Коммуникационная система для подземных сооружений Российский патент 2018 года по МПК E21F17/18 H04B7/208 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано на предприятиях с подземной добычей полезных ископаемых, в различных туннелях, подземных хранилищах и других протяженных объектах для голосовой связи и обмена сообщениями между абонентами, а также для оперативного управления, контроля местонахождения персонала и мониторинга состояния окружающей среды.

Уровень техники

Известна система шахтной связи (см. патент RU 2508449, МПК: E21F17/18, опубл. 27.02.2014), содержащая наземный программно-технический комплекс контроля и управления, соединенные с ним стационарные подземные базовые станции, выполненные с возможностью связи с абонентами и друг с другом в двух диапазонах радиоволн УВЧ (ультравысокой частоты) и НЧ (низкой частоты), размещенные на подвижных объектах передатчики УВЧ и НЧ диапазонов, а также датчики состояния окружающей среды, распределенные по подземной выработке. В обычном режиме работы система использует УВЧ-диапазон и при цифровом кодировании позволяет осуществлять симплексную речевую связь диспетчера с рабочими. НЧ - диапазон используется для связи базовых станций с подвижными объектами в аварийном режиме через завалы горных пород.

Известны и другие системы беспроводной высокочастотной связи, используемые в подземных сооружениях, см. патенты RU 2180941, US 7725232, WO 2009118762 и т.д.

Недостатком всех вышеупомянутых систем является использование радиоволн, которые распространяются только в пределах прямой видимости. Однако реальные горные выработки не отличаются прямолинейностью, и для передачи сигнала вдоль протяженного туннеля требуется размещение базовых станций (ретрансляторов) практически через каждые 100-150 м. Большие затраты на установку стационарного приемо-передающего оборудования и подведение к нему электрического питания ведут к высокой стоимости всей системы. При этом, в аварийных ситуациях при разрушении горной выработки и нарушении прямой видимости, такая связь не работает.

Известна подземная система радиосвязи, содержащая базовые станции, размещенные на подвижных объектах абонентские терминалы и канализатор в виде излучающего кабеля (см. патент RU 103044U1, МПК: Н04В5/00, опубл. 20.03.2011). Эта система имеет аналогичные недостатки. Вследствие потерь энергии на излучение, в излучающем кабеле достаточно быстро происходит затухание сигнала, что ведет к необходимости установки ретрансляторов (линейных усилителей) через каждые 200-300м.

Известно устройство СВЧ (сверхвысокочастотной) связи в подземных выработках шахт (см. патент RU 2090974, МПК: Н04В5/02, опубл. 20.09.97), использующее для связи наземного оборудования с расположенными под землей абонентскими приемо-передатчиками однопроводные линии, проложенные вдоль подземных выработок, так называемые волноводы. Волноводы не излучают электромагнитное поле во внешнее пространство, а лишь образуют среду для распространения сигналов, которые передаются на оконечные устройства за счет индуктивной связи между волноводом и антенной абонентского терминала.

В отличие от излучающих кабелей, в волноводе отсутствуют потери энергии на излучение, что позволяет передавать сигналы на большие расстояния - 5 км и более. Дальность связи является существенным достоинством использования волноводов.

К недостаткам устройства по патенту RU 2090974 следует отнести использование высокочастотного диапазона. В этом случае электромагнитное поле передаваемых сигналов сосредоточено вокруг волновода и антенна абонентского приемопередатчика не попадает в зону его действия, что ведет к необходимости установки переизлучателей вдоль волновода. Кроме того, эффективность однопроводной СВЧ связи зависит от расположенных вблизи волновода металлических предметов, каждый из которых может стать источником вторичного излучения и соответственно потерь.

Подобных недостатков лишена система подземной связи, раскрытая в патенте США US4777652, МПК: Н04В5/00, опубл. 11.10.88г, использующая для передачи информации более низкие частоты электромагнитных колебаний. Эта система принята в качестве наиболее близкого аналога, по наличию признаков, сходных с существенными признаками заявляемого технического решения.

