СИСТЕМА ШАХТНОЙ СВЯЗИ
MINE COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к горному делу, в частности к системам шахтной связи, оповещения, управления, мониторинга состояния окружающей среды, определения местоположения и состояния горнорабочих в штатном и аварийном режимах работы шахты. Аварии в подземных выработках нередко приводят к завалам, под которые попадают люди. В районе завала обрываются проводные линии связи, нарушается работа беспроводных каналов связи, рассчитанных на работу в штатном режиме. Изобретение решает задачу обеспечения непрерывного функционирования шахтной связи до, во время и после аварии.
Автоматизированная система управления и контроля производственных процессов, окружающей среды и местоположения горнорабочих в подземных выработках по патенту RU 2180941 содержит пульт управления, станции сбора и передачи информации, распределенные по подземной выработке и связанные по каналам связи с пультом управления, метки УВЧ диапазона, переносимые горнорабочими, при этом станции сбора и передачи информации оснащены приемниками сигналов меток УВЧ диапазона и датчиками состояния окружающей среды. Система по патенту RU 2180941 обеспечивает контроль местоположения горнорабочих в штатном режиме работы шахты, но теряет это свойство при нарушении работы каналов связи из-за завалов в аварийном режиме работы шахты.
Наиболее близкая к настоящему изобретению шахтная система мониторинга, оповещения и определения местоположения горнорабочих по патенту RU 2401947 содержит, по меньшей мере, одно устройство распознавания и формирования команд управления, по меньшей мере, один терминал наблюдения, приспособленный для информирования оператора и получения от него управляющих команд, связанный с устройством распознавания и формирования команд управления, соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов, переносимые горнорабочими, а также датчики состояния окружающей среды, устройства приема-передачи сигнала меток УВЧ диапазона, устройства активации меток НЧ диапазона и устройства распознавания сигнала меток НЧ диапазона, распределенные по подземной выработке и связанные по каналам связи с устройством распознавания и формирования команд управления. Система по патенту RU 2401947 обеспечивает контроль местоположения горнорабочих в штатном режиме работы шахты с использованием штатных каналов связи, но утрачивает возможность контроля местоположения горнорабочих при нарушении (из-за завалов) работы штатных каналов связи в аварийном режиме работы шахты.
Технической задачей изобретения является создание аварийно-устойчивой системы шахтной связи, основные функции которой сохраняются во время аварии и после аварии, в том числе, на аварийных участках подземной выработки.
Указанная техническая задача решена за счет того, что в известную систему шахтной связи, содержащую, по меньшей мере, одно устройство распознавания и формирования команд управления, по меньшей мере, один терминал наблюдения, приспособленный для информирования оператора и получения от него управляющих команд, связанный с устройством распознавания и формирования команд управления, соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов, переносимые горнорабочими, и датчики состояния окружающей среды, распределенные по подземной выработке и связанные по каналам связи с устройством распознавания и формирования команд управления, введены соединенные ретрансляторы УВЧ и НЧ диапазонов, выполненные с возможностью ретрансляции сигналов соединенных меток УВЧ и НЧ диапазонов, а также сигналов других соединенных ретрансляторов УВЧ и НЧ диапазонов на используемой частоте того же диапазона или на используемой частоте другого диапазона, распределенные по подземной выработке и связанные по каналам связи с устройством распознавания и формирования команд управления.
Имеет преимущество вариант осуществления изобретения, в котором датчики состояния окружающей среды разделены на группы, включающие каждая, по меньшей мере, один датчик из ряда: датчик метана, датчик дыма/пыли, датчик температуры, датчик трещинообразования, и соединены группами с разными соединенными ретрансляторами УВЧ и НЧ диапазонов.
Имеет преимущество вариант осуществления изобретения, в котором соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов выполнены с возможностью получения и передачи по каналам связи сигнала тревоги и/или физиологических параметров и/или параметров движения, и/или с возможностью приема по каналам связи и вывода для восприятия горнорабочим сигналов оповещения.
Имеет преимущество вариант осуществления изобретения, в котором соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов и устройство распознавания и формирования команд управления выполнены с возможностью двусторонней речевой связи.
