基于IMS的井下通信联络系统解决方案V2.docx
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基于IMS的井下通信联络系统解决方案V2
基于IMS的井下通信联络系统解决方案
辽宁邮电规划设计院有限公司
日期：
2013年12月
目录
第一章项目概述1
1.1项目背景1
1.2必要性1
1.3建设原则2
第二章建设方案4
2.1系统概述4
2.2拓扑结构4
2.3系统功能4
2.3.1矿帽4
2.3.2呼叫中心6
2.4功能展望6
第三章设计方案8
3.1系统组成8
3.2结构工艺9
3.3技术特点9
3.4工作计划安排10
第四章资金预算12
第五章商务方案13
第一章项目概述
一.1项目背景
随着经济的发展，刺激国家对各种矿业资源的巨大需要，所有地下的资源开采都涉及到井下作业。
近几年来，井下矿难事故屡屡发生，造成了巨大的人员与财产损失。
国家也对矿井通信系统的重视程度逐年增加，提倡通过自主创新和集成创新的模式推动矿井重大灾害防治关键技术的研究，坚持以人为本，提高质量，建设高产高效的现代化矿井，将矿井的安全高效作业提高到了新的高度。
而在矿井的应急保障系统中安全调度与应急通信保障是首先需要解决的问题。
随着矿下设备的现代化程度不断提高，对井下与地面的通信联络手段的要求也在不断的提高。
及时、准确的获取井下人员信息，并保持与井下人员的联系以保证高效的指挥调度，对安全生产来说极为重要。
这使得矿山对井下工作人员及其他移动目标进行安全和科学的管理提出了更加精确的需求。
当遇到矿井突发事故时，对井下人员的抢救缺乏精确的可靠的实时信息。
抢险救灾安全救护的效率仍然不高，效果不理想，造成救援难度增大，指挥中心缺乏准确的信息作出准确快速的救援方案，不利于事故抢险。
基于上述情况，一种能够便于管理日常作业管理与应急救援的通信迫切需要被应用于矿井的开采中。
一.2必要性
矿井通信联络系统是矿井安全避险“六大系统”之一，在矿井安全生产调度、安全避险和应急救援中发挥着重要作用。
矿井通信系统包括矿用调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统、矿井救灾通信系统等。
不同的通信系统在矿井的运行中发挥这不同的作用。
常见的矿井通信系统有如下几种：
1、固定有线电话通信系统
此种系统被认为是矿井下最可靠的通信手段，只要电话不坏、电缆不断的情况下，系统即可正常工作，在生产调度和紧急避险和应急救援工作中发挥着重要作用。
但是由于矿下作业面较大，存在使用不方便、不能满足矿井下移动工作等问题。
井下作业人员在使用时需要行走较远的距离。
特别是当发生紧急情况是，地面的调度人员不能及时通知井下作业人员，井下作业人员也不能及时将险情向指挥中心报告。
2、矿井广播通信系统
矿井广播通信系统一般采用喇叭和显示屏等手段通知井下作业人员调度信息，在发生紧急情况时可以通知井下人员提前做好避险等保护措施。
但是此种手段仅能进行信息的单向广播，井下人员无法将井下的实时信息反馈给指挥中心，只能被动接受指挥中心的调度指令。
3、矿井移动通信系统
井下移动通信系统具有通信及时、便捷等优点、提高井下流动人员通信的及时性，为及时下达调度指令、沟通生产信息、通报安全隐患、事故撤人和救援提供通信手段，促进安全生产，提高生产效率，是有线电话通信的很好的一种重要补充形式，并且能在发上危险情况时，指挥中心直接下发避险指令，协助人员撤离。
井下人员可以快速的将准确情况反馈给指挥中心。
4、矿井应急通信系统
矿井应急通信系统主要用于事故报警、人员撤离、被困人员通信联络、抢险救灾、临时施工等。
应急通信系统主要指挥被困人员紧急避险（地面向井下通信），还要了解被困人员的位置、人数、现状等信息。