Система связи по патенту US 4777652 включает наземный управляющий комплекс и связанные с ним стационарные базовые станции, выполненные с возможностью приема и передачи сигналов средневолнового (далее – СВ) диапазона. На подвижных объектах размещены абонентские терминалы с приемопередатчиками, работающими в СВ диапазоне. В качестве линии связи между абонентскими терминалами и базовой станцией использованы проложенные вдоль подземных выработок кабели питания, выполняющие функции волноводов. Базовая станция подключена к кабелю через специальный ответвитель. Для аварийных ситуаций предусмотрен режим использования угольного пласта в качестве среды для передачи сигнала от клеточного ретранслятора.

Существенным достоинством известной системы является использование средневолнового диапазона для передачи сигналов между стационарной базовой станцией и мобильными абонентскими терминалами через волновод. Сигналы СВ диапазона, имеющие большую длину волны (100-1000м), способствуют созданию вокруг волновода электромагнитного поля аналогичного радиуса действия, в результате чего в зону его действия попадают все абонентские терминалы, находящиеся в этот момент в подземной выработке, а значит и антенны их приемопередатчиков, которые воспринимают распространяющийся вдоль волновода сигнал в любом месте горной выработки. В этом случае отсутствует необходимость установки дополнительных переизлучателей, система является очень простой и обеспечивает большую дальность связи с подвижными объектами, оборудованными абонентскими терминалами.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести то, что система может обеспечить лишь диспетчерскую связь, которая строится по принципу «все со всеми», когда в эфире одновременно слышны все передающие абоненты, что обусловлено использованием всего двух частот СВ диапазона, одна из которых служит для передачи сообщений, а другая - для развязки сигналов. Ограниченные возможности системы не позволяют одновременно проводить независимые сеансы связи для нескольких абонентов.

Другим недостатком этой системы является низкая надежность работы в аварийных ситуациях.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание системы связи, основанной на использовании волноводов в качестве линии связи и СВ диапазона для передачи сигналов, и при этом обеспечивающей гарантированный индивидуальный ресурс для каждого абонента, позволяющий ему автономно, т. е. независимо от других абонентов и одновременно с ними, вести переговоры, осуществлять прием или передачу данных.

Раскрытие сущности изобретения

Вышеупомянутая техническая проблема решена за счет того, что в коммуникационной системе для подземных сооружений, содержащей наземный программно-технический комплекс, связанные с ним стационарные базовые станции, выполненные с возможностью приема и передачи сигналов средневолнового диапазона, размещенные на подвижных объектах абонентские терминалы с антеннами и приемопередатчиками средневолнового диапазона, и проложенные вдоль подземных выработок волноводы, к которым подключены базовые станции, согласно заявляемому изобретению, базовые станции размещены под землей в узловых точках маршрутов подвижных объектов и связаны между собой волноводами, каждой базовой станции выделен свой частотный диапазон внутри средневолнового диапазона, разделенный на каналы, которые используются для регистрации абонентских терминалов, передачи данных и голосовой связи между абонентами, при этом абонентские терминалы снабжены, каждый, устройством автоматической настройки антенны на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентом.

Один технический результат, достигаемый в результате использования предлагаемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей системы и обеспечении возможности независимой связи для каждого абонента, при сохранении большой дальности связи.

Другой технический результат заключается в повышении надежности работы коммуникационной системы в аварийных ситуациях.

Одним существенным отличием предлагаемой системы от ближайшего аналога является использование разделения частотного ресурса в СВ диапазоне между подземными базовыми станциями и выполнение каждой станции с возможностью работы в многоканальном режиме.

Принцип разделения частотного ресурса известен и широко используется в высокочастотной беспроводной связи. Однако, в отличие от высокочастотных антенн, малогабаритные антенны СВ диапазона имеют узкую полосу пропускания, т.е. диапазон частот, в котором антенна работает без дополнительной настройки, что не позволяет реализовать многоканальную связь в СВ диапазоне при простом использовании известных средневолновых антенн.

