通信调度系统背景研究

矿山通信调度技术现状： 当前矿山通信调度主要依赖传统工业通信系统和新兴的宽带网络技术相结合。有线通信方面，许多矿山仍采用工业以太网和现场总线（如Modbus、Profibus等）连接PLC、传感器和控制器，实现设备控制和数据采集。无线通信方面，早期矿山广泛使用泄漏同轴电缆（漏缆）的窄带系统，实现井下语音通信和简单数据传输。例如，贝克公司的Smartcom VHF漏缆系统可为矿山提供多路同时的语音和数据无线信道，支持可靠的井下通信。近年来，随着移动宽带技术的发展，Wi-Fi、4G LTE乃至5G等宽带网络在矿山逐步部署，用于视频监控、远程控制等大数据量业务。同时，数字集群通信（如TETRA）在露天和地下矿山也有应用，以提供高可靠的语音调度和应急通信。总体来看，现代矿山通信呈现出有线与无线融合、窄带与宽带并存的局面，各种系统各司其职但也存在信息孤岛问题，需要通过融合通信平台实现统一管理。
矿山通信调度面临的主要挑战： 矿山环境复杂恶劣，对通信调度系统提出了诸多挑战。首先是环境与安全挑战：井下空间封闭狭窄、巷道结构复杂，电磁信号传播衰减严重，无线电波易受金属设备和潮湿环境影响。此外，矿井中存在瓦斯等爆炸性气体，设备必须满足防爆和本质安全要求，通信系统需要在确保安全的前提下部署。其次是可靠性与实时性挑战：矿山通信一旦中断可能危及人员安全和生产，要求系统具有极高的可靠性和冗余设计。井下设备移动频繁、现场工况多变，要求通信能够快速切换和响应，以支持车辆调度、远程控制等实时应用。再次是系统融合与互操作挑战：传统矿山往往部署了多套独立的通信系统（如调度电话、无线对讲、人员定位等），各系统协议和平台各异，形成信息孤岛，不利于统一指挥调度。如何将语音、视频、数据、广播等不同类型的通信手段融合，实现异构系统的互联互通，是当前矿山数字化的一大挑战。最后，人员与管理挑战：矿工文化水平参差不齐，新技术的引入需要培训和适应过程。同时，矿山企业传统IT能力相对薄弱，在规划和维护先进通信系统方面经验不足。这些因素都增加了通信调度系统建设和运行的难度。
矿山通信调度关键技术要求： 针对上述挑战，智慧矿山融合通信调度系统需要满足一系列关键技术要求。首先是高可靠性和冗余设计：通信网络应具备双链路冗余、环形拓扑等设计，单点故障不致全网中断，确保在极端情况下仍能通信。其次是实时性和低时延：对于应急调度、设备远程控制等应用，网络时延必须极低，以保证指令及时下达和响应。再次是多业务融合：系统应支持语音、数据、视频、广播等多种业务的统一承载和调度，实现不同通信手段的互联互通。例如，调度员能够在一个平台上同时进行电话调度、集群对讲、视频监控和短信通知等操作。第四是灵活的网络拓扑：能够适应矿山不断延伸扩展的巷道环境，支持有线光纤环网与无线接入相结合的拓扑结构，便于随着开采推进动态扩展网络覆盖。第五是安全与防爆：所有井下设备必须符合矿山防爆标准（如本质安全型），并具备抗冲击、防尘防水等防护性能，以确保在恶劣危险环境中长期可靠运行。第六是定位与人员管理：系统应集成人员和车辆定位功能，实时掌握井下人员分布和设备位置，为调度指挥和应急救援提供基础数据。最后是易维护和可扩展：采用模块化、标准化设计，方便系统的安装调试和后期扩容升级，同时提供远程监控和故障诊断功能，降低运维难度。

通信调度系统架构设计

