通過采用OPM技術(shù)實現(xiàn)礦下定位和應(yīng)急通訊的解決方案

在認(rèn)知無線網(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)，開發(fā)出業(yè)內(nèi)實時性最高的礦下定位于應(yīng)急通訊系統(tǒng)參考設(shè)計。

OPM技術(shù)簡介：

OPM技術(shù)是基于機會認(rèn)知機制的智能無線網(wǎng)絡(luò)（OpportunisTIc Mesh），OPM網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點自動機會地使用網(wǎng)絡(luò)資源：包括無線頻譜資源和無線站。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在傳輸每一個數(shù)據(jù)包的同時亦在檢測下一個數(shù)據(jù)包傳輸可以使用的最佳路徑和無線頻帶。如果當(dāng)下的物理信道被干擾，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會在毫秒級的時間切換的另一個可用信道。這樣網(wǎng)絡(luò)資源的利用可以達(dá)到其瞬間最大值。通過建立新的跨層協(xié)議棧設(shè)計，在技術(shù)上OPM對傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的改造，從而大大地提高了網(wǎng)絡(luò)擴展性和抗干擾性。網(wǎng)絡(luò)帶寬在經(jīng)過多個節(jié)點后（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。

OPM這些特性對礦下定位和應(yīng)急通訊方案有非常大的意義。

基于OPM技術(shù)的礦下實時定位系統(tǒng)參考設(shè)計特性

以O(shè)PM適機認(rèn)知無線網(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，定位卡可實現(xiàn)1-2秒定位一次的實時定位跟蹤，大大提高實時定位精度和實時人員定位效果。

布設(shè)（臨時）定位基站可不用布設(shè)有線（光纖、網(wǎng)線等）連接，無線基站通過OPM無線自組網(wǎng)可以和系統(tǒng)互聯(lián)，并且可以無線多跳中繼的方式擴大無線網(wǎng)絡(luò)范圍，不影響網(wǎng)絡(luò)容量及定位效果。在沒有有線連接的采掘面等位置布點可真正實現(xiàn)井下無線網(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OPM自組網(wǎng)方式無線互聯(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時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候可以通過瞬時布點（無線定位基站）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，同時系統(tǒng)也能為井上指揮中心提供搜救人員的實時定位信息。

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行，還能在網(wǎng)絡(luò)線路被破壞的非正常情況下，實現(xiàn)應(yīng)急通訊和定位的功能。這對礦下應(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等語音和寬帶數(shù)據(jù)傳輸為主的通信網(wǎng)絡(luò)，沒有功能上的重復(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，作為臨時通訊定位使用。

基于OPM技術(shù)的礦下實時定位系統(tǒng)參考設(shè)計概述

OPM礦用實時定位管理系統(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，并通過客戶定義的命令接口或者數(shù)據(jù)庫接口更新數(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）。臨時基站無需連接穩(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OPM無線網(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)基站可自動轉(zhuǎn)成臨時基站，保證系統(tǒng)通信暢通。根據(jù)礦內(nèi)實際情況，常設(shè)基站亦可不連接有線網(wǎng)絡(luò)（光纖、網(wǎng)線等）。

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

礦內(nèi)人員或設(shè)備攜帶定位卡，定位卡定時與周圍基站進(jìn)行無線連接，收發(fā)控制及定位等信息。定位卡同時支持發(fā)送報警信號和接受撤退信號，高端定位卡可支持應(yīng)急語音通信。定位卡帶低電報警功能，單次充電連續(xù)工作時間可達(dá)1年（取決于定位掃描間隔時間）。

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

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LED輸出和2個按鈕輸入。按鈕輸入分別為服務(wù)器對卡的警告的確認(rèn)按鈕和卡自身的報警按鈕。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）。

簡易型：2個LED輸出和2個按鈕輸入。按鈕輸入分別為服務(wù)器對卡的警告的確認(rèn)按鈕和卡自身的報警按鈕。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升級為液晶顯示或者OLED顯示和增加上下翻頁功能鍵，同時支持定位卡與服務(wù)器的應(yīng)急語音通信。

定位卡選可采用板載天線或者增強型陶瓷天線設(shè)計。

定位基站按有無外接電源分為常設(shè)基站和臨時基站。常設(shè)基站由電纜供電可持續(xù)工作，臨時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。若選擇臨時基站，則配置電池并可以省略以太網(wǎng)接口和485總線接口。