Коммуникационная система для подземных сооружений
COMMUNICATION SYSTEM FOR UNDERGROUND STRUCTURES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике связи и может быть использовано на предприятиях с подземной добычей полезных ископаемых, в различных туннелях, подземных хранилищах и других протяженных объектах для голосовой связи и обмена сообщениями между абонентами, а также для оперативного управления, контроля местонахождения персонала и мониторинга состояния окружающей среды.
Уровень техники
Известна система шахтной связи (см. патент RU 2508449, МПК: E21F17/18, опубл. 27.02.2014), содержащая наземный программно-технический комплекс контроля и управления, соединенные с ним стационарные подземные базовые станции, выполненные с возможностью связи с абонентами и друг с другом в двух диапазонах радиоволн УВЧ (ультравысокой частоты) и НЧ (низкой частоты), размещенные на подвижных объектах передатчики УВЧ и НЧ диапазонов, а также датчики состояния окружающей среды, распределенные по подземной выработке. В обычном режиме работы система использует УВЧ-диапазон и при цифровом кодировании позволяет осуществлять симплексную речевую связь диспетчера с рабочими. НЧ - диапазон используется для связи базовых станций с подвижными объектами в аварийном режиме через завалы горных пород.
Известны и другие системы беспроводной высокочастотной связи, используемые в подземных сооружениях, см. патенты RU 2180941, US 7725232, WO 2009118762 и т.д.
Недостатком всех вышеупомянутых систем является использование радиоволн, которые распространяются только в пределах прямой видимости. Однако реальные горные выработки не отличаются прямолинейностью, и для передачи сигнала вдоль протяженного туннеля требуется размещение базовых станций (ретрансляторов) практически через каждые 100-150 м. Большие затраты на установку стационарного приемо-передающего оборудования и подведение к нему электрического питания ведут к высокой стоимости всей системы. При этом, в аварийных ситуациях при разрушении горной выработки и нарушении прямой видимости, такая связь не работает.
Известна подземная система радиосвязи, содержащая базовые станции, размещенные на подвижных объектах абонентские терминалы и канализатор в виде излучающего кабеля (см. патент RU 103044U1, МПК: Н04В5/00, опубл. 20.03.2011). Эта система имеет аналогичные недостатки. Вследствие потерь энергии на излучение, в излучающем кабеле достаточно быстро происходит затухание сигнала, что ведет к необходимости установки ретрансляторов (линейных усилителей) через каждые 200-300м.
Известно устройство СВЧ (сверхвысокочастотной) связи в подземных выработках шахт (см. патент RU 2090974, МПК: Н04В5/02, опубл. 20.09.97), использующее для связи наземного оборудования с расположенными под землей абонентскими приемо-передатчиками однопроводные линии, проложенные вдоль подземных выработок, так называемые волноводы. Волноводы не излучают электромагнитное поле во внешнее пространство, а лишь образуют среду для распространения сигналов, которые передаются на оконечные устройства за счет индуктивной связи между волноводом и антенной абонентского терминала.
В отличие от излучающих кабелей, в волноводе отсутствуют потери энергии на излучение, что позволяет передавать сигналы на большие расстояния - 5 км и более. Дальность связи является существенным достоинством использования волноводов.
К недостаткам устройства по патенту RU 2090974 следует отнести использование высокочастотного диапазона. В этом случае электромагнитное поле передаваемых сигналов сосредоточено вокруг волновода и антенна абонентского приемопередатчика не попадает в зону его действия, что ведет к необходимости установки переизлучателей вдоль волновода. Кроме того, эффективность однопроводной СВЧ связи зависит от расположенных вблизи волновода металлических предметов, каждый из которых может стать источником вторичного излучения и соответственно потерь.
Подобных недостатков лишена система подземной связи, раскрытая в патенте США US4777652, МПК: Н04В5/00, опубл. 11.10.88г, использующая для передачи информации более низкие частоты электромагнитных колебаний. Эта система принята в качестве наиболее близкого аналога, по наличию признаков, сходных с существенными признаками заявляемого технического решения.