需要在矿井下避难室内设计发射机和天线，实现避难室双向通信。
通过以上的分析可以看出，基于无线通信的井下通信解决方案在安全生产调度、紧急情况避险、信息反馈等方面有着特有的优势。
本项目正是基于此种考虑，设计适用于井下通信的联络系统，用于解决井下作业的生产调度、紧急避险、信息反馈等问题。
一.3建设原则
1、稳定性要求
系统应具有较强的抗干扰能力，能够适应矿井下复杂的电磁环境，能够通过在井下建立稳定的数据通信链，保证语音信号的稳定传输。
实现井下作业面的无死角、全区域无线网络覆盖。
在紧急情况下，部分基站损坏的情况下，依旧能够建立通信连接。
2、系统带宽要求
本系统通过井下wifi信号与指挥中心建立通信连接，应充分保证通信信道畅通，能够容纳足够多的在网设备同时进行语音通话。
网络延时应保证语音通话的最低要求，保证通话质量与通话的实时性。
3、系统功耗要求
终端设备应能够满足井下作业的工作时间并留有富裕续航时间。
设备的待机时间应能够保证工作时间内的全程待机，并保证语音通话时间满足生产需要。
4、人性化要求
终端设备应具有佩戴舒适、操作便捷、无需过多设置即可使用的特点，最大程度上简化操作步骤，通过简单的按键操作即可进行对话。
保证对使用人员进行简单培训后，即可马上投入使用。
设备结构应充分考虑井下工作环境特点，能够适应井下的复杂环境，应具有较强的实用、耐用性并且充电方便。
5、灵活行要求
终端设备的使用应不影响井下作业工作，能够使佩戴人员便捷的进行语音通信，设有一键呼叫指挥中心功能，设备轻盈，长时间佩戴也不会产生累赘感。
6、故障处理与报警要求
终端设备在正常运行时应有状态提示灯，能够简单明了让使用人员清楚设备的运行状态。
当设备故障时或者电池系统供电不足时能够及时提醒使用人员设备处于异常状态，采取必要的处理措施使设备恢复正常的使用功能。
第二章建设方案
二.1系统概述
井下通信联络系统，主要应用于矿井作业通信，保证井下作业人员之间与地面指挥中心之间的语音通信功能。
井下通信联络系统主要由呼叫中心、通信网络和矿帽组成，为佩戴矿帽的井下工人提供实时的语音通话和人员定位服务。
二.2拓扑结构
井下通过部署多个AP设备，形成无缝的WiFi网络。
矿帽通过WiFi网络连接至呼叫中心的PBX设备，PBX通过专线连接至移动的IMS核心网和GSM网络。
井上可在PBX内侧部署多个SIP电话，用于和矿帽进行局域网通话。
二.3系统功能
二.3.1矿帽
1、安全防护
矿帽是防止冲击物伤害头部的防护用品，能够防止冲击物伤害头部，具备冲击吸性性能、耐穿刺性能、侧向刚性、电绝缘性和阻燃性。
当作业人员头部受到坠落物的冲击时，利用矿帽帽壳、帽衬在瞬间先将冲击力分解到头盖骨的整个面积上，然后利用矿帽各部位缓冲结构的弹性变形、塑性变形和允许的结构破坏将大部分冲击力吸收，降低最后作用到人员头部的冲击力，从而起到保护作业人员的头部的作用。
2、语音通话
矿帽内集成WiFi或GSM芯片，具备语音通话功能，本项目中矿帽具备三种语音通话形式：
1）基于IMS网络的语音通话。
使用WiFi网络通过矿下的AP（无线路由器）连接井上的PBX设备，从而连接移动的IMS核心网，具备拨打和接听IMS电话的功能。
2）基于GSM网络的语音通话。
在矿帽中插入移动GSM网络的SIM卡，通过井下布置的移动基站或室内部分系统，连接至移动GSM核心网，具备拨打和接听GSM电话的功能。
3）基于蓝牙连接的语音通话。
通过矿帽中蓝牙模块与作业人员随身携带的GSM或者IMS终端上的蓝牙模块进行配对，从而连接矿帽和终端，具备拨打和接听蓝牙电话的功能。
3、WiFi定位
通过WiFi网络对矿帽进行定位，从而实现对作业人员的井下定位功能。
