Беспроводная связь под землей:микросотовые системы или излучающий кабель?

В.И.Мартынов, ведущий специалист, д.т.н., «Компания «Информационная Индустрия»

Эффективность функционирования предприятий горнодобывающих отраслей промышленности и уровень безопасности труда на них во многом определяются возможностями и состоянием используемых систем горно!подземной связи и, в первую очередь, систем беспроводной связи. Системы беспроводной связи под землей должны обеспечить передачу речевого трафика и информации, циркулирующей в автоматизи! рованных системах дистанционного управления (АСДУ). Это обусловливает необходимость внедрения в подземном пространстве шахт (рудников) самых современных технологий беспроводной связи, характери! зующихся возможностью высококачественной передачи значительных объемов оперативной информации при высокой надежности системы. Узловой задачей проектирования систем горно!подземной беспровод! ной связи является создание зоны (зон) радиопокрытия в подземном пространстве шахты (рудника).

До недавнего времени практически единственной технологией создания сплошной зоны радиопокрытия была технология, основанная на применении проложенного вдоль выработки специального волновода (чаще всего – излучающего кабеля). В мире реализовано более 300 крупных проектов по созданию систем связи на излучающем кабеле в тоннелях, на метрополитене, в крупных шахтах. Специалисты по связи в условиях подземных выработок освоили особенности проектирования, строительства и эксплуатации таких систем (фото 1).

В последние годы в России были реализованы первые проекты по оборудованию шахт системами связи на основе технологии микросотовой сети стандарта DECT (фото 2). Подобные попытки в других странах хотя и предпринимались (система Ucelnet, разработанная университетом Curtin University, КНР), но оказались безуспешны. Стремление к созданию систем горно-подземной связи на оборудовании стандарта DECT объясняется тем, что данное оборудование хорошо зарекомендовало себя при построении систем связи в офисах и на небольших строительных площадках и имеет целый ряд достоинств, в том числе: - мобильность абонента в пределах сети; - высокое качество предоставляемого дуплексного канала связи (достигается применением современных цифровых технологий формирования и обработки сигналов); - высокая скорость развертывания системы.

Вместе с тем, естественно, что условия функционирования системы горно-подземной связи существенно отличаются от условий, существующих в наземных объектах. Поэтому возможность перспективного применения технологии стандарта DECT в условиях подземного пространства и использования микросотовой системы стандарта DECT в качестве полноценной альтернативы излучающему кабелю становится актуальным для горнодобывающей отрасли и требует специального рассмотрения.

Эффективность применения аппаратуры шахтной связи определяется степенью ее соответствия требованиям, предъявляемым к ней горным производством.

Основными требованиями, предъявляемыми к обслуживающим шахту информационным системам, являются: 1. Возможность создания на их базе общешахтной информационной сети, совместимой с существующими системами связи и сигнализации (п.п.540, 545 «Правил безопасности в угольных шахтах» ПБ 05-618-03). 2. Приспособленность оборудования к эксплуатации в подземных условиях, в том числе при быстро меняющейся топологии горных выработок (возможность быстрой смены мест установки базовых станций, оперативной прокладки новых линий связи и кабелей электропитания). 3. Соответствие характеристик оборудования требованиям, предъявляемым к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию (ГОСТ Р 51330-99).

Рассмотрим основные особенности технологии DECT для оценки возможности ее применения на предприятиях горнодобывающих отраслей промышленности с учетом перечисленных требований.

Диапазон частот

В стандарте DECT используются радиочастоты диапазона 1880–1900 МГц. В указанном диапазоне в капитальных прямолинейных горных выработках с сечением от 10 м2 дальность устойчивой радиосвязи не превышает 350 м. При уменьшении сечения выработки дальность устойчивой радиосвязи уменьшается пропорционально площади поперечного сечения выработки. В случае нахождения в горной выработке транспортного средства (электровоз, погрузочно-доставочная техника и др.) между базовой станцией и абонентской радиостанцией или репитером связь зачастую прерывается из-за уменьшения эквивалентного сечения выработки и экранирующего эффекта металлоконструкций. Радиоволны данного диапазона имеют ограниченную возможность огибать препятствия и крутые повороты выработок - вентиляционные двери и пересечения выработок, что ведет к необходимости установки в выработке дополнительных базовых станций. Радиосвязь в указанном диапазоне в сильной степени подвержена воздействию помех, возникающих при коммутации мощного (более 500 кВт) силового оборудования, эксплуатируемого в шахте.

Максимальная скорость перемещения абонента

Уверенная связь обеспечивается в случае, если скорость перемещения абонента в зоне обслуживания системы DECT не превышает 6 км/ч. При превышении указанной скорости велика вероятность разрыва установленного соединения при переходе абонента из зоны обслуживания одной базовой станции в зону обслуживания другой базовой станции.

Предел допустимой скорости перемещения абонентской радиостанции явно недостаточен для обеспечения связи с машинистами (водителями) подземных транспортных средств, а также в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, требующих немедленной эвакуации персонала из шахты. Для снижения вероятности разрыва соединения на скорости свыше 6 км/ч требуется обеспечить значительное перекрытие зон обслуживания соседних базовых станций, что ведет к значительному увеличению числа базовых станций.

