通過(guò)采用OPM技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦下定位和應(yīng)急通訊的解決方案

在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（Cognitive Radio）領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位的歐麥斯通信（總部位于加拿大多倫多市）面向智慧礦山應(yīng)用，基于自有的OPM（OpportunisTIc Mesh） 技術(shù)，開(kāi)發(fā)出業(yè)內(nèi)實(shí)時(shí)性最高的礦下定位于應(yīng)急通訊系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。

OPM技術(shù)簡(jiǎn)介：

OPM技術(shù)是基于機(jī)會(huì)認(rèn)知機(jī)制的智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（OpportunisTIc Mesh），OPM網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)機(jī)會(huì)地使用網(wǎng)絡(luò)資源：包括無(wú)線頻譜資源和無(wú)線站。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在傳輸每一個(gè)數(shù)據(jù)包的同時(shí)亦在檢測(cè)下一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸可以使用的最佳路徑和無(wú)線頻帶。如果當(dāng)下的物理信道被干擾，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)在毫秒級(jí)的時(shí)間切換的另一個(gè)可用信道。這樣網(wǎng)絡(luò)資源的利用可以達(dá)到其瞬間最大值。通過(guò)建立新的跨層協(xié)議棧設(shè)計(jì)，在技術(shù)上OPM對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的改造，從而大大地提高了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和抗干擾性。網(wǎng)絡(luò)帶寬在經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)后（多跳）保持穩(wěn)定。在下面的量化圖表中可以看到OPM網(wǎng)絡(luò)這兩方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

OPM這些特性對(duì)礦下定位和應(yīng)急通訊方案有非常大的意義。

基于OPM技術(shù)的礦下實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)特性

以O(shè)PM適機(jī)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的第三代井下人員定位管理系統(tǒng)在第二代系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三大功能的根本技術(shù)革新：

在相同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下，OPM比傳統(tǒng)Zigbee組網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)容量提高十倍以上，定位卡可實(shí)現(xiàn)1-2秒定位一次的實(shí)時(shí)定位跟蹤，大大提高實(shí)時(shí)定位精度和實(shí)時(shí)人員定位效果。

布設(shè)（臨時(shí)）定位基站可不用布設(shè)有線（光纖、網(wǎng)線等）連接，無(wú)線基站通過(guò)OPM無(wú)線自組網(wǎng)可以和系統(tǒng)互聯(lián)，并且可以無(wú)線多跳中繼的方式擴(kuò)大無(wú)線網(wǎng)絡(luò)范圍，不影響網(wǎng)絡(luò)容量及定位效果。在沒(méi)有有線連接的采掘面等位置布點(diǎn)可真正實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。

在發(fā)生事故的情況下，如有線網(wǎng)絡(luò)（光纖、網(wǎng)線等）中斷，定位基站可通過(guò)OPM自組網(wǎng)方式無(wú)線互聯(lián)，人員定位信息仍能傳遞到井上供指揮中心及搜救人員實(shí)時(shí)跟蹤被困人員的位置；即便是發(fā)生塌方事故的情況下，搜救人員在挖掘搜救通道的時(shí)候可以通過(guò)瞬時(shí)布點(diǎn)（無(wú)線定位基站）的方式恢復(fù)井下人員定位網(wǎng)絡(luò)的通信暢通找出被困人員位置，同時(shí)系統(tǒng)也能為井上指揮中心提供搜救人員的實(shí)時(shí)定位信息。

綜上所述，基于OPM技術(shù)的定位系統(tǒng)，不但能在正常情況下運(yùn)行，還能在網(wǎng)絡(luò)線路被破壞的非正常情況下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通訊和定位的功能。這對(duì)礦下應(yīng)用非常重要，可以作為礦下通信系統(tǒng)的最后一道防線，與礦下其他如3G，WiFi等語(yǔ)音和寬帶數(shù)據(jù)傳輸為主的通信網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有功能上的重復(fù)。此外，OPM網(wǎng)絡(luò)便捷的組網(wǎng)方式，也適合在煤礦施工初期，作為臨時(shí)通訊定位使用。