总体架构设计： 贝克智慧矿山融合通信调度系统采用分层式、一体化的架构设计，自上而下分为地面控制层、传输层和井下终端层三个层次。地面控制层是整个系统的核心，部署在地面调度指挥中心，包括融合通信管理平台服务器、4G/5G核心网设备、程控调度语音网关、视频监控服务器、广播服务器以及人员车辆定位服务器等。这些设备通过高速工业以太网互联，构成强大的中心数据交换与处理枢纽。融合通信管理平台作为神经中枢，负责统一管理和调度各类通信资源，实现语音、视频、数据的集中交换和控制。传输层是连接地面与井下的桥梁，主要由井下工业环网和综合接入分站组成。井下部署光纤环网作为骨干传输网络，将各中段和作业面的接入节点互联，并通过矿用网络交换机与地面控制中心相连。综合接入分站安装在井下各区域，提供多种接入手段（如漏缆、Wi-Fi、4G/5G基站等），将井下终端设备接入环网。这种设计确保数据在传输过程中的安全和稳定，并为未来扩展预留了接口。井下终端层是系统的前端，直接服务于一线作业人员和设备，包括各类矿用通信终端和传感器。例如，本质安全型防爆手机为人员提供移动语音和数据通信；智能矿灯集成定位和求救报警功能；无线摄像仪用于现场视频采集；人员定位卡和车辆定位标签实时上传位置信息；矿用广播音箱用于紧急通知和调度喊话；以及固定防爆电话等。所有终端设备均通过传输层与地面控制层保持通信，接收调度指令并上传现场数据。通过上述三层架构，贝克融合通信调度系统实现了层次清晰、职责明确的系统组织，既便于维护升级，又能保证各子系统协同工作。
网络拓扑与互联互通方案： 针对矿山环境，本方案采用有线+无线融合的网络拓扑。有线方面，井下构建环形光纤以太网，将主要巷道和作业中段连接成环，提高网络冗余度和可靠性。环网节点处部署矿用本安型工业交换机，支持千兆光纤链路和冗余协议（如RSTP），确保任一链路故障时业务快速切换。无线方面，根据矿井规模和需求，可叠加多种无线接入技术：在长距离巷道和深部区域，部署漏缆+中继器的VHF/UHF窄带通信系统，实现语音广播和低速数据覆盖；在需要高速数据的区域（如工作面视频监控、远程控制），部署Wi-Fi 6或4G LTE基站，提供宽带接入；对于未来发展，也可预留5G基站接口。不同无线系统通过综合接入分站接入有线环网，实现互联互通。例如，漏缆系统的基站通过以太网接口接入环网，4G/5G核心网设备与地面服务器相连，从而将语音、数据业务统一承载到IP网络上。互联互通方案采用开放的通信协议和标准接口，使各子系统能够无缝集成。系统基于IP技术架构，采用SIP（会话初始协议）等标准协议作为控制信令，实现语音调度、视频通话、广播等不同通信方式的统一控制和交换。调度台软件通过开放API与定位系统、视频监控系统、广播系统对接，当发生紧急情况时，调度员可以一键联动语音呼叫、视频画面弹出和广播通知，实现跨系统的协同操作。此外，系统支持与矿山现有系统（如工业电视、监测监控系统）的集成，通过标准协议（如OPC UA、Modbus TCP等）对接数据，实现统一平台上的信息展示和控制。通过上述拓扑和互联设计，贝克融合通信系统打破了传统各系统各自为政的壁垒，实现了“一张网络承载多业务、一个平台调度全矿”的目标。
通信协议与数据传输标准： 本方案在协议栈和数据标准上遵循开放、统一的原则，以保障系统的互操作性和可扩展性。网络层采用工业以太网技术，使用TCP/IP协议族作为基础，实现设备的联网通信。井下环网交换机和地面核心网络设备均支持IEEE 802.3工业以太网标准，并通过VLAN划分隔离语音、视频、监控等不同业务流量，以提高网络性能和安全性。控制层引入SIP（Session Initiation Protocol）作为核心信令协议，用于语音通话、视频会议、呼叫调度等多媒体会话的建立和管理。