В предлагаемой системе упомянутое противоречие решено за счет того, что абонентские терминалы снабжены устройствами автоматической настройки антенны на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентом.

В совокупности, упомянутые отличительные признаки предлагаемого технического решения обеспечивают возможность реализации многоканальной связи, осуществляемой в средневолновом диапазоне через волновод, и то, что каждый абонент системы имеет гарантированный индивидуальный канал, выделяемый для него базовой станцией, в зоне действия которой этот абонент находится. По этому каналу он может независимо от других абонентов и одновременно с ними осуществлять переговоры или передавать и принимать данные.

Другим существенным отличием от известных аналогов является то, что размещенные под землей базовые станции связаны между собой посредством волноводов, что в совокупности с разделением частотного ресурса между базовыми станциями, обеспечивает возможность работы базовых станций при повреждении каналов связи с наземным комплексом, например, в аварийной ситуации.

В этом случае часть частотного ресурса базовых станций задействуется для организации связи с соседними базовыми станциями, осуществляемой через волноводы, остальные каналы продолжают использоваться для обслуживания абонентов. При этом телеметрические данные и записи голосовых сеансов связи сохраняются в энергонезависимой памяти базовых станций.

Использование для связи волноводов и СВ диапазона частот, обеспечивает простоту системы, повышенную надежность, минимальное количество стационарных базовых станций и большую дальность связи – 5 км и более.

Под термином «наземный программно-технический комплекс» понимается совокупность технических и программных средств, работающих совместно и выполняющих функции центра управления и коммутации: соединение абонентов, организацию эстафетной передачи абонентов между базовыми станциями, соединение абонента с абонентами телефонной линии общего пользования, сбор телеметрических данных от абонентов.

Под термином «абонентский терминал» понимается оконечное мобильное оборудование, находящееся в пользовании абонента, служащее для его подключения к сети передачи данных и обмена информацией с базовой станцией или другим абонентом. Устройство абонентского терминала обеспечивает возможность приема и передачи сигналов в средневолновом диапазоне.

Термин «базовая станция» обозначает стационарный комплекс приемо-передающей аппаратуры, размещенной в горной выработке и осуществляющей централизованное обслуживание группы оконечных устройств (абонентских терминалов), находящихся в зоне ее действия.

Волновод образует канал связи между базовыми станциями и абонентскими терминалами, служит для передачи сигналов. Подключение базовой станции к волноводу осуществляется непосредственно, а абонентского терминала – с помощью антенны, которая находится с волноводом в индуктивной связи.

В качестве волноводов могут быть использованы имеющиеся в шахте телефонные, сигнальные кабели, кабели питания или другие металлические направляющие. Однако предпочтительным является использование изолированных от прочих кабелей одно- или двухпроводных линий, подключенных одним концом к базовым станциям, что позволяет минимизировать помехи, характерные для случаев использования кабеля питания (например, в прототипе). На втором конце проводной линии может быть закреплена согласующая нагрузка.

Двухпроводные линии, в сравнении с однопроводными, менее восприимчивы к электромагнитным помехам, создаваемым работающим в шахте электрооборудованием и кабельными линиями, к наведению индукционных токов в металлической крепи горной выработки, к помехам, вызванным перетеканием токов между заземлителями.

Для обеспечения возможности работы в автономном режиме в аварийных ситуациях абонентские терминалы и базовые станции снабжены аккумуляторами и энергонезависимой памятью.

Предлагаемая коммуникационная система может быть использована для контроля местонахождения подвижных объектов и мониторинга состояния окружающей среды.

В этом случае она дополнительно комплектуется автономными радиометками позиционирования, которые размещают в подземных выработках с шагом, определяемым допустимой ошибкой позиционирования.

Каждая радиометка представляет собой передатчик ограниченного радиуса действия, местоположение которого известно. При этом радиометка может включать другие функциональные блоки.

