煤炭是我國的重要能源，煤礦安全歷來廣受關注。據統計[1]，2005~2009年全國煤礦共發生重大以上事故183起，死亡4 272人，煤礦重大事故總數和死亡人數依舊很大，煤礦安全生產形勢仍然十分嚴峻。而要打造信息化數字礦井，實現安全生產的重要保障之一便是組建快速、可靠的井下通信監控系統。
    目前煤礦井下通信監控系統主要采用的是以井下工業以太環網為核心，主從式網絡監控系統接入工業以太環網實現多點分布式監控，如KJ95、KJ28、KJ122等。工業以太環網開放性好、實時性強、安全可靠，可以為監控監測系統提供快速的數據傳輸通道，最大程度地實現全礦井安全監控[2]。盡管如此，工業以太環網也存在不足，主要表現在以下幾個方面： (1) 井下工業以太網主要以環網形式組網，在井下特殊環境下，光纜布置困難，光纖浪費嚴重; (2)工業以太環網方式下每個設備都是有源設備，當設備出現故障需要檢修或設備需要擴容時，設備需要斷電，如果環上兩個或兩個以上的節點掉電，可能導致整個網絡癱瘓,影響礦井正常安全生產;(3)整個環網中井上到井下的帶寬不高，限制了視頻監控等大流量數據的應用。主從式網絡監控系統結構簡單、容易實現，各監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，在一般的實時監控系統中應用較多。但主從式通信結構數據傳輸效率低，且網絡結構可靠性差，極易發生數據傳輸中斷，無法實現設備間互聯互控、危險區域快速控制等關鍵問題。
    針對上述問題，本文在借鑒國內外現有監測監控系統的基礎上[3-6]，提出一種新的煤礦井下監控系統。該系統采用千兆以太無源光網絡(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混合網絡控制的監控系統。系統基于開放性通信協議，采用主干、分支多環冗余與LonWorks總線接入相結合的網絡模型,系統中各網絡控制設備具有多主并發、對等高速率通信的功能，可實現井下危險區域異地快速響應控制、異構系統數據的傳輸和共享。系統魯棒性強，安全可靠，在礦井突發事件下能穩定運行。
1 新型煤礦安全監測監控系統
    本文在國內外現有監控系統的研究基礎上，構建新型監控系統網絡結構模型，如圖1所示。系統結構符合現代控制系統理論，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，包括光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）、無源分光器（POS）。上述網絡設備均采用低功耗、抗干擾能力強的芯片設計。設備電源電路內部和引出線部分，在正常工作或故障狀態下，所產生的電火花均不足以引燃井下特殊環境中的爆炸性混合物。設備內線路板布線、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。系統具備本質安全、防爆特性。
    GEPON系統中，OLT1和OLT2均處于工作狀態中，同時進行監控數據備份。ONU1~ONUm和ONU1+m~ONUn通過OLT1、OLT2的兩個PON接口，分別實現雙總線和雙星型“手拉手”全倒換保護模式。OLT、ONU均具有鏈路狀態自動檢測功能，當設備、線路等出現故障或設備需要擴容時，能夠實現自動快速倒換，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，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，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境中的高速度、長距離傳輸。POS分布在EPON網絡各點，采用全無源密封方式設計，不會產生任何電火花或電弧，防水防塵等級為IP65，運行穩定、可靠，基本不需要維護，適合井下特殊環境使用。系統網絡拓撲結構靈活，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控。系統管理方式簡單，通過網管服務器，在地面就可以完成所有設備管理，可以做到ONU即插即用。系統中ONU還提供多個10/100BASE-T電接口和100BASE-FX光接口，方便監控攝像頭和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絡系統。LonWorks是美國Echelon公司研發的一種高性能、低成本的現場總線控制網絡[7],具有真正的開放性與互操作性、靈活多變的網絡拓撲結構、節點對等通信能力強等優點，被廣泛應用于樓宇自控系統、消防聯動控制系統、環境監控系統等領域[8]。本文設計的基于LonWorks總線的二級分布式網絡系統包括基于LonWorks現場級總線的監控分站、基于LonWorks設備級總線的傳感器節點和通信接入網關。監控分站之間采用無主多點對等通信結構，即使某個分站發生故障，也不會影響到系統中其他分站的正常工作，提高了系統運行的可靠性，降低了系統維護難度與費用。系統各分站地位平等，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聯動聯控。同一個ONU下的分站與分站之間實現互聯互控只需要通過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，轉發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，滿足煤礦特殊環境下的布線要求，另一方面可以減少線纜數量，節約成本，且很易實現傳感器熱插拔，系統擴容、維護方便。通信網關的功能是完成LonWorks總線與以太網之間的協議轉換，實現異構網絡間的信息共享。
　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。監控系統在井下完成互聯互控后，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、監控分站、傳感器等網絡設備的工作狀態和監控信息，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，做到安全可靠監控。
2 系統關鍵技術研究
2.1 GEPON系統通信原理與技術
　礦用GEPON系統中，OLT與ONU之間使用單模光纖進行數據通信，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以太網幀，OLT根據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能收到所有下發數據，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，則接收并轉發該802.3幀，否則丟棄該幀。