SIP是国际标准的会话控制协议，具有灵活开放的特点，能够方便地集成各种终端和业务，实现不同制式通信系统的互通。调度台与井下终端之间的语音通信采用SIP信令控制，媒体流则通过RTP/RTCP协议传输，保证语音质量和实时性。数据采集与监控方面，采用工业自动化领域常用的开放协议，如OPC UA、Modbus TCP等，实现与PLC、传感器的数据交互。OPC UA作为工业物联网的数据接口标准，提供统一的信息建模和安全机制，能够将分散的设备数据集成到调度平台中。Modbus TCP则用于与一些传统仪表和控制器通信，实现对风机、水泵等设备运行状态的读取和控制。视频监控采用标准的RTSP/ONVIF协议接入网络摄像机，视频流通过RTMP或HLS协议在调度中心解码显示，以兼容主流视频平台。定位系统的数据通过UDP或MQTT协议实时上传至定位服务器，由服务器处理后提供给调度平台显示人员位置。在数据传输标准上，系统遵循矿山行业相关规范，例如人员定位数据格式符合《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》等行业标准，确保与其他系统的数据兼容。通过采用上述成熟的通信协议和数据标准，贝克融合通信调度系统能够方便地与第三方系统对接，实现矿山各环节信息的贯通。同时，标准化的设计也便于系统未来升级（例如向5G、工业互联网标准演进），保护用户的投资。

系统功能与技术方案

核心功能模块定义： 贝克智慧矿山融合通信调度系统围绕“一个平台、多种手段”的理念，集成了语音调度、视频监控、广播通信、数据集成和人员定位等核心功能模块，为矿山安全生产提供全方位的通信保障。各模块功能如下：

• 语音调度模块： 提供井上井下双向语音通信和调度指挥功能。地面调度员可通过调度台对任意井下固定电话或手机进行一键直呼、组呼或全呼，实现生产指令的下达和现场情况的了解。支持强插、强拆、监听等调度特权操作，确保紧急情况下调度员能够介入通信。语音调度模块兼容传统调度电话和数字集群系统，通过语音网关将井下漏缆电话、TETRA集群等接入平台，实现不同制式语音系统的统一调度。
• 视频监控模块： 集成矿山工业电视系统，实时显示井下关键地点的视频画面。调度员可以在指挥台上调看任意摄像头的视频，并可对多路视频进行轮巡监控。当发生报警或事故时，系统能自动联动相关区域的视频弹出，供指挥人员直观了解现场情况。视频监控模块支持录像存储和检索功能，为事后分析提供依据。同时，井下人员携带的无线摄像仪或防爆手机也能将现场视频回传，实现移动视频监控。
• 广播通信模块： 构建井下紧急广播系统，用于发布通知、预警和疏散指令。调度员可以通过广播模块对井下特定区域或全体进行语音广播喊话，内容可以是人工语音或预存的录音信息。广播系统支持分区广播和定时广播功能，例如在交接班时间播放注意事项，在危险情况下一键启动全区紧急广播。井下各作业面和通道安装的本安型音箱可同时接收广播，并可提供双向对讲功能，人员在现场也可通过音箱按键呼叫调度中心。广播模块与报警系统联动，当瓦斯超限等险情发生时，自动播放预设的警报语音，提示人员撤离。
• 数据集成与联动模块： 将矿山其他生产监控系统的数据集成到通信调度平台，实现信息的集中展示和联动控制。例如，接入安全监测监控系统的数据，当传感器检测到瓦斯浓度超标、CO超限或风机故障等异常时，平台立即弹出告警窗口，显示报警位置和参数，并联动广播和语音通知相关人员采取措施。又如，接入车辆运输调度系统数据，实时显示卡车、电机车的位置和运行状态，调度员可据此优化运输调度。通过数据集成，调度平台成为矿山的“信息中枢”，各类生产数据和报警信息一目了然，便于指挥人员综合判断、快速决策。