Для связи с радиометками, а также с другими источниками информации, например, датчиками технологических процессов, газоанализаторами и прочими объектами шахтной инфраструктуры, на абонентские терминалы устанавливаются приемопередатчики ближнего радиуса действия (УКВ-приемопередатчики).

Такое конструктивное исполнение обеспечивает дополнительное расширение функциональных возможностей системы, а именно: возможность оперативного отслеживания местоположения подвижных объектов, мониторинг технологических процессов и окружающей среды, управление оборудованием.

Дополнительно абонентские терминалы могут быть снабжены блоком инерциальной навигации, включающим акселерометры, магнитометры и гироскопы. Использование инерциальной навигации позволяет сократить количество радиометок позиционирования и обеспечить требуемую точность определения местоположения подвижного объекта.

С целью повышения уровня охраны труда и промышленной безопасности абонентские терминалы могут быть оснащены датчиками контроля параметров рабочей зоны (температуры, содержания горючих, опасных и вредных газов и т.д.).

Краткое описание чертежей

Суть заявляемого технического решения поясняется примерами конкретного исполнения и чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 – структурная схема системы, общий вид;

на фиг. 2 – поперечное сечение горной выработки с двухпроводным волноводом;

на фиг. 3 – пример использования системы для оперативного контроля местоположения персонала и контроля технологических процессов.

Осуществление изобретения

Коммуникационная система для подземных сооружений (см. фиг. 1) содержит наземный программно-технический комплекс контроля и управления (далее - наземный комплекс) 1, связанные с ним транспортным каналом 2 стационарные подземные базовые станции 3, проложенные вдоль туннелей подземных выработок волноводы 4, подключенные одним концом к базовым станциям 3, и волноводы 5, соединяющие между собой соседние базовые станции 3.

Подвижные объекты: персонал, транспортные средства и подвижное технологическое оборудование, находящиеся в подземных выработках, оснащены абонентскими терминалами 6.

В качестве транспортного канала 2 высокоскоростной универсальной связи может быть использован проводной канал Ethernet.

В качестве волноводов 4 и 5 могут быть использованы одно- или двухпроводные линии. В случае двухпроводной линии ее проводники 7 и 8 размещают на противоположных стенках горной выработки (см. фиг.2).

Базовые станции 3, в состав которых входят: приемопередатчик СВ диапазона, управляющее оборудование, источник электрического питания с аккумулятором и блок энергонезависимой памяти, размещены в узловых точках маршрутов перемещения подвижных объектов.

Каждой базовой станции 3 выделен индивидуальный частотный ресурс внутри средневолнового диапазона, разделенный на несколько каналов. В нормальном (рабочем) режиме работы часть каналов базовой станции 3 используется для регистрации абонентских терминалов, остальные служат для переговоров между абонентами и передачи телеметрических данных.

Для обеспечения возможности связи с базовыми станциями 3 абонентский терминал 6 снабжен приемопередатчиком СВ-диапазона и малогабаритной резонансной антенной с устройством автоматической настройки на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентским терминалом.

Принципы построения устройств, обеспечивающих автоматическую настройку антенны на частоту резонанса, совпадающую с частотой выделенного канала, известны специалистам в данной области техники, поэтому конкретное исполнение упомянутого устройства в заявке не рассматривается.

В рабочем режиме связь между абонентами осуществляется через наземный комплекс 1, который координирует сеансы связи: принимает запросы от абонентских терминалов 6, находит адрес запрашиваемого для связи абонента и переадресует этот запрос соответствующей базовой станции 3. При этом все сигналы между абонентскими терминалами 6 и наземным комплексом 1 передаются через базовые станции 3, которые обеспечивают преобразование передаваемых сигналов.

Передача сигналов между абонентскими терминалами 6 и базовыми станциями 3 осуществляется посредством волноводов 4, при этом базовая станция 3 подключена к волноводу 4 непосредственно, а абонентские терминалы 6 взаимодействуют с волноводом 4 посредством антенны, находящейся с ним в индуктивной связи.