Имеет преимущество вариант осуществления изобретения, в котором соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов и соединенные ретрансляторы УВЧ и НЧ диапазонов выполнены с возможностью оценки расстояний между ними, а устройство распознавания и формирования команд управления выполнено с возможностью определения местоположения соединенных меток УВЧ и НЧ диапазонов по известным координатам соединенных ретрансляторов УВЧ и НЧ диапазонов и результатам оценки расстояний между соединенными метками УВЧ и НЧ диапазонов и соединенными ретрансляторами УВЧ и НЧ диапазонов.
В описании вариантов осуществления изобретения изложены многочисленные конкретные детали. Тем не менее следует понимать, что варианты изобретения могут быть осуществлены без этих конкретных деталей. В других случаях известные схемы, структуры и технологии не были показаны подробно, чтобы не затруднять понимание этого описания.
В описании и формуле изобретения использованы термины «связаны» и «соединены», а также их производные. Следует понимать, что эти термины использованы не как синонимы друг друга. В некоторых случаях предпочтение отдано термину «соединены», чтобы показать, что два или более элементов могут находиться в непосредственном контакте друг с другом. Термин «связаны» использован, чтобы показать, что два или более элементов сотрудничают или взаимодействуют друг с другом, но они могут быть или не быть в непосредственном контакте.
Функциональная схема системы шахтной связи представлена на фиг.1. Система шахтной связи состоит из устройств, соединенных непосредственно или связанных проводными и/или беспроводными каналами связи и объединенных в отдельные модули. Данное разукрупнение по логическим модулям условно и не налагает ограничений на сущность изобретения.
Модуль 1 состоит из одного или нескольких терминалов наблюдения 11. Терминал 11 предназначен для обеспечения оператора возможностью наблюдения за параметрами окружающей среды, перемещением горнорабочих в зоне контроля, и ввода в систему команд управления и сообщений оповещения. Модуль 1 связан с модулем 2, который содержит, как минимум, одно устройство распознавания и формирования команд управления 21, выполненное, например, на основе компьютера.
Устройство 21 предназначено для распознавания в сообщениях, поступающих от соединенных ретрансляторов УВЧ и НЧ диапазонов, идентификаторов соединенных меток УВЧ и НЧ диапазонов и определения местоположения последних в подземной выработке по известным координатам соединенных ретрансляторов УВЧ и НЧ диапазонов и содержащимся в сообщениях результатам оценки расстояний между соединенными метками УВЧ и НЧ диапазонов и передавшими сообщения соединенными ретрансляторами УВЧ и НЧ диапазонов. Устройство 21 предназначено для мониторинга параметров состояния окружающей среды в подземной выработке, сигналов тревоги от горнорабочих и/или физиологических параметров и/или параметров движения горнорабочих и выдачи в модуль 1 предупреждений о выходе параметров за норму. Устройство 21 предназначено также для определения в аварийном режиме работы шахты безопасных направлений самостоятельной эвакуации горнорабочих и рассылки на переносимые ими соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов индивидуальных сигналов оповещения.
Модуль 3, расположенный в подземной выработке, состоит из датчиков состояния окружающей среды, разделенных на группы 30, включающие каждая, по меньшей мере, один датчик из ряда: датчик метана 31, датчик дыма/пыли 32, датчик температуры 33, датчик трещинообразования 34. Модуль 4 состоит из соединенных ретрансляторов УВЧ и НЧ диапазонов 41, распределенных по подземной выработке и связанных по каналам связи с устройством 21. Датчики, входящие в группы 30, соединены группами с разными соединенными ретрансляторами 41 и через них связаны по каналам связи с устройством распознавания и формирования команд управления 21. Соединенные ретрансляторы 41 оснащены встроенными источниками бесперебойного питания и встроенными антеннами НЧ диапазона.
Модуль 5 содержит соединенные метки УВЧ и НЧ диапазонов 51, переносимые горнорабочими и/или горноспасателями. Соединенные метки 51 связаны двусторонними каналами связи УВЧ и НЧ диапазонов с соединенными ретрансляторами 41. Соединенные ретрансляторы 41 предназначены для определения расстояний до попавших в зону покрытия их радиоканалов соединенных меток 51 при обмене с ними сигналами, а также для передачи в устройство 21 идентификаторов соединенных меток 51 и расстояний до них.
Система шахтной связи работоспособна как в штатном, так и аварийном режимах работы шахты. Штатный режим является режимом повседневного безаварийного производственного функционирования шахты. Аварийный режим - это режим проведения противоаварийных мероприятий, эвакуации горнорабочих вследствие возникновения угрозы их жизни и здоровью, а также спасения попавших под/за завалы или пострадавших иным образом.
