煤矿井下一网一站组网模式关键技术研究

　第４７卷第１０期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰１０　　２０１９年１０月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｃｔ.２０１９　移动扫码阅读关丙火ꎬ张　晋.煤矿井下“一网一站”组网模式关键技术研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(１０):１５５－１６０.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰１０􀆰０２０ＧＵＡＮＢｉｎｇｈｕｏꎬＺＨＡＮＧＪｉｎ.Ｓｔｕｄｙｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｏｆ“ｏｎｅｎｅｔａｎｄｏｎｅｓｔａｔｉｏｎ”ｉｎｃｏａｌｍｉｎｅ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(１０):１５５－１６０.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰１０􀆰０２０煤矿井下“一网一站”组网模式关键技术研究关丙火ꎬ张　晋(神华神东煤炭集团有限责任公司ꎬ陕西神木　７１９３１５)摘　要:为了提高矿井通信的效率ꎬ实现资源共享与优化配置ꎬ通过“一网一站”项目的研究ꎬ在井下通信系统采用全新的组网模式ꎬ将井下交换机采用万兆环网进行连接ꎬ并将井下安全监测监控、人员定位、应急广播、视频监控、无线通信等业务统一接入到综合通信分站中ꎬ通过现场测试和现场试验网络模式对资源配置提升的效果ꎮ研究结果表明:“一网一站”项目采用的井下交换机连接成万兆环网的结构方式ꎬ将带宽提高到万兆ꎬ并通过“环套环”模式ꎬ有效提升数据传输速率ꎻ与此同时ꎬ井下各终端业务不再独立传输ꎬ而是统一接入综合通信分站中ꎬ通过一根光纤连接到环网交换机中ꎬ达到优化原系统信息传输结构ꎬ有效减少煤矿业务重复性投资ꎬ实现资源共享的目的ꎮ关键词:一网一站ꎻ组网模式ꎻ万兆环网ꎻ环套环ꎻ综合通信分站中图分类号:ＴＤ６７　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)１０－０１５５－０６Ｓｔｕｄｙｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｏｆ“ｏｎｅｎｅｔａｎｄｏｎｅｓｔａｔｉｏｎ”ｉｎｃｏａｌｍｉｎｅＧＵＡＮＢｉｎｇｈｕｏꎬＺＨＡＮＧＪｉｎ(ＳｈｅｎｈｕａＳｈｅｎｄｏｎｇＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈｅｎｍｕ　７１９３１５ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｍｉｎｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎬｓｈａｒｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍａｌａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｏｕｒｃｅｓꎬｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆ“ｏｎｅ－ｓｔｏｐｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｊｅｃｔꎬｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｎｅｗｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅꎬｔｈｅｕｓｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｘｃｈａｎｇｅｒｂｙ１０Ｇｉｇａｂｉｔｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｕｎｉｆｉｅｄａｃｃｅｓｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬｐｅｒｓｏｎｎｅｌｌｏｃａｔｉｏｎꎬｅｍｅｒｇｅｎｃｙｂｒｏａｄｃａｓｔꎬｖｉｄｅｏｍｏｎｉｔｏ￣ｒｉｎｇꎬｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｕｓｉｎｅｓｓｍｅｔｈｏｄｔｏｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｉｅｌｄｔｅｓｔａｎｄｔｅｓｔｎｅｔｗｏｒｋｍｏｄｅｌｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｏｕｒｃｅｓ.Ａｎｅｔｗｏｒｋｏｆａｓｔａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｆｏｒｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｍｅｕｓｉｎｇａｄｏｗｎｈｏｌｅｓｗｉｔｃｈｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｔｏａ１０Ｇｉｇａ￣ｂｉｔｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ１０Ｇｉｇａｂｉｔꎬａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ“Ｒｉｎｇｔｈｉｍｂｌｅ”ｍｏｄｅꎬｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｄａｔａｔｒａｎｓ￣ｆｅｒｒａｔｅꎻＴｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｓｅｒｖｉｃｅｉｓｎｏｌｏｎｇｅｒｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎꎬｂｕｔｕｎｉｆｉｅｄａｃｃｅｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｂ－ｓｔａｔｉｏｎꎬｔｈｒｏｕｇｈａｆｉ￣ｂｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓｗｉｔｃｈꎬｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｓｙｓｔｅｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｍｉｎｅｂｕｓ￣ｉｎｅｓｓｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙꎬｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｓｈａｒｉｎｇｒｅｓｏｕｒｃｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｎｅｎｅｔａｎｄｏｎｅｓｔａｔｉｏｎꎻｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅꎻ１０Ｇｉｇａｂｉｔｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋꎻｒｉｎｇｔｈｉｍｂｌｅꎻｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｉｏｎ收稿日期:２０１９－０３－２９ꎻ责任编辑:赵　瑞基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４３０２)作者简介:关丙火(１９８２—)ꎬ男ꎬ河南武陟人ꎬ工程师ꎬ现任神华神东煤炭集团有限责任公司技术研究院信息技术主管ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]０　引　　言近年来ꎬ全球各行各业的自动化、无人化和智能化的程度越来越高ꎬ在各个行业间智能技术得到广泛的应用和飞速发展ꎮ在此过程中ꎬ我国煤炭工业现代化程度的不断提高ꎬ煤矿的信息化建设飞速发展[１－３]ꎮ在煤矿的日常调度、监测监控、管理、安全生产等方面ꎬ不断更新的信息技术使得煤矿通信迈入高速率、大容量、综合化时代[４－５]ꎮ然而ꎬ煤炭开采工业中自动化和智能化技术的发展和应用相比其他行业(例如:军工、航天、生物医学工程等)仍处于落后水平和慢速拓展中ꎮ煤矿通信系统是煤矿企业信息化建设的基础ꎬ适中的网络规模和优化的网络结构可以使先进的技术手段在矿区实现最佳效５５１２０１９年第１０期煤炭科学技术第４７卷果[６－８]ꎮ由于矿区煤炭资源的自然分布特性较广ꎬ井下业务具有多样性ꎬ因此根据煤矿自身基础条件选择合适的通信系统组网模式ꎬ才能全面、深入地实现井下生产自动化ꎬ提高煤矿生产安全水平ꎮ传统的通信网络大多采用通信节点串联的方式ꎬ通过首尾节点的开放ꎬ接入井下终端和井上交换机ꎬ组成结构简单的线形网络[９－１１]ꎮ井下各业务终端通过独立的链路连接到井下交换机ꎬ将监控数据传到井上各业务系统ꎮ这种组网模式容错性较差ꎬ生存性较低ꎬ当通信网络中的某一节点或链路出现故障ꎬ整个通信网络都会受到影响ꎬ且会造成系统建设的重复性工作和资源浪费[１２－１５]ꎮ这种通信模式严重影响着煤矿开采采的效率和经济性ꎬ与目前各行各业进行智能化和自动化模式仍具有一定的差距[１６－１８]ꎮ为此ꎬ提出全新高效的煤矿通信技术和模式ꎬ对于提高矿井智能化建设具有重要的现实意义[１９－２１]ꎮ基于此ꎬ笔者介绍了具有全新理念的“一网一站”系统ꎬ通过采用环网传输、“环套环”、综合通信分站整合井下终端业务传输等技术方案对组网模式进行创新ꎬ以期实现煤矿井下网络通信的高效性和经济性ꎮ１　“一网一站”组网模式设计１.