Антенна приемопередатчика абонентского терминала 6 при приеме воспринимает сигнал, распространяющийся вдоль волновода 4, а при передаче - наводит в нем ЭДС (электродвижущую силу) сигнала, под действием которой в волноводе возникает ток, поступающий на вход базовой станции 3.

По существу, волновод 4 представляет собой антенну приемопередатчика базовой станции 3, к которой базовая станция подсоединена одним концом при использовании однопроводного волновода или двумя концами - для двухпроводного волновода.

Благодаря использованию СВ диапазона, достигается большой радиус действия электромагнитного поля, образуемого вокруг волновода 4, что обеспечивает надежную связь в любой точке сечения горной выработки. Абонентский терминал 6, находясь в любой точке туннеля 9 выработки, может принимать сигналы от базовой станции, передаваемые по волноводу, и сам осуществлять передачу (см. фиг. 2).

Абонентский терминал 6 в автоматическом режиме сканирует в СВ диапазоне каналы системы, осуществляя постоянный поиск наиболее близкой базовой станции 3, определяемой по силе сигнала. После определения наиболее сильного сигнала выполняется автоматическая настройка антенны абонентского терминала 6 на частоту этой станции и передача запроса на регистрацию в ней.

Зарегистрированному на базовой станции 3 абонентскому терминалу 6, выделяется гарантированный частотный ресурс – канал (подканал) в СВ диапазоне, в котором осуществляется передача данных только этого абонента. При этом предлагаемая система обеспечивает возможность двусторонней связи.

При переходе абонента из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой базовой станции, антенна абонентского терминала 6 перенастраивается на частотный канал, выделяемый другой базовой станцией. При пересечении границы зоны действия базовой станции, производится автоматическое переключение абонентского терминала на обслуживание другой базовой станции.

В аварийных режимах работы, при отказе высокоскоростной универсальной связи с наземным комплексом 1, часть частотного ресурса каждой базовой станции 3 задействуется на организацию связи с соседними базовыми станциями. Базовые станции 3 начинают работать в режиме ретрансляции, связываясь между собой через волноводы 5. При этом базовые станции 3 продолжают обслуживание абонентских терминалов 6, находящихся в зоне их действия, используя остальную часть частотного ресурса в СВ диапазоне. Телеметрические данные и записи голосовых сеансов связи сохраняются в энергонезависимой памяти базовых станций 3.

В результате обеспечивается возможность автономного функционирования системы целиком или ее частей в условиях отсутствия связи с наземным комплексом 1.

На фиг. 3 показан пример использования коммуникационной системы для оперативного отслеживания перемещения персонала и других подвижных объектов в горных выработках, для контроля технологических процессов и мониторинга окружающей среды.

В этом случае система содержит стационарные автономные радиометки 10 позиционирования, например, УКВ-маяки, имеющие ограниченный радиус действия, которые размещаются в горных выработках в соответствии с требованиями к точности позиционирования и используются в качестве точек отсчета в локальных системах координат.

Наряду с радиометками 10, в подземных выработках могут быть размещены различные датчики технологических процессов, датчики параметров окружающей среды, модули удаленного ввода-вывода, также оснащенные приемопередатчиками ограниченного (малого, ближнего) радиуса действия. Эти автономные источники и приемники информации обозначены на фиг. 3 как устройства 11.

Для связи с радиометками 10 и возможности обмена информацией с устройствами 11, каждый абонентский терминал 6 дополнительно оснащен приемопередатчиком ближнего радиуса действия, работающим в УКВ – диапазоне.

Под использованным термином «приемопередатчик» понимается любая возможная комбинация из приемника и передатчика (не только размещенная в общем корпусе), включающая соответствующую антенну и другие функционально необходимые узлы.