    EPON數據流上行采用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據。每個ONU只在屬于自己的時隙內向OLT上傳數據。時隙劃分包括靜態分配和動態分配，時隙分配需考慮各ONU與OLT之間的距離差別。
2.2 EPON系統測距與時延補償技術
    從上文可知,實現EPON數據上行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上傳數據集中到OLT時不產生碰撞。因此，為實現井下EPON信號真正的同步傳輸，要進行OLT與ONU間的測距。傳統測距方法有帶內開窗法、擴頻法、正弦波法，但這些方法或者測距精度較低，或者影響業務QoS，或者技術實現復雜、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，經下行傳輸鏈路延時Tdw，某一已啟動的ONU在絕對時間T2監測到一個GATE信息時，根據Timestamp T1將本地時鐘調整為T1，然后在絕對時間T3上傳一個在線響應數據幀REPORT，此時，REPORT中本地Timestamp為T4；經上行傳輸鏈路延時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議制定
    當多個分站同時向同一LonWorks總線上發送數據時，會導致數據并發沖突。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CSMA算法的改進。當總線上某個節點監測到信道空閑時，該節點的發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送報文,其中，N=16×Q，Q為某一時刻總線上將要發送的報文數目，即該時刻網絡負載， LonWorks總線報文大部分帶有應答服務，Q值可以預測,當預測到網絡負載增加時，隨機發送時隙數隨之增加,降低了發送包產生沖突的概率。該算法在網絡負載很重的情況下，仍能保持很高的吞吐量，不會導致網絡癱瘓。
    要實現煤礦井下多分站的互聯互控，保證通信穩定、可靠，通信協議的制定非常關鍵。本文根據煤礦井下通信特點制定協議，部分內容如下：
   分站發送數據幀格式：

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；分站號用數字1~64的16進制表示；通信狀態包括通信是否誤碼和中斷，各占1個字節段，通信是否誤碼字節段中，01代表通信誤碼，00代表通信正常，通信是否中斷字節段，01代表通信中斷，00代表通信正常；返回數據是一個變長值，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數，便于上位機或其他分站隊列讀取與存儲。
    分站發送命令幀格式：

    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，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；數據段中代表命令控制內容，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，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控系統的現狀，研究了一種新型煤礦安全高可靠性監控系統，提出了系統網絡結構模型，并對該結構模型的魯棒性進行了分析，即使某點發生故障，系統可以實現快速切換，不影響煤礦安全生產，系統采用GEPON與LonWorks總線的混合網絡結構，能夠實現礦井異構網絡接入設備互聯互通，危險區域異地快速控制，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生提供了有效途徑。
參考文獻
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