煤炭是我国的重要能源，煤矿安全历来广受关注。据统计[1]，2005~2009年全国煤矿共发生重大以上事故183起，死亡4 272人，煤矿重大事故总数和死亡人数依旧很大，煤矿安全生产形势仍然十分严峻。而要打造信息化数字矿井，实现安全生产的重要保障之一便是组建快速、可靠的井下通信监控系统。
    目前煤矿井下通信监控系统主要采用的是以井下工业以太环网为核心，主从式网络监控系统接入工业以太环网实现多点分布式监控，如KJ95、KJ28、KJ122等。工业以太环网开放性好、实时性强、安全可靠，可以为监控监测系统提供快速的数据传输通道，最大程度地实现全矿井安全监控[2]。尽管如此，工业以太环网也存在不足，主要表现在以下几个方面： (1) 井下工业以太网主要以环网形式组网，在井下特殊环境下，光缆布置困难，光纤浪费严重; (2)工业以太环网方式下每个设备都是有源设备，当设备出现故障需要检修或设备需要扩容时，设备需要断电，如果环上两个或两个以上的节点掉电，可能导致整个网络瘫痪,影响矿井正常安全生产;(3)整个环网中井上到井下的带宽不高，限制了视频监控等大流量数据的应用。主从式网络监控系统结构简单、容易实现，各监控分站可以轮询获得信道访问控制权，有效地避免了总线冲突，在一般的实时监控系统中应用较多。但主从式通信结构数据传输效率低，且网络结构可靠性差，极易发生数据传输中断，无法实现设备间互联互控、危险区域快速控制等关键问题。
    针对上述问题，本文在借鉴国内外现有监测监控系统的基础上[3-6]，提出一种新的煤矿井下监控系统。该系统采用千兆以太无源光网络(GEPON)技术和基于LonWorks总线的多主通信分站的模式，是一种基于GEPON混合网络控制的监控系统。系统基于开放性通信协议，采用主干、分支多环冗余与LonWorks总线接入相结合的网络模型,系统中各网络控制设备具有多主并发、对等高速率通信的功能，可实现井下危险区域异地快速响应控制、异构系统数据的传输和共享。系统鲁棒性强，安全可靠，在矿井突发事件下能稳定运行。
1 新型煤矿安全监测监控系统
    本文在国内外现有监控系统的研究基础上，构建新型监控系统网络结构模型，如图1所示。系统结构符合现代控制系统理论，由控制层、设备层和信息层三部分组成。

    控制层部分主要是矿用GEPON系统，包括光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）、无源分光器（POS）。上述网络设备均采用低功耗、抗干扰能力强的芯片设计。设备电源电路内部和引出线部分，在正常工作或故障状态下，所产生的电火花均不足以引燃井下特殊环境中的爆炸性混合物。设备内线路板布线、电感和电容布置、接地方法均考虑充分，满足本安电路设计要求。系统具备本质安全、防爆特性。
    GEPON系统中，OLT1和OLT2均处于工作状态中，同时进行监控数据备份。ONU1~ONUm和ONU1+m~ONUn通过OLT1、OLT2的两个PON接口，分别实现双总线和双星型“手拉手”全倒换保护模式。OLT、ONU均具有链路状态自动检测功能，当设备、线路等出现故障或设备需要扩容时，能够实现自动快速倒换，并在故障排除或扩容完成后，自动还原。如图2所示，假设ONU3~ONUm通往OLT1的主支路光纤段“13”断开，ONU3~ONUm便会在不大于0.3 s的时间内，通过备用支路光纤段“7”、“10”、“12”、“11”自动倒换注册到设备OLT2上，设备ONU1、ONU2通往OLT1的光纤段“1”、“2”、“3”、“4”保持主支路性能不变，设备ONU1、ONU2通往OLT2的光纤段“5”、“6”、“8”、“9”做备用支路。同理，如图3所示，假设ONU1的PON接口处因故障断开，ONU1便会在不大于0.3 s的时间内，通过备用支路光纤段“5”、“8”、“9”、“10”、“11”自动倒换注册到设备OLT2上，设备ONU2~ONUm通往OLT1的光纤段“1”、“2”、“4”、“13”、“14”、“15”、“16”保持主支路性能不变,设备ONU2~ONUm通往OLT2的光纤段“6”、“7”、“12”做备用支路。OLT与ONU之间信号传输采用窄芯单模光纤，传输频带宽、容量大，抗电磁干扰能力强，适用于煤矿井下特殊环境中的高速度、长距离传输。POS分布在EPON网络各点，采用全无源密封方式设计，不会产生任何电火花或电弧，防水防尘等级为IP65，运行稳定、可靠，基本不需要维护，适合井下特殊环境使用。系统网络拓扑结构灵活，和井下巷道分布接近，光纤布置简单方便。系统具有较大的传输带宽，每个PON口带宽可达双向1.25 GHz，在使用多个PON口配合多个主干光纤的条件下，带宽将线性增大。如果配合监控电视墙，可以在费用无明显增多的情况下，完成井下多点同时实时监控。系统管理方式简单，通过网管服务器，在地面就可以完成所有设备管理，可以做到ONU即插即用。系统中ONU还提供多个10/100BASE-T电接口和100BASE-FX光接口，方便监控摄像头和IP电话等设备直接接入。