Дополнительно абонентский терминал 6 может быть оснащен блоком инерциальной навигации, включающим акселерометры, магнитометры и гироскопы, и обеспечивающим расчет местоположения терминала 6 относительно меток 10.

Для контроля параметров рабочей зоны в абонентский терминал 6 могут быть встроены различные датчики, например, температуры, и различные газоанализаторы, контролирующие концентрацию горючих, опасных и вредных газов в зоне дыхания.

Результаты расчета местоположения и данные, полученные от встроенных в терминал датчиков и устройств 11, абонентские терминалы 6 передают на базовые станции 3 через волноводы 4, используя средневолновой диапазон.

Далее информация поступает на наземный комплекс 1, который обрабатывает данные, непрерывно рассчитывает текущие риски деятельности для каждого работника и передает расчетные данные обратно на абонентские терминалы 6, информируя персонал о возникшей опасности.

Результаты расчета местоположения и данные, полученные от встроенных в терминал датчиков и устройств 11, сохраняются в энергонезависимой памяти абонентских терминалов 6 и, при необходимости, могут быть считаны непосредственно в наземный комплекс 1 на поверхности.

Вышеприведенные примеры следует рассматривать как иллюстративные, которые не ограничивают возможностей использования системы в других случаях, являющихся очевидными для практикующих специалистов в данной области техники.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано на предприятиях с подземной добычей полезных ископаемых, в различных туннелях, подземных хранилищах и других протяженных объектах для голосовой связи и обмена сообщениями между абонентами, а также для оперативного управления, контроля местонахождения персонала и мониторинга состояния окружающей среды. Коммуникационная система содержит наземный программно-технический комплекс, связанные с ним транспортным каналом подземные стационарные базовые станции и абонентские терминалы, размещенные на подвижных объектах. Базовые станции и абонентские терминалы выполнены с возможностью приема и передачи сигналов средневолнового диапазона. В качестве каналов связи между базовыми станциями и абонентскими терминалами использованы проложенные в подземных выработках волноводы, к которым базовые станции подключены непосредственно, а абонентские терминалы – с помощью антенны, которая находится с волноводом в индуктивной связи. Базовые станции также связаны между собой волноводами. Каждой базовой станции выделен свой частотный диапазон внутри средневолнового диапазона, разделенный на каналы, часть которых используется для регистрации абонентских терминалов, а остальные - для передачи данных и голосовой связи между абонентами. При этом абонентские терминалы снабжены, каждый, устройством автоматической настройки антенны на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентом. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Коммуникационная система для подземных сооружений, содержащая наземный программно-технический комплекс, связанные с ним стационарные базовые станции, выполненные с возможностью приема и передачи сигналов средневолнового диапазона, размещенные на подвижных объектах абонентские терминалы с антеннами и приемопередатчиками средневолнового диапазона и проложенные вдоль подземных выработок волноводы, к которым подключены базовые станции, отличающаяся тем, что базовые станции размещены под землей в узловых точках маршрутов подвижных объектов и связаны между собой волноводами, каждая базовая станция имеет свой выделенный частотный диапазон внутри средневолнового диапазона, разделенный на каналы, используемые для регистрации абонентских терминалов, передачи данных и голосовой связи между абонентами, при этом абонентские терминалы снабжены, каждый, устройством автоматической настройки антенны на частоту канала, выделенного для работы с этим абонентом.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве волноводов использованы однопроводные линии.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве волноводов использованы двухпроводные линии.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что абонентские терминалы и базовые станции снабжены энергонезависимой памятью.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она включает автономные радиометки позиционирования, выполненные в виде передатчиков ограниченного радиуса действия, стационарно установленных в подземных выработках, при этом абонентские терминалы снабжены приемопередатчиком ближнего радиуса действия для связи с упомянутыми радиометками и другими объектами шахтной инфраструктуры.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что абонентские терминалы дополнительно снабжены блоком инерциальной навигации.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что абонентские терминалы дополнительно снабжены датчиками контроля параметров рабочей зоны абонента.