Система связи по патенту US 4777652 включает наземный управляющий комплекс и связанные с ним стационарные базовые станции, выполненные с возможностью приема и передачи сигналов средневолнового (далее – СВ) диапазона. На подвижных объектах размещены абонентские терминалы с приемопередатчиками, работающими в СВ диапазоне. В качестве линии связи между абонентскими терминалами и базовой станцией использованы проложенные вдоль подземных выработок кабели питания, выполняющие функции волноводов. Базовая станция подключена к кабелю через специальный ответвитель. Для аварийных ситуаций предусмотрен режим использования угольного пласта в качестве среды для передачи сигнала от клеточного ретранслятора.
Существенным достоинством известной системы является использование средневолнового диапазона для передачи сигналов между стационарной базовой станцией и мобильными абонентскими терминалами через волновод. Сигналы СВ диапазона, имеющие большую длину волны (100-1000м), способствуют созданию вокруг волновода электромагнитного поля аналогичного радиуса действия, в результате чего в зону его действия попадают все абонентские терминалы, находящиеся в этот момент в подземной выработке, а значит и антенны их приемопередатчиков, которые воспринимают распространяющийся вдоль волновода сигнал в любом месте горной выработки. В этом случае отсутствует необходимость установки дополнительных переизлучателей, система является очень простой и обеспечивает большую дальность связи с подвижными объектами, оборудованными абонентскими терминалами.
К недостаткам ближайшего аналога следует отнести то, что система может обеспечить лишь диспетчерскую связь, которая строится по принципу «все со всеми», когда в эфире одновременно слышны все передающие абоненты, что обусловлено использованием всего двух частот СВ диапазона, одна из которых служит для передачи сообщений, а другая - для развязки сигналов. Ограниченные возможности системы не позволяют одновременно проводить независимые сеансы связи для нескольких абонентов.
Другим недостатком этой системы является низкая надежность работы в аварийных ситуациях.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание системы связи, основанной на использовании волноводов в качестве линии связи и СВ диапазона для передачи сигналов, и при этом обеспечивающей гарантированный индивидуальный ресурс для каждого абонента, позволяющий ему автономно, т. е. независимо от других абонентов и одновременно с ними, вести переговоры, осуществлять прием или передачу данных.
Раскрытие сущности изобретения
Вышеупомянутая техническая проблема решена за счет того, что в коммуникационной системе для подземных сооружений, содержащей наземный программно-технический комплекс, связанные с ним стационарные базовые станции, выполненные с возможностью приема и передачи сигналов средневолнового диапазона, размещенные на подвижных объектах абонентские терминалы с антеннами и приемопередатчиками средневолнового диапазона, и проложенные вдоль подземных выработок волноводы, к которым подключены базовые станции, согласно заявляемому изобретению, базовые станции размещены под землей в узловых точках маршрутов подвижных объектов и связаны между собой волноводами, каждой базовой станции выделен свой частотный диапазон внутри средневолнового диапазона, разделенный на каналы, которые используются для регистрации абонентских терминалов, передачи данных и голосовой связи между абонентами, при этом абонентские терминалы снабжены, каждый, устройством автоматической настройки антенны на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентом.
Один технический результат, достигаемый в результате использования предлагаемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей системы и обеспечении возможности независимой связи для каждого абонента, при сохранении большой дальности связи.
Другой технический результат заключается в повышении надежности работы коммуникационной системы в аварийных ситуациях.
Одним существенным отличием предлагаемой системы от ближайшего аналога является использование разделения частотного ресурса в СВ диапазоне между подземными базовыми станциями и выполнение каждой станции с возможностью работы в многоканальном режиме.
Принцип разделения частотного ресурса известен и широко используется в высокочастотной беспроводной связи. Однако, в отличие от высокочастотных антенн, малогабаритные антенны СВ диапазона имеют узкую полосу пропускания, т.е. диапазон частот, в котором антенна работает без дополнительной настройки, что не позволяет реализовать многоканальную связь в СВ диапазоне при простом использовании известных средневолновых антенн.
В предлагаемой системе упомянутое противоречие решено за счет того, что абонентские терминалы снабжены устройствами автоматической настройки антенны на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентом.