В штатном режиме работы шахты соединенные метки 51 используют канал связи УВЧ диапазона, по которому принимают периодически передаваемые соединенными ретрансляторами 41 запросные сигналы и отвечают на эти сигналы. В результате обработки запросных и ответных сигналов оценивается расстояние между соединенными метками 51 и двумя или тремя соединенными ретрансляторами 41, находящимися в зоне действия канала связи УВЧ диапазона соединенных меток 51. Соединенные ретрансляторы 41, установившие связь с соединенными метками 51, передают на устройство 21 по проводному каналу связи сообщения с идентификатором соединенных меток 51 и результатами оценки расстояния между ними и соединенными метками 51. В сообщениях могут передаваться и сигналы тревоги от горнорабочих и/или их физиологические параметры и/или их параметры движения, а также параметры состояния окружающей среды в подземной выработке от датчиков, входящих в группу 30, и соединенных с соответствующим соединенным ретранслятором 41.
Устройство 21 осуществляет непрерывный (в штатном и аварийном режимах работы шахты) автоматизированный мониторинг параметров состояния окружающей среды и состояния горнорабочих и выдает на терминал 11 предупреждение о выходе параметров за нормы. Оператор, получающий через терминал 11 информацию об обстановке на участках горной выработки и/или о состоянии горнорабочих, оценивает ситуацию и, в случае необходимости, посылает через устройство 21 сигналы оповещения горнорабочим. Возможно и автоматическое формирование устройством 21 сигналов оповещения. Получаемые от устройства 21 сигналы оповещения соединенные метки 51 выводят для восприятия горнорабочими в виде мигания головного светильника, в виде звуковых сигналов или в виде воспроизведения речевых сообщений. При использовании цифрового кодирования речи возможна симплексная речевая связь оператора (диспетчера) с горнорабочими.
В аварийном режиме работы шахты, когда часть соединенных меток 51 перестает принимать запросные сигналы, передаваемые соединенными ретрансляторами 41, из-за препятствий распространению радиоволн УВЧ диапазона в виде завала, соединенные метки 51 начинают передавать запросные сигналы по радиоканалу НЧ диапазона. Радиоволны НЧ диапазона распространяются через толщу горных пород и через завал с относительно небольшим затуханием, в сравнении с радиоволнами УВЧ диапазона. Однако для поддержания связи без завала с использованием радиоволн НЧ диапазона требуется больший расход энергии источника питания, чем для поддержания связи без завала на том же расстоянии с использованием радиоволн УВЧ диапазона. Поэтому соединенные метки 51 и соединенные ретрансляторы 41 начинают использовать радиоканал НЧ диапазона только при отсутствии связи по радиоканалу УВЧ диапазона. Ближайшие соединенные ретрансляторы 41 используют для непосредственной связи с устройством 21 проводной канал связи, если он не разорван в результате аварии, или устанавливают связь с устройством 21 через промежуточные соединенные ретрансляторы 41, сначала - по каналу связи УВЧ диапазона, а если не удается, то - по каналу связи НЧ диапазона. Промежуточные соединенные ретрансляторы 41 используют ту же стратегию восстановления связи с устройством 21, если она потеряна. В силу оснащения встроенным бесперебойным источником питания и встроенной антенной НЧ диапазона соединенные ретрансляторы 41 способны поддерживать связь по любому действующему каналу связи при прекращении внешнего питания, а по радиоканалу НЧ диапазона - даже находясь под завалом.
Для поиска людей под/за завалами горноспасатели могут использовать объединенные в мобильное устройство поиска соединенные ретрансляторы 41, устройство 21 и терминал 11. Мобильное устройство поиска, оснащенное соответствующим программным обеспечением, позволяет определить собственное местоположение горноспасателя в поземной выработке и относительное положение горнорабочего под/за завалом.
Система шахтной связи в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает аварийно-устойчивую двустороннюю связь диспетчерского пункта и горнорабочих, а также непрерывный контроль местоположения последних и поиск попавших под/за завал. Применение аналогичных систем для отслеживания перемещения спасателей, пожарных, обслуживающего персонала метро, протяженных тоннелей, закрытых помещений опасных производств и т.д. позволит повысить безопасность их труда.