    设备层主要是基于LonWorks总线的二级分布式网络系统。LonWorks是美国Echelon公司研发的一种高性能、低成本的现场总线控制网络[7],具有真正的开放性与互操作性、灵活多变的网络拓扑结构、节点对等通信能力强等优点，被广泛应用于楼宇自控系统、消防联动控制系统、环境监控系统等领域[8]。本文设计的基于LonWorks总线的二级分布式网络系统包括基于LonWorks现场级总线的监控分站、基于LonWorks设备级总线的传感器节点和通信接入网关。监控分站之间采用无主多点对等通信结构，即使某个分站发生故障，也不会影响到系统中其他分站的正常工作，提高了系统运行的可靠性，降低了系统维护难度与费用。系统各分站地位平等，每个分站均能独立完成信息采集、通信和控制功能，分站与分站之间可以实现联动联控。同一个ONU下的分站与分站之间实现互联互控只需要通过LonWorks总线传输命名信息就可以完成，不同ONU下的分站之间相互通信，需要通过该ONU的上一级OLT进行转发，转发交换时间可以忽略不计。传感器与分站之间采用LonWorks总线，一方面可以加大通信距离，满足煤矿特殊环境下的布线要求，另一方面可以减少线缆数量，节约成本，且很易实现传感器热插拔，系统扩容、维护方便。通信网关的功能是完成LonWorks总线与以太网之间的协议转换，实现异构网络间的信息共享。
　信息层位于地面，主要由地面中心站、地面交换机及冗余设备等组成。监控系统在井下完成互联互控后，地面中心站不再对分站进行定时巡检，主要负责浏览井下各OLT、ONU、监控分站、传感器等网络设备的工作状态和监控信息，并对这些信息进行显示、存储、告警、分析、处理、报表打印等，便于工作人员及时掌握井下设备的运行状况，做到安全可靠监控。
2 系统关键技术研究
2.1 GEPON系统通信原理与技术
　矿用GEPON系统中，OLT与ONU之间使用单模光纤进行数据通信，最大传输距离达20 km。在单芯光纤上通过波分复用方式(WDM)，采用1 490 nm和1310 nm两种不同波长的光，实现信息全双工传输。为完成同一根光纤上与多个用户间的双向通信，信号传输采用下行广播、上行时分多址方式(TDMA)。
    如图4所示，设OLT下3个ONU入网注册成功后，每个ONU获得唯一一个逻辑链路识别地址（LLID），EPON下行方向采用广播方法处理传送802.3以太网帧，OLT根据802.3帧目的ONU在802.3帧的前导码中打上不同LLID，并时分复用至传输链路，然后广播到该OLT下所有ONU，每个ONU能收到所有下发数据，ONU把接收到的帧前导码中LLID与OLT分配给自己的LLID进行比较，如果两者完全一致，则接收并转发该802.3帧，否则丢弃该帧。