В совокупности, упомянутые отличительные признаки предлагаемого технического решения обеспечивают возможность реализации многоканальной связи, осуществляемой в средневолновом диапазоне через волновод, и то, что каждый абонент системы имеет гарантированный индивидуальный канал, выделяемый для него базовой станцией, в зоне действия которой этот абонент находится. По этому каналу он может независимо от других абонентов и одновременно с ними осуществлять переговоры или передавать и принимать данные.
Другим существенным отличием от известных аналогов является то, что размещенные под землей базовые станции связаны между собой посредством волноводов, что в совокупности с разделением частотного ресурса между базовыми станциями, обеспечивает возможность работы базовых станций при повреждении каналов связи с наземным комплексом, например, в аварийной ситуации.
В этом случае часть частотного ресурса базовых станций задействуется для организации связи с соседними базовыми станциями, осуществляемой через волноводы, остальные каналы продолжают использоваться для обслуживания абонентов. При этом телеметрические данные и записи голосовых сеансов связи сохраняются в энергонезависимой памяти базовых станций.
Использование для связи волноводов и СВ диапазона частот, обеспечивает простоту системы, повышенную надежность, минимальное количество стационарных базовых станций и большую дальность связи – 5 км и более.
Под термином «наземный программно-технический комплекс» понимается совокупность технических и программных средств, работающих совместно и выполняющих функции центра управления и коммутации: соединение абонентов, организацию эстафетной передачи абонентов между базовыми станциями, соединение абонента с абонентами телефонной линии общего пользования, сбор телеметрических данных от абонентов.
Под термином «абонентский терминал» понимается оконечное мобильное оборудование, находящееся в пользовании абонента, служащее для его подключения к сети передачи данных и обмена информацией с базовой станцией или другим абонентом. Устройство абонентского терминала обеспечивает возможность приема и передачи сигналов в средневолновом диапазоне.
Термин «базовая станция» обозначает стационарный комплекс приемо-передающей аппаратуры, размещенной в горной выработке и осуществляющей централизованное обслуживание группы оконечных устройств (абонентских терминалов), находящихся в зоне ее действия.
Волновод образует канал связи между базовыми станциями и абонентскими терминалами, служит для передачи сигналов. Подключение базовой станции к волноводу осуществляется непосредственно, а абонентского терминала – с помощью антенны, которая находится с волноводом в индуктивной связи.
В качестве волноводов могут быть использованы имеющиеся в шахте телефонные, сигнальные кабели, кабели питания или другие металлические направляющие. Однако предпочтительным является использование изолированных от прочих кабелей одно- или двухпроводных линий, подключенных одним концом к базовым станциям, что позволяет минимизировать помехи, характерные для случаев использования кабеля питания (например, в прототипе). На втором конце проводной линии может быть закреплена согласующая нагрузка.
Двухпроводные линии, в сравнении с однопроводными, менее восприимчивы к электромагнитным помехам, создаваемым работающим в шахте электрооборудованием и кабельными линиями, к наведению индукционных токов в металлической крепи горной выработки, к помехам, вызванным перетеканием токов между заземлителями.
Для обеспечения возможности работы в автономном режиме в аварийных ситуациях абонентские терминалы и базовые станции снабжены аккумуляторами и энергонезависимой памятью.
Предлагаемая коммуникационная система может быть использована для контроля местонахождения подвижных объектов и мониторинга состояния окружающей среды.
В этом случае она дополнительно комплектуется автономными радиометками позиционирования, которые размещают в подземных выработках с шагом, определяемым допустимой ошибкой позиционирования.
Каждая радиометка представляет собой передатчик ограниченного радиуса действия, местоположение которого известно. При этом радиометка может включать другие функциональные блоки.
Для связи с радиометками, а также с другими источниками информации, например, датчиками технологических процессов, газоанализаторами и прочими объектами шахтной инфраструктуры, на абонентские терминалы устанавливаются приемопередатчики ближнего радиуса действия (УКВ-приемопередатчики).
Такое конструктивное исполнение обеспечивает дополнительное расширение функциональных возможностей системы, а именно: возможность оперативного отслеживания местоположения подвижных объектов, мониторинг технологических процессов и окружающей среды, управление оборудованием.
Дополнительно абонентские терминалы могут быть снабжены блоком инерциальной навигации, включающим акселерометры, магнитометры и гироскопы. Использование инерциальной навигации позволяет сократить количество радиометок позиционирования и обеспечить требуемую точность определения местоположения подвижного объекта.