Размеры зоны радиопокрытия

Зона радиопокрытия системы DECT представляет собой совокупность зон радиопокрытия, образуемых отдельными базовыми станциями. Поэтому размеры зоны радиопокрытия системы DECT определяются максимально возможным удалением базовой станции от контроллера (коммутатора) и размерами зоны каждой базовой станции. Базовые станции подключаются к контроллеру (коммутатору) системы по интерфейсам Up (Uk) либо Е1. Как правило, интерфейс Е1 используется для подключения базовых станций с количеством каналов 6–10 в системах WLL, характеризующихся наличием у абонентов стационарных терминалов. В этом случае проще организовать вынос базовой станции на значительное расстояние по стандартным каналам связи. Специфика использования систем связи с подвижными абонентами – обеспечение зон радиопокрытия в одном или нескольких зданиях, на прилегающей территории, а при использовании на шахтах – в подземных выработках. В этом случае требуется значительное количество малоканальных (как правило – 4-канальных) базовых станций, питание которых может обеспечиваться от коммутатора системы. Поэтому базовая станция подключается к контроллеру (коммутатору) системы по интерфейсу Up (Uk). В этом случае расстояние между базовой станцией и контроллером (коммутатором) не превышает 1.5–3 км (в зависимости от фирмы-производителя оборудования). В случае, если электропитание базовой станции осуществляется от местного источника, указанное расстояние возрастает до 5 км.

Дальнейшее увеличение расстояния связано с применением репитеров, однако в данном случае расстояние увеличивается не более, чем на 600–800 м при сохранении требования к обеспечению электропитания. Размеры зоны радиопокрытия отдельной базовой станции в условиях подземных горных выработок определяются совокупностью многих факторов, основными среди которых являются: гипсометрия пласта, геометрия выработки, параметры антенно-фидерных устройств, но в любом случае не превышают 300–350 м. Монтаж базового оборудования Качество связи в горной выработке в значительной степени зависит от способа и качества выполнения монтажа базовых станций и их антенн. С целью увеличения зоны обслуживания базовых станций стремятся использовать направленные антенны с коэффициентом усиления до 7–9 дБ, располагающиеся вне корпуса базовой станции. При монтаже таких антенн необходимо обеспечить пространственный разнос между ними (порядка 1.0–1.6 м) и устанавливать их не ближе 20–30 см от свода выработки.

В горных выработках малого размера данное требование не всегда может быть выполнено, а это ведет к уменьшению предполагаемой дальности радиосвязи. Так как для обеспечения разнесенного приема в целях уменьшения влияния быстрых замираний обе антенны базовой станции должны быть направлены в одну сторону выработки, увеличение дальности связи в одном направлении приводит к уменьшению ее в противоположном. Оперативность установления связи Для вхождения в связь абоненту DECT всегда требуется набрать номер, что вполне приемлемо для офиса, но неудобно или зачастую недопустимо для шахтной связи, например, при возникновении чрезвычайных ситуаций, при вызове диспетчера, работе абонентов в группе для решения технологической задачи. При занятости вызываемого абонента вызывающий абонент получает отказ в соединении. Возможность голосовой активации режима передачи в стандарте DECT отсутствует.

Услуги связи

Технология DECT не предусматривает реализацию режимов закрепления канала за конкретным абонентом (режим прямого абонента). Для организации вызова группы абонентов используется режим конференцсвязи. В свою очередь, режим конференцсвязи, как правило, реализуется не оборудованием системы DECT, а оборудованием АТС, к которой подключена система DECT. Режим циркулярного (общего) вызова всех абонентов системы, например, для передачи сообщений горным диспетчером, не реализован. Необходимость наличия указанных режимов особенно проявляется в чрезвычайных ситуациях.

Возможность связи без базового оборудования

Ряд производителей абонентских радиостанций стандарта DECT предусматривает режим связи без базовой станции. В этом режиме связь может обеспечиваться только между двумя абонентами. В настоящее время такое абонентское оборудование для шахт, опасных по газу и пыли, не сертифицировано.

Возможность интеграции с АСДУ Системы DECT могут предоставлять каналы передачи данных для функционирования автоматизированных систем дистанционного управления. Для этого необходимы источник питания и стационарные терминалы (для шахт, опасных по газу и пыли – в искробезопасном исполнении), имеющие интерфейсы RS232, RS485, для подключения к шахтным контроллерам технологического оборудования. Для подключения контроллеров может выделяться канал со скоростью 32 кбит/с, который при этом уже не используется в качестве разговорного. Это приводит к необходимости увеличения количества базовых станций. Низкая скорость передачи данных в системах DECT накладывает ограничения на использование канала для работы подсистем АСДУ и не позволяет поддерживать такие сервисы, как передача сигналов промышленного телевидения и высокоскоростная передача данных.

Ремонтопригодность системы

Практика эксплуатации систем горноподземной связи показала, что кабельные линии часто выходят из строя вследствие механических повреждений. В случае выхода из строя магистрального телефонного кабеля, к которому подключены базовые станции DECT, персоналу ремонтной бригады необходимо произвести сращивание кабелей со значительным количеством 10–30 пар, что не может быть произведено достаточно оперативно. Проведенный анализ особенностей технологии DECT позволяет заключить, что при проектировании и эксплуатации этих систем на шахтах и рудниках возникают проблемы, которые отсутствуют для систем стандарта DECT офисного применения и WLL. Системы беспроводной связи, базирующиеся на стандарте DECT, можно использовать при развертывании систем связи в наземной административно-хозяйственной инфраструктуре. Возможно, в будущем эти системы могут найти применение для организации связи в подземных камерах (при камерном способе разработки месторождений).

Для условий подземной инфраструктуры преимущества систем, базирующихся на излучающем кабеле, на данном этапе развития средств радиосвязи неоспоримо. Эти системы удовлетворяют всем требованиям правил безопасности в шахтах и весьма эффективны при создании общешахтных сетей связи, обеспечивающих решение как технологических задач по организации производства (включая табельный учет и позиционирование персонала, видеонаблюдение за ходом производства), так и задач, связанных с повышением безопасности труда.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2006