    EPON数据流上行采用TDMA方式。OLT与ONU之间为主从管理模式，ONU上行方向的时分复用由OLT控制，OLT下所有ONU进行时钟同步，OLT给每个ONU分配一个时隙，每个时隙能保证传输多帧数据。每个ONU只在属于自己的时隙内向OLT上传数据。时隙划分包括静态分配和动态分配，时隙分配需考虑各ONU与OLT之间的距离差别。
2.2 EPON系统测距与时延补偿技术
    从上文可知,实现EPON数据上行TDMA方式，需要OLT与ONU之间时钟同步。但矿井巷道错综复杂，井下布置的各ONU与OLT之间的物理距离差别很大，仅OLT与ONU之间时钟同步，不能确保各ONU上传数据集中到OLT时不产生碰撞。因此，为实现井下EPON信号真正的同步传输，要进行OLT与ONU间的测距。传统测距方法有带内开窗法、扩频法、正弦波法，但这些方法或者测距精度较低，或者影响业务QoS，或者技术实现复杂、成本较高[7]。本文采用性价比较高的时间标记法（Time Stamp）进行测距。
    EPON测距主要是获取从“OLT→ONU→OLT”往返传输时间，即Round Trip Time（RTT）值，再对RTT值延时补偿，使OLT与各ONU之间具有相等的逻辑距离。Time Stamp测距方法如图5所示[8]。OLT在绝对时间T1下播时间戳（Timestamp）为T1的授权（GATE）信息，经下行传输链路延时Tdw，某一已启动的ONU在绝对时间T2监测到一个GATE信息时，根据Timestamp T1将本地时钟调整为T1，然后在绝对时间T3上传一个在线响应数据帧REPORT，此时，REPORT中本地Timestamp为T4；经上行传输链路延时Tup，OLT在绝对时间T5接收到该REPORT帧，其Timestamp为T4。

式中，Gj(i+1)代表第j次轮询周期中第(i+1)个ONU获得的发送时隙的起点，RTTi为第i个ONU的RTT值，Wj(i)是第j次轮询周期中OLT分配给第i个ONU的发送时隙宽度，Ru为ONU与OLT间的通信速率，P为安全保护间距。
2.3 多分站通信冲突避免机制与多主通信协议制定
    当多个分站同时向同一LonWorks总线上发送数据时，会导致数据并发冲突。为解决这一问题，本文采用可预测的CSMA算法(Predictive P-Persistant CSMA)[11]，该算法是对传统CSMA算法的改进。当总线上某个节点监测到信道空闲时，该节点的发送时间被随机分配到N个时隙上，以概率P=1/N在一个随机分配的时隙发送报文,其中，N=16×Q，Q为某一时刻总线上将要发送的报文数目，即该时刻网络负载， LonWorks总线报文大部分带有应答服务，Q值可以预测,当预测到网络负载增加时，随机发送时隙数随之增加,降低了发送包产生冲突的概率。该算法在网络负载很重的情况下，仍能保持很高的吞吐量，不会导致网络瘫痪。
    要实现煤矿井下多分站的互联互控，保证通信稳定、可靠，通信协议的制定非常关键。本文根据煤矿井下通信特点制定协议，部分内容如下：
   分站发送数据帧格式：

其中，帧头为2E，占1 B；分站类型包括A型分站、B型分站、信集闭分站、人员定位分站等，分别用A、B、C、D……的ASCII码表示；分站号用数字1~64的16进制表示；通信状态包括通信是否误码和中断，各占1个字节段，通信是否误码字节段中，01代表通信误码，00代表通信正常，通信是否中断字节段，01代表通信中断，00代表通信正常；返回数据是一个变长值，主要存储改变的信息，最多可以存4个传感器采集的信息，帧长度计算该帧占用的字节数，便于上位机或其他分站队列读取与存储。
    分站发送命令帧格式：

    命令帧一般实时性要求较高，因此长度较短。帧格式中，分站号占一个字节，代表分站地址，命令类型中:00表示复位命令，01表示采集命令，02表示手控命令；数据段中代表命令控制内容，如，对采集命令，01表示采集温度传感器值，02表示采集风速传感器值，03表示采集压力传感器值，04表示采集信号机状态，对手控命令，00表示1号风机停机，01表示1号风机启动。
    本文针对目前我国煤矿安全监控系统的现状，研究了一种新型煤矿安全高可靠性监控系统，提出了系统网络结构模型，并对该结构模型的鲁棒性进行了分析，即使某点发生故障，系统可以实现快速切换，不影响煤矿安全生产，系统采用GEPON与LonWorks总线的混合网络结构，能够实现矿井异构网络接入设备互联互通，危险区域异地快速控制，为提高煤矿安全技术装备水平，减少和控制煤矿重特大灾害事故的发生提供了有效途径。
参考文献
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[2] 程德强，李世银，李鹏.矿井安全监测监控系统[J].电视技术，2006(2):78-81.
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