煤矿井下数字广播救援引导系统的研究

刁建伟  尹春义  李荣夫  曲祖俊  徐本毅

1、背景及课题的提出

1.1 概述

  煤矿企业由于行业特点，作业地点均在百米地下，为保证井上下通讯联络，目前所采用的通讯方式有如下几种：一是调度通讯系统，由于其属于有线通讯，因而话质好、通讯距离长，分布较为固定，成本较低，是目前采用较为普遍的通讯手段。二是泄漏通讯系统，属于无线通讯范畴，可以群呼、群播，但由于信道数量所限、手机价格相对较为昂贵，且受矿井环境、电磁干扰等影响较大、话质不好等特点，保有量较低。三是近几年新兴的井下小灵通和CDMA，或称大灵通，也属于无线通讯的一种，井下需要布置大量基站进行信号的放大、发送，价格相对也较为昂贵，井下盲区较多，因而保有量也不多。

  由于矿山井下条件恶劣、巷道布置错综复杂、作业地点分散、人员流动性强、大功率设备较多，因而目前的矿山企业的井下通讯手段仍以固定、有线式的调度交换机电话为主，多布置在人员相对集中、工作地点较为固定的位置。有移动通讯系统的，也多以移动通讯工具为辅，作为辅助性通讯手段。

1.2 课题的提出

  矿山企业瓦斯、水、火、冲击地压等突发性自然灾害事故较多，且危害性大、波及范围广。如采取及时、正确的撤离、抢救处理措施，可最大限度地减少灾害影响，减少人员、财产损失。反之，抢救不及时，贻误时机，会使损失或伤亡事故扩大，而事故伴生的次生危害，不亚于灾害的直接影响。通常，事故重大、需要人员紧急撤离的情况下，多以地面人员电话拨号或手机呼叫方式通知现场人员撤离危险区域或引导人员有序撤离、科学避险，其中电话拨号方式可采用调度交换机的群呼功能，通过预先设定的组群，采用群呼方式通知现场人员。但由于矿山企业特点，不可能每名井下员工附近都有固定电话或人手一部移动通讯工具，因而会造成部分地点的部分人员得不到撤离通知，贻误脱险时机，或得不到正确撤离、避险的指挥引导而发生意外。

1.3 研究的目标

  当井下发生重特大突发事故，能否有一种快捷、直接的手段，由地面人员来迅速地通知、全程指挥、引导现场所有受威胁人员安全疏散、撤离呢？

  建设一套《煤矿井下数字广播救援引导系统》的课题应运而生：突发事件发生、需要紧急撤人时，地面调度指挥中心工作人员利用麦克风话筒、迅速通过设在井下重点防范区域的大功率、受话半径大的扩音喇叭装置，以扩音喊话的方式对现场进行疏散和疏导，指挥现场人员迅速、有序、安全撤离危险区域，最大程度减少灾害影响和灾害救援过程中的次生影响。

  同时，在正常情况下，可利用本系统，在井下各地点播放背景音乐、新闻、宣传报道等，使之又可成为企业宣传的阵地和工具。

  目前，随着计算机网络技术迅速的普及，信息化已经开始走进矿山。绝大多数矿井不但地面计算机网络普及、软硬件设施齐全，而且很多煤矿都陆续架设了稳定可靠、覆盖矿井上下的工业以太网。随着科学技术的不断进步和信息化矿山建设步伐的不断加快，井下工业以太网将逐渐得到广泛推广和应用，为建设煤矿井下数字广播救援引导系统提供了一个网络平台。

2、课题的实现

  本课题的实现有两种方式：

2.1 采用传统的模拟音频广播方式（定压广播）

  其工作原理是将模拟音频信号直接放大、通过升压变压器将其4-16Ω匹配阻抗变换到100V定压方式进行传输，到终端后降压转换到4-16Ω的匹配阻抗上推动喇叭。为降低线路传输损耗，一般传输距离是几十米到几百米。由于技术成熟、结构简单、性能稳定、维护安设简单、终端便宜，适合于小范围、对音质效果和应用可靠性要求不高的场所。

  但是其缺点比较明显，远远不能满足现在高速交流的信息时代对广播系统的要求。除了技术落后外，还存在如下缺点，因此传统的广播技术逐渐被淘汰：

  2.1.1 传输距离短、扩展性差。由于传统广播技术的音频信号为模拟信号，音源为模拟音频，而模拟信号对传输距离有一定的限制，超过一定的距离后，需要增加中继器对信号逐级放大。