• 人员定位与管理模块： 实现井下人员和车辆的实时定位跟踪。每个入井人员配备有源定位卡，车辆安装定位标签，在井下关键位置部署读卡器或定位基站。定位模块通过接收标签信号，利用TDOA等算法计算人员/车辆的位置坐标，并在电子地图上显示。调度员可随时查询任意人员的当前位置和历史轨迹，掌握井下人员分布情况。当发生事故时，定位系统能快速统计井下人员数量及所在区域，为救援提供依据。定位模块还具备区域报警功能，如人员进入未授权的危险区域时，系统发出告警提示。此外，结合考勤管理功能，可自动统计人员入井时间和出勤情况，提高管理效率。

指挥调度流程设计： 贝克融合通信调度系统提供完善的指挥调度流程，从日常生产调度到应急指挥均有相应机制，确保在各种情况下都能高效运转。日常生产调度流程： 调度员通过系统实时掌握井下各作业面的生产进度、设备状态和人员位置等信息。根据生产计划和现场反馈，调度员使用语音调度模块向相关班组下达任务指令（如安排某采区开始作业、某运输车辆前往指定地点装载等）。井下人员通过固定电话或手机接听指令并确认执行。调度员也可通过广播系统发布一般性通知，如班次交接注意事项等。在日常调度中，系统支持多级调度：例如总调度室可以调度各中段调度站，再由中段调度员具体指挥一线班组，通过权限划分实现分级管理。同时，系统记录每次调度通信的内容和时间，生成调度日志以供追溯。应急指挥流程： 当井下发生紧急情况（如瓦斯超限、透水、火灾等）时，系统立即进入应急指挥模式。首先，现场人员可通过随身携带的手机或就近的紧急呼叫装置向调度中心报警，调度平台弹出报警提示并显示报警位置。与此同时，相关传感器的报警数据和视频画面自动推送至调度员界面，帮助其判断情况严重程度。调度员确认警情后，一键启动应急预案流程：通过广播系统向事故区域及相关区域发布紧急通知，指导人员按预定路线撤离；通过语音调度模块呼叫现场负责人和附近班组，下达撤离或救援指令；并利用定位系统实时监控人员移动情况，确保所有人员撤出危险区域。对于需要外部支援的情况，调度中心可迅速通过电话或系统内的应急通信模块联系矿山救护队、医院等外部应急力量。在应急过程中，调度员还可以通过视频监控观察现场动态，必要时指导现场人员避险。整个应急指挥流程中，系统自动记录所有报警信息、调度指令和人员行动轨迹，为后续的事故分析和责任认定提供完整的数据支持。协同工作机制： 为提高调度指挥效率，系统设计了协同工作界面，支持多调度员协作。例如，在大型矿山，可设置生产调度、安全调度等不同角色，各自关注不同业务但共享同一平台的信息。当发生重大事件时，多个调度席位可以协同处理：一人负责与现场通话指挥，另一人负责协调车辆和物资，第三人负责向上级汇报，等等。系统提供群组聊天、通知公告等功能，方便调度团队内部沟通。此外，系统可与矿山的应急指挥中心、地方政府应急平台对接，在事故超出矿山处置能力时，及时将现场情况和数据上传，实现与外部应急体系的联动。通过上述流程和机制设计，贝克融合通信调度系统能够在日常生产中优化资源配置、提高生产效率，在紧急时刻快速响应、协同指挥，最大程度保障人员生命安全和减少财产损失。
设备选型与网络配置方案： 本方案推荐采用贝克公司成熟的矿用通信产品和经过验证的网络配置，确保系统的可靠性和性能。