С целью повышения уровня охраны труда и промышленной безопасности абонентские терминалы могут быть оснащены датчиками контроля параметров рабочей зоны (температуры, содержания горючих, опасных и вредных газов и т.д.).
Краткое описание чертежей
Суть заявляемого технического решения поясняется примерами конкретного исполнения и чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 – структурная схема системы, общий вид;
на фиг. 2 – поперечное сечение горной выработки с двухпроводным волноводом;
на фиг. 3 – пример использования системы для оперативного контроля местоположения персонала и контроля технологических процессов.
Осуществление изобретения
Коммуникационная система для подземных сооружений (см. фиг. 1) содержит наземный программно-технический комплекс контроля и управления (далее - наземный комплекс) 1, связанные с ним транспортным каналом 2 стационарные подземные базовые станции 3, проложенные вдоль туннелей подземных выработок волноводы 4, подключенные одним концом к базовым станциям 3, и волноводы 5, соединяющие между собой соседние базовые станции 3.
Подвижные объекты: персонал, транспортные средства и подвижное технологическое оборудование, находящиеся в подземных выработках, оснащены абонентскими терминалами 6.
В качестве транспортного канала 2 высокоскоростной универсальной связи может быть использован проводной канал Ethernet.
В качестве волноводов 4 и 5 могут быть использованы одно- или двухпроводные линии. В случае двухпроводной линии ее проводники 7 и 8 размещают на противоположных стенках горной выработки (см. фиг.2).
Базовые станции 3, в состав которых входят: приемопередатчик СВ диапазона, управляющее оборудование, источник электрического питания с аккумулятором и блок энергонезависимой памяти, размещены в узловых точках маршрутов перемещения подвижных объектов.
Каждой базовой станции 3 выделен индивидуальный частотный ресурс внутри средневолнового диапазона, разделенный на несколько каналов. В нормальном (рабочем) режиме работы часть каналов базовой станции 3 используется для регистрации абонентских терминалов, остальные служат для переговоров между абонентами и передачи телеметрических данных.
Для обеспечения возможности связи с базовыми станциями 3 абонентский терминал 6 снабжен приемопередатчиком СВ-диапазона и малогабаритной резонансной антенной с устройством автоматической настройки на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентским терминалом.
Принципы построения устройств, обеспечивающих автоматическую настройку антенны на частоту резонанса, совпадающую с частотой выделенного канала, известны специалистам в данной области техники, поэтому конкретное исполнение упомянутого устройства в заявке не рассматривается.
В рабочем режиме связь между абонентами осуществляется через наземный комплекс 1, который координирует сеансы связи: принимает запросы от абонентских терминалов 6, находит адрес запрашиваемого для связи абонента и переадресует этот запрос соответствующей базовой станции 3. При этом все сигналы между абонентскими терминалами 6 и наземным комплексом 1 передаются через базовые станции 3, которые обеспечивают преобразование передаваемых сигналов.
Передача сигналов между абонентскими терминалами 6 и базовыми станциями 3 осуществляется посредством волноводов 4, при этом базовая станция 3 подключена к волноводу 4 непосредственно, а абонентские терминалы 6 взаимодействуют с волноводом 4 посредством антенны, находящейся с ним в индуктивной связи.
Антенна приемопередатчика абонентского терминала 6 при приеме воспринимает сигнал, распространяющийся вдоль волновода 4, а при передаче - наводит в нем ЭДС (электродвижущую силу) сигнала, под действием которой в волноводе возникает ток, поступающий на вход базовой станции 3.
По существу, волновод 4 представляет собой антенну приемопередатчика базовой станции 3, к которой базовая станция подсоединена одним концом при использовании однопроводного волновода или двумя концами - для двухпроводного волновода.
Благодаря использованию СВ диапазона, достигается большой радиус действия электромагнитного поля, образуемого вокруг волновода 4, что обеспечивает надежную связь в любой точке сечения горной выработки. Абонентский терминал 6, находясь в любой точке туннеля 9 выработки, может принимать сигналы от базовой станции, передаваемые по волноводу, и сам осуществлять передачу (см. фиг. 2).