  2. 1.2 抗干扰性能差、音质差。模拟音频受电子元器件自身特性的影响（每个元器件都有热噪声），每处理一次都会失真一次（波形发生畸变），产生一次噪声积累，处理的次数越多，噪声积累越大，信噪比（S/N）越低。同时模拟音频信号易受环境干扰，特别是电磁的干扰。途径线路周边的大功率电器设备都会对语音信号造成干扰，直接影响通话效果。模拟音频信号传输受线间变压器带宽、喇叭尺寸、电缆线径等因素影响，频响范围在200Hz~12KHz，失真度≤10％，无法实现立体声传输。而经过几级放大后的远距离广播，语音音质会明显下降。

  2.1.3 节目容量小，不能寻址控制。无法满足同时广播和分区广播，无法实现点对点寻址广播。例如地面人员想对某个区域或某几个区域寻呼、讲话，定压广播无法做到，只能所有扩音设备同时广播，无法实现对单点或随意分组进行广播。

  2.1.4 故障率高。即便某一点出现线路短路故障，将会造成整个广播系统的瘫痪，这是传统广播技术的致命缺点。

2.2 利用以太网技术进行数字广播方式

  如目前较为流行的视频会议、远程教育、电话会议以及IP电话等，其采用的都是数字广播技术。它是利用网络技术、以网络为传输平台来实现的数字音频传递，是目前乃至今后三网合一或多网合一的一个重要组成部分。可以利用已经形成的网络作为传输平台，任意扩展。因此数字广播技术已经成为事实上的先进广播的行业标准。

  2.2.1原理及主要特点

  数字广播顾名思义就是将广播信号数字化（A/D转换），它是按照一定算法，将模拟音频信号经过采集、量化、编码、压缩后的数字音频文件（如MP3）或存储在存储器上的数字音频文件，通过网络，按照传输协议以数据包的形式将音频文件传输到网络广播接收端，然后经过网络广播终端进行D/A转换后还原成音频信号，经放大后驱动喇叭工作的。每个网络广播终端都是一台具有音频编解码和网络通信功能的嵌入式计算机，并且都有自己的独立IP地址，像局域网内PC组网一样，按照TCP/IP协议进行通信。

  数字广播的采样频率为44.1KHz、16Bit的高质量音频压缩格式，而且采用纯数字的传输方式，在制作、处理、传输过程中不会产生噪音累积，引起信噪比下降而导致信号劣化；而且错误率相当低甚至是可以避免的，因此可以多次复制和传输，不论怎么编辑、处理都不会产生额外的噪声：

  (1) 信号无损、音质好：数字广播从音源的制作到传输全部实现了数字化、网络化，系统信噪比高，不会在处理、传输等环节产生噪声，从而可以获得比较好的音质，也可以进行立体声传输。可完全利用部分矿山企业已建成的井下工业以太网进行语音信号的传递。只要网络下行带宽得到128K，就可以十分流畅的传输一路立体声音频信号。

  (2) 扩充性强：系统理论最大终端无限制，远距离传输没有限制。在将来的扩容中，无需购买主机设备，只要有网络接口，就可以安装网络广播终端，更无须对线路进行改造，也不需要专门布线，不管是光纤、超五类线、数字微波还是无线网桥，只要网络连通就可以传输数字音频广播。

  (3) 可以实现智能广播。以太网本身就是一套双向网络，在以太网上通过软件可轻而易举地实现智能广播的定时、寻址、分组等功能。在网络速度允许的情况下，可实现多路广播。因为音频文件是以数据包的方式在网络中传输，所以很容易实现多路广播，把不同的数据包发送给不同的终端就可以了。

  (4) 广播方式多种多样：由于网络广播终端为网络设备，具备灵活的IP地址设置，因此地面主机可以通过编程来控制设备的IP，以达到控制扩音喇叭广播的效果：

  ①.定点广播：可对任意终端进行定点广播

  ②.独立广播：可独立地对某一终端进行广播而不干扰其它终端。

  ③.每区可独立广播：可同时对几个区域进行广播。

  ④.全体广播：可对所有终端进行广播

  ⑤.紧急广播：拿起麦克风即可广播。

  ⑥.宣传广播：可播放背景音乐、领导讲话、语音宣传等。

3、系统构成

  下面以数字广播技术来进行本课题的探讨：

3.1 地面系统管控部分

  它由音源和周边控制设备组成，主要包括：

  3.1.1 音频服务器

  音频服务器是以太网数字广播系统的控制中心，完成终端管理、音频管理等管理功能，为各多功能网络终端、终端工作站提供数据交接服务，为各网络终端提供定时播放和实时广播控制服务。根据音频服务器的调度，对即将传输到各广播终端的音频流数据进行非压缩数字音频数据处理，保证音频服务器以CD质量的高比特率与终端进行数据同步，实时处理节目信号。

