據(jù)幀REPORT，此時，REPORT中本地Timestamp為T4；經(jīng)上行傳輸鏈路延時Tup，OLT在絕對時間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ONU獲得的發(fā)送時隙的起點，RTTi為第i個ONU的RTT值，Wj(i)是第j次輪詢周期中OLT分配給第i個ONU的發(fā)送時隙寬度，Ru為ONU與OLT間的通信速率，P為安全保護間距。
2.3 多分站通信沖突避免機制與多主通信協(xié)議制定
    當多個分站同時向同一LonWorks總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，會導致數(shù)據(jù)并發(fā)沖突。為解決這一問題，本文采用可預測的CSMA算法(Predictive P-Persistant CSMA)[11]，該算法是對傳統(tǒng)CSMA算法的改進。當總線上某個節(jié)點監(jiān)測到信道空閑時，該節(jié)點的發(fā)送時間被隨機分配到N個時隙上，以概率P=1/N在一個隨機分配的時隙發(fā)送報文,其中，N=16×Q，Q為某一時刻總線上將要發(fā)送的報文數(shù)目，即該時刻網(wǎng)絡負載， LonWorks總線報文大部分帶有應答服務，Q值可以預測,當預測到網(wǎng)絡負載增加時，隨機發(fā)送時隙數(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)絡負載很重的情況下，仍能保持很高的吞吐量，不會導致網(wǎng)絡癱瘓。
    要實現(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)議的制定非常關鍵。本文根據(jù)煤礦井下通信特點制定協(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；分站號用數(shù)字1~64的16進制表示；通信狀態(tài)包括通信是否誤碼和中斷，各占1個字節(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；返回數(shù)據(jù)是一個變長值，主要存儲改變的信息，最多可以存4個傳感器采集的信息，幀長度計算該幀占用的字節(jié)數(shù)，便于上位機或其他分站隊列讀取與存儲。
    分站發(fā)送命令幀格式：

    命令幀一般實時性要求較高，因此長度較短。幀格式中，分站號占一個字節(jié)，代表分站地址，命令類型中:00表示復位命令，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，對采集命令，01表示采集溫度傳感器值，02表示采集風速傳感器值，03表示采集壓力傳感器值，04表示采集信號機狀態(tài)，對手控命令，00表示1號風機停機，01表示1號風機啟動。
    本文針對目前我國煤礦安全監(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)絡結構模型，并對該結構模型的魯棒性進行了分析，即使某點發(fā)生故障，系統(tǒng)可以實現(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)絡結構，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井異構網(wǎng)絡接入設備互聯(lián)互通，危險區(qū)域異地快速控制，為提高煤礦安全技術裝備水平，減少和控制煤礦重特大災害事故的發(fā)生提供了有效途徑。
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