Абонентский терминал 6 в автоматическом режиме сканирует в СВ диапазоне каналы системы, осуществляя постоянный поиск наиболее близкой базовой станции 3, определяемой по силе сигнала. После определения наиболее сильного сигнала выполняется автоматическая настройка антенны абонентского терминала 6 на частоту этой станции и передача запроса на регистрацию в ней.
Зарегистрированному на базовой станции 3 абонентскому терминалу 6, выделяется гарантированный частотный ресурс – канал (подканал) в СВ диапазоне, в котором осуществляется передача данных только этого абонента. При этом предлагаемая система обеспечивает возможность двусторонней связи.
При переходе абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой базовой станции, антенна абонентского терминала 6 перенастраивается на частотный канал, выделяемый другой базовой станцией. При пересечении границы зоны действия базовой станции, производится автоматическое переключение абонентского терминала на обслуживание другой базовой станции.
В аварийных режимах работы, при отказе высокоскоростной универсальной связи с наземным комплексом 1, часть частотного ресурса каждой базовой станции 3 задействуется на организацию связи с соседними базовыми станциями. Базовые станции 3 начинают работать в режиме ретрансляции, связываясь между собой через волноводы 5. При этом базовые станции 3 продолжают обслуживание абонентских терминалов 6, находящихся в зоне их действия, используя остальную часть частотного ресурса в СВ диапазоне. Телеметрические данные и записи голосовых сеансов связи сохраняются в энергонезависимой памяти базовых станций 3.
В результате обеспечивается возможность автономного функционирования системы целиком или ее частей в условиях отсутствия связи с наземным комплексом 1.
На фиг. 3 показан пример использования коммуникационной системы для оперативного отслеживания перемещения персонала и других подвижных объектов в горных выработках, для контроля технологических процессов и мониторинга окружающей среды.
В этом случае система содержит стационарные автономные радиометки 10 позиционирования, например, УКВ-маяки, имеющие ограниченный радиус действия, которые размещаются в горных выработках в соответствии с требованиями к точности позиционирования и используются в качестве точек отсчета в локальных системах координат.
Наряду с радиометками 10, в подземных выработках могут быть размещены различные датчики технологических процессов, датчики параметров окружающей среды, модули удаленного ввода-вывода, также оснащенные приемопередатчиками ограниченного (малого, ближнего) радиуса действия. Эти автономные источники и приемники информации обозначены на фиг. 3 как устройства 11.
Для связи с радиометками 10 и возможности обмена информацией с устройствами 11, каждый абонентский терминал 6 дополнительно оснащен приемопередатчиком ближнего радиуса действия, работающим в УКВ – диапазоне.
Под использованным термином «приемопередатчик» понимается любая возможная комбинация из приемника и передатчика (не только размещенная в общем корпусе), включающая соответствующую антенну и другие функционально необходимые узлы.
Дополнительно абонентский терминал 6 может быть оснащен блоком инерциальной навигации, включающим акселерометры, магнитометры и гироскопы, и обеспечивающим расчет местоположения терминала 6 относительно меток 10.
Для контроля параметров рабочей зоны в абонентский терминал 6 могут быть встроены различные датчики, например, температуры, и различные газоанализаторы, контролирующие концентрацию горючих, опасных и вредных газов в зоне дыхания.
Результаты расчета местоположения и данные, полученные от встроенных в терминал датчиков и устройств 11, абонентские терминалы 6 передают на базовые станции 3 через волноводы 4, используя средневолновой диапазон.
Далее информация поступает на наземный комплекс 1, который обрабатывает данные, непрерывно рассчитывает текущие риски деятельности для каждого работника и передает расчетные данные обратно на абонентские терминалы 6, информируя персонал о возникшей опасности.
Результаты расчета местоположения и данные, полученные от встроенных в терминал датчиков и устройств 11, сохраняются в энергонезависимой памяти абонентских терминалов 6 и, при необходимости, могут быть считаны непосредственно в наземный комплекс 1 на поверхности.
Вышеприведенные примеры следует рассматривать как иллюстративные, которые не ограничивают возможностей использования системы в других случаях, являющихся очевидными для практикующих специалистов в данной области техники.