  3.1.2 多功能网络终端(音频采播工作站)

  实现网络资源、网络电台转播、资源转换、音频实时采播，可以将音频如卡座、CD、MP3等，通过采集，转换成数字节目或实时传输，方便重复利用和实时使用。音频实时采播软件，可以直接将录音卡座、CD机、mp3、收音机、话筒等模拟音频信号，实时采集直播到各网络终端。

  3.1.3 工作站（终端）

  工作站具有以太网上对系统进行直播的功能。各级领导、工作人员可在以太网络上直接讲话；可以单独对部分区域讲话，直接在网上选择和屏蔽播放区域，操作简便，勿需人工干预。

  上述设备放置在计算机网络机房内。广播用麦克风放置在调度指挥中心，地面人员可随时拿起麦克风对井下进行喊话广播。正常情况下，可在网络机房内通过音频服务器和网络广播软件，向井下现场播放背景音乐或新闻、宣传报道等。紧急情况下使用麦克风时，将自动中断背景音频信号的播放而播发语音喊话广播。

  系统软件具备多音源同时传输、定点广播（对点广播）、编组广播（同功能组别广播）等功能。

3.2 传输部分

  传输由两部分组成：一是工业以太网平台的数字传输。利用TCP/IP技术，将压缩后的音频信号以压缩打包方式通过光纤传至井下的以太网交换机。二是网络广播终端。网络广播终端具有IP地址，能够处理高速网络信号，其采用硬件音频解码，具有自动纠错功能；能够高保真还原的音频信号；具有CD音质。在以太网络范围内，任意接入网络广播终端，智能分化，连入本地广播（本地音源、功放）进行功能扩展。网络广播终端通过专用的通讯电缆传送给远端的矿用扩音装置，将语音信号放大后发送出去。音频广播半径可根据需要相应提高喇叭的功率来增大广播范围，一般20W的喇叭，扩播半径就可达100米左右。

  今后，可根据现场情况将网络广播终端随工作地点延伸，传输介质选用光缆时，其延伸距离不受任何条件限制。

3.3 远端的矿用扩音装置部分

  在各个地点周围或主要途径场所设置一套矿用扩音装置，向周边发送放大后的语音信号。扩音装置可采用就地取电+后备电源逆变的方式进行供电，以保证动力电停电后后备电源能够逆变投入，确保系统的不间断工作。

3.4 控制广播方式

  为便于远程区域广播控制，可安设多台网络广播终端，每套扩音装置根据地点的不同可以并接在不同的网络广播终端上。由于每1台网络终端为一个广播控制区域，从而可把重点防范区域有机的分成了多个广播控制区域。

  地面网络广播软件可以通过控制带IP地址的网络广播终端进行全部广播，或者远程实施对某个广播控制区域内的所有扩音装置进行广播控制，而其他区域内则收听不到广播。同样，也可对某几个或全部区域实施广播控制。网络广播终端的数量根据扩音装置的数量和控制数量而定。

4、结论

  综上所述，为增强煤矿井下抗灾救灾能力，建立一套《煤矿井下数字广播救援引导系统》，意义重大。项目的实施可根据企业自身情况，选择适合本企业本身发展需要的方式来实现。采用网络数字广播方式，无论从效果、科技含量、发展需要、扩展需要，都是上策，符合当前科技发展趋势。系统的建成，必将提升矿井管理水平，增加处理矿井突发事件的应急救援能力，最大限度地减少灾害影响。同时，也必将成为信息化、数字化矿山建设中的又一新亮点。

第一作者简介：刁建伟，男，汉族，1970年11月出生，毕业于泰安煤炭工业学校，计算机专业，中专学历，助理工程师。现从事矿井信息化工作，现任龙口矿业集团北皂煤矿信息中心副主任。联系电话：0535-8652456 13793593228    邮编：265700     通讯地址：山东龙口矿业集团北皂煤矿信息中心