核心设备选型： 地面控制层的融合通信管理平台服务器建议采用工业标准服务器或高可用集群，配置冗余电源和存储，以承载调度软件和数据库运行。调度台工作站选用高性能工业计算机，配备双屏显示，便于同时查看调度界面和视频画面。4G/5G核心网设备可根据需要选用成熟的工业级EPC（演进分组核心）设备或5G核心网设备，支持本地部署和边缘计算，以降低时延。井下传输层的关键设备是矿用本安型工业以太网交换机，应选用经过MA认证的产品，具备千兆光口和电口，支持环网冗余协议（如RSTP/MSTP）和VLAN划分，能够在-20℃～+40℃、有煤尘瓦斯的环境下可靠运行。例如，可选用贝克公司的矿用隔爆兼本安型交换机，提供4个以上光口组成环网，并带有PoE供电功能为井下无线AP等设备供电。
无线通信设备： 漏缆通信系统推荐贝克Smartcom系列VHF漏缆及配套基站、中继器，具有抗干扰能力强、覆盖距离远的特点，可在长距离巷道实现语音和低速数据覆盖。每段漏缆长度根据巷道情况选择（通常数百米到上千米），通过中继放大器级联延长覆盖，并在分支巷道加设定向天线扩大覆盖范围。Wi-Fi 6无线接入点选择矿用本安型产品，支持802.11ax协议，单台AP可覆盖半径50~100米区域，提供高速数据接入用于视频回传等业务。4G LTE基站可选用工业级矿用基站，频段根据当地许可选择（如1.8GHz或2.3GHz频段），单基站覆盖范围视井下环境可达数百米，支持语音和高速数据。5G NR设备如果部署，应选用符合矿山防爆标准的小基站，利用中频或低频频段实现井下覆盖，并结合边缘计算单元降低端到端时延。
终端设备： 人员通信终端包括矿用本安手机和固定防爆电话。矿用手机应具备防爆认证、GPS/北斗定位、一键SOS报警等功能，并支持双卡双待（可同时接入漏缆集群和4G网络）。固定电话选用本质安全型防爆电话机，安装在井下主要硐室和通道，作为备用通信手段。广播音箱采用矿用隔爆音箱，具有防水防尘和高音量输出，分布安装在各中段马头门、主要巷道交叉口等处，确保每个作业人员都能清晰听到广播。定位标签采用低功耗有源RFID或UWB标签，佩戴在人员安全帽上或车辆上，每隔一定时间发射定位信号。定位基站根据技术选型（RFID或UWB）部署在巷道两侧，间距几十米到上百米，用于接收标签信号并通过以太网将数据传回定位服务器。
网络配置方案： 在网络规划上，井下环网按照矿井开拓顺序分段建设，初期形成若干个小环，随巷道延伸逐步合并成大环，以避免一次投资过大并提高建设灵活性。环网中每个交换机配置两个光口接入环网，并启用环网冗余协议，确保单点故障时网络自愈时间<20ms。VLAN配置方面，为语音业务划分独立VLAN并启用QoS优先级，保障语音通话质量；视频和监控数据放在另一个VLAN，以避免与语音冲突。IP地址规划采用层次化，地面核心层、井下汇聚层、接入层分别划分不同的IP段，方便管理和隔离。对于无线系统，漏缆集群系统可采用独立的频段和信令，通过网关接入调度平台；Wi-Fi和4G/5G则直接作为IP网络的延伸，终端获取IP地址后即可访问调度平台的服务。安全方面，井下环网与地面办公网之间部署工业防火墙，防止外部网络攻击；重要数据传输采用VPN加密，确保敏感信息（如人员定位、视频）的安全。
供电与接地： 所有井下设备由双回路电源供电，并配置UPS后备电源，保证在矿井停电时通信系统仍可运行一段时间。设备外壳和电缆屏蔽层可靠接地，以防止静电和电磁干扰影响通信质量。通过上述设备选型和网络配置，贝克融合通信调度系统能够在矿山现场稳定运行，满足语音、视频、数据、定位等多业务承载需求，为智慧矿山建设提供坚实的通信保障。