１　“一网一站”系统架构“一网一站”系统架构(图１)采用分层设计ꎬ底层业务包括自动化控制类、有线、无线通信类、有线、无线监测监控类业务ꎬ通过统一接入综合通信分站中实现不同的业务功能ꎮ综合分站连接到井下交换机ꎬ交换机形成万兆环网并将底层业务数据传输到地面核心交换机ꎬ地面核心交换机连接到上层业务ꎬ包括调度系统、监测监控系统、管理系统ꎬ进而对底层业务数据进行全方位展示ꎮ图１　“一网一站”系统架构Ｆｉｇ.１　“Ｏｎｅｎｅｔａｎｄｏｎｅｓｔａｔｉｏｎ”ｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１.２　组网模式设计功能１.２.１　万兆环网传输功能“一网一站”设计方案中ꎬ井下交换机通过配备万兆光口、千兆电口ꎬ集成多业务的适配接口、ＶＰＮ、同步时钟电信级ＯＡＭ和保护等ꎬ有效融合分组与传送技术的优势ꎬ从而实现以太网、ＡＴＭ和ＴＤＭ业务的处理和双链路传输ꎬ保证了设备的冗余性、数据均衡性、上层业务的完整性ꎬ同时也提高了电信网络故障自愈能力和网络传输能力ꎮ具体功能包括:１)设备冗余性ꎮ环网具有冗余性ꎬ通过线路备份保证通信的可靠性ꎮ每台交换机上有２个用于组环的端口ꎬ交换机之间通过“手拉手”形式构成了环形的网络拓扑ꎮ当环网上的某一路链路发生故障断开时ꎬ交换机启用环路上的另一个端口ꎬ因此单点主６５１关丙火等:煤矿井下“一网一站”组网模式关键技术研究２０１９年第１０期干线路故障对于网络将不会产生任何的影响ꎮ从通信协议的角度来看ꎬ当环网上的设备发生故障时ꎬ其自身检测到连接环网的主端口停止工作ꎬ于是启用另一个端口并发送断路告警帧到主设备ꎮ主设备接收到信息之后ꎬ将故障设备从端口解阻塞ꎬ并更新Ｌ２转发表ꎬ同时发送通告帧到环网上的其他设备ꎬ更新其各自的Ｌ２转发表ꎮ即完成了环网中网络端口的切换ꎬ保证了正常通信ꎮ２)数据均衡性ꎮ在环网结构中ꎬ通过“环套环”结构ꎬ线路中的数据流均衡地分配在正常工作的各交换机中ꎬ不存在局部交换机负载过重导致交换机的工作寿命受到影响的现象ꎮ当网络中某主干线路发生故障时ꎬ整体环网重新分配数据流量ꎬ快速进行收敛ꎬ保证网络正常运行ꎮ３)电信级网络故障自愈能力ꎮ电信级以太网采用的保护主要包括线性保护、网保护、双环双节点、双归属保护、ＦＲＲ、ＳＴＰ、ＬＡＧ、ＬＡＧ、ＳＴＭ－Ｎ技术ꎬ网络保护能力是网络的自愈特性ꎬ当环网中节点设备或链路发生故障时ꎬ能有效降低对网络正常通信和业务承载的影响ꎮ环网设备正常工作时ꎬ主设备从主端口周期发送诊断帧ꎮ当环网线路及设备正常工作时ꎬ主设备的从端口收到周期性诊断帧ꎬ并在从端口重设它的超时定时器继续正常工作ꎮ若超时定时器计时超时ꎬ并未收到主端口发出的诊断帧ꎬ则主设备认为环路触发故障报警ꎬ随即从端口解阻塞以保证环网的正常通信ꎬ同时主设备刷新其Ｌ２转发表并发送一个通告帧到环上的其他设备ꎬ通知它们刷新Ｌ２转发表ꎮ当环网主设备端口刚恢复连接时ꎬ从设备立即将该端口置于临时阻塞的状态ꎬ此后当从设备收到主设备发出的Ｌ２转发表通告帧刷新消息时ꎬ从设备刷新Ｌ２转发表ꎬ更新临时阻塞的端口状态ꎬ对其进行解阻塞ꎬ并且按照Ｌ２表对原端口进行阻塞ꎬ从而环网恢复正常的工作状态ꎬ临时阻塞机制有效抑制环网中广播风暴的产生ꎮ４)上层业务的完整性ꎮ以太环网的应用继续采用ＩＰ分组交换应用ꎬ包括带宽控制、链路复用、Ｑｏｓ能力等ꎬ保证网络平滑升级ꎮ１.２.２　“环套环”向上传输功能“环套环”:环网交换机配备４个万兆光口ꎬ１台交换机可以同时位于２个环网中ꎬ每个环网传输的数据可以通过共有交换机传输到另一个环网ꎬ以此类推ꎬ多个环网同时向上层原有工业环网传输数据ꎬ有效增加数据传输速率ꎮ１.２.３　综合分站传输功能综合通信分站整合井下终端业务传输:综合通信分站系统支持以太网及光缆专网组网方式ꎬ可自组环网或接入矿方原有交换机工业环网ꎬ同时支持综合通信分站之间的级联ꎮ设备之间级联统一采用光纤方式进行组网ꎬ这样的有线传输方式减少了电路噪声对信号的干扰ꎬ同时增加了传输距离ꎮ综合通信分站将无线通信系统、人员定位系统、监测监控系统、视频监控系统、广播通信系统等信息调制为数字信息借助光纤网络传输至环网系统至井上调度室核心机房设备进行解析ꎬ动态展示各系统运行参数、图像、语音等信息ꎬ有效改善原有各系统数据独立传输从而造成资源浪费的局面ꎮ２　组网模式实现的关键技术２.１　万兆环网万兆环网所采用的核心交换机ＺＸＣＴＮ６０００是定位于网络接入层的多业务承载交换机ꎬ其单向容量为９０ＧＢ/ｓꎬ接入容量为６０~９０ＧＢ/ｓꎬ包转发率可达８９.３２~１３３.９２ＭＰ/ｓꎮＺＸＣＴＮ６０００采用以分组交换为内核的体系架构ꎬ集成了多业务的适配接口、ＶＰＮ、同步时钟、电信级ＯＡＭ和保护等功能ꎬ融合了分组与传送技术的优势ꎬ从而实现以太网、ＡＴＭ和ＴＤＭ业务的处理和传送ꎬ满足了具有复杂性和不确定性的业务承载需求ꎮＺＸＣＴＮ６０００采用模块化的结构设计ꎬ其主控单元、交换单元、时钟单