基于OPM技術(shù)的礦下實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)概述

OPM礦用實(shí)時(shí)定位管理系統(tǒng)分井上部分和井下部分，系統(tǒng)亦可根據(jù)客戶的不同需求定制部分硬件和軟件。

井上部分為礦產(chǎn)公司設(shè)在井上的定位服務(wù)器，定位顯示終端等，本系統(tǒng)接口軟件可與原用戶定位軟件對(duì)接。接口軟件負(fù)責(zé)與井下系統(tǒng)進(jìn)行通信，收集與傳輸信息，并通過(guò)客戶定義的命令接口或者數(shù)據(jù)庫(kù)接口更新數(shù)據(jù)到定位服務(wù)器或者定位終端的GIS系統(tǒng)。同時(shí)接收客戶的命令或數(shù)據(jù)并傳到井下的基站和定位卡。

井下部分包含定位基站和定位卡：基站可以是常設(shè)基站，也可以是臨時(shí)基站。常設(shè)基站安裝推薦連接本安型直流穩(wěn)壓電源和斷電備用電池，并連接有線網(wǎng)絡(luò)（基站板卡帶以太網(wǎng)接口）。臨時(shí)基站無(wú)需連接穩(wěn)壓電源和有線網(wǎng)絡(luò)，可由電池供電并持續(xù)工作一周以上，并通過(guò)OPM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到系統(tǒng)。在緊急情況下，比如斷電斷（有線）網(wǎng)的情況下，常設(shè)基站可自動(dòng)轉(zhuǎn)成臨時(shí)基站，保證系統(tǒng)通信暢通。根據(jù)礦內(nèi)實(shí)際情況，常設(shè)基站亦可不連接有線網(wǎng)絡(luò)（光纖、網(wǎng)線等）。

基站之間通過(guò)以太網(wǎng)（TCP/IP）或者OPM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接將定位卡信息上傳至井上的定位服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)礦內(nèi)人員的實(shí)時(shí)定位管理。使用14dBi平板天線，基站之間的單跳（無(wú)中繼）無(wú)線通信覆蓋距離可達(dá)1公里，一般推薦井下布點(diǎn)距離為200米，實(shí)現(xiàn)礦內(nèi)無(wú)線全覆蓋。基站同時(shí)可連接瓦斯檢測(cè)等傳感設(shè)備，并可與礦內(nèi)其它無(wú)線通信設(shè)備，如WiFi， 3G， 等良好共存，可共用天線。單個(gè)基站故障不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)并可及時(shí)診斷定位故障基站。

礦內(nèi)人員或設(shè)備攜帶定位卡，定位卡定時(shí)與周?chē)具M(jìn)行無(wú)線連接，收發(fā)控制及定位等信息。定位卡同時(shí)支持發(fā)送報(bào)警信號(hào)和接受撤退信號(hào)，高端定位卡可支持應(yīng)急語(yǔ)音通信。定位卡帶低電報(bào)警功能，單次充電連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)1年（取決于定位掃描間隔時(shí)間）。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)符合AQ標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能如下：

在硬件上，定位卡和基站組成定位系統(tǒng)的主要硬件部分。

定位卡分為幾種類型：

定位卡（60X38mm）

基本型：2個(gè)LED輸出和2個(gè)按鈕輸入。按鈕輸入分別為服務(wù)器對(duì)卡的警告的確認(rèn)按鈕和卡自身的報(bào)警按鈕。定位卡帶可編程MCU，和USB端口（可傳輸傳感器數(shù)據(jù)，比如瓦斯傳感器等）。

簡(jiǎn)易型：2個(gè)LED輸出和2個(gè)按鈕輸入。按鈕輸入分別為服務(wù)器對(duì)卡的警告的確認(rèn)按鈕和卡自身的報(bào)警按鈕。定位卡不帶應(yīng)用MCU，USB端口僅用于充電和定位卡配置。

全功能型：相比基本型，LED升級(jí)為液晶顯示或者OLED顯示和增加上下翻頁(yè)功能鍵，同時(shí)支持定位卡與服務(wù)器的應(yīng)急語(yǔ)音通信。

定位卡選可采用板載天線或者增強(qiáng)型陶瓷天線設(shè)計(jì)。

定位基站按有無(wú)外接電源分為常設(shè)基站和臨時(shí)基站。常設(shè)基站由電纜供電可持續(xù)工作，臨時(shí)基站則是電池供電工作一周以上（電池容量12V20Ah）。供電電壓為4.8V至12V?；居布M成如下所示。若選擇臨時(shí)基站，則配置電池并可以省略以太網(wǎng)接口和485總線接口。