在呼叫中心设置管理平台，对数据进行实时分析和处理，实现对矿帽进行实时监控，并在矿井地图中显示矿帽的当前位置。
另外，系统通过扩展可支持RFID定位，在矿道部署RFID识读器，在矿帽内安装RFID射频芯片，能够更加准确的对矿帽进行定位，实时获取井下作业人员的当前位置情况，在呼叫中心的管理平台上记录作业人员的行走轨迹。
将井下作业人员进行分类管理，对于未按时间要求升井和进入指定巷道的人员进行提醒与预警功能。
4、电话会议
每个矿帽都是一个IMS或GSM终端设备，可通过移动公司配置电话会议功能。
特别的如果是基于IMS网络，通过井上呼叫中心的PBX设备，可以设置局域网电话会议，而不通过IMS核心网。
另外，也可以将两种业务相结合，如果发生紧急事件，不在矿场的领导或者工程师可通过使用移动网络接入井下通信系统的电话会议中，为应急事件的解决提供必要的通信手段保障。
另外，基于IMS业务模式，提供视频通话、绑定作业人员的电话，为井下作业人员提供多种方便灵活的IMS话音业务。
5、环境监控
通过在矿帽上添加传感器，获得井下各种实时的环境参数，例如图像、风速、风压、温湿度、一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、烟雾粉尘等井下的环境参数进行实时监测，如果有环境参数超出门限值，进行声光、语音等方式的提醒和预警，保护作业人员的环境安全。
6、其他功能
除了以上4个主要功能外，矿帽还支持SOS呼叫、设置短号码、音量调节、状态指示等功能。
SOS呼叫可通过长按矿帽上按键连接紧急号码或呼叫中心，同时启动紧急预案，通过定位功能锁定发起SOS呼叫的作业区域，向该区域内作业人员发送广播，启动该区域的报警灯和警铃。
设置短号码主要是通过矿帽上的2个按键进行组合，绑定作业人员经常拨打的号码。
例如按“11”连接班长，按“12”连接技术员，按“111”连接安全员。
二.3.2呼叫中心
呼叫中心的PBX可实现连接控制、呼叫转接和日志管理。
呼叫中心管理平台通过图形化的直观画面实现矿帽的在线情况和位置情况的查询，并可记录矿帽的运动轨迹。
第三章设计方案
三.1系统组成
矿帽由壳体与功能单元组成。
矿帽的壳体是经过全新设计的结构，与以往矿帽不同的是内部可以安装用于通信的设备，通信系统配件全部安装于矿帽内部。
如下图所示，矿帽结构单元由电源、按键、主控板、麦克风和扬声器组成，现将各单元作如下详细介绍：
1.电源：
电源主要为通信设备提供所需电能，本系统电源部分采用LG公司的606168聚合物电池。
该电池标称容量2500mAh，保证系统充足的续航能力。
正常放电温度为-20～60℃，适用范围广，电池本身具有充放电保护电路，可以保证在矿井下的安全适用。
2.无线通信模块：
无线通信模块主要用于矿帽与终端节点间的数据传输，系统采用低功耗wifi模块，通信稳定、效果高、速率快等特点，保证语音信号的即时传输。
3.声音采集与重放：
系统配有单指向麦克风用于采集使用人员的语音信息，利用单指向麦克风的指向性最大程度上屏蔽外部干扰噪声。
声音重放单元用于重放接收到的语音信号，系统采用小型扬声器用于声音重放，在保证正常收听的前提下最大程度上兼顾使用者的舒适程度。
4.按键功能单元与状态指示：
按键单元主要用于人机交互操作，设有一键呼叫指挥中心功能，便于一键与指挥中间建立通话。
状态指示灯与按键设计在一起，可以直观显示设备的运行状态。
5.主控CPU：
主控CPU采用新唐的ISD9160Cortex-M0，具有超低功耗、性能稳定、内部集成语音信号输入与语音信号输入等功能。
能够对采集到的信号进行快速的对上行与下行的数据进行处理，保证系统的实时性。
放电温度（℃）:
-20～60
存储温度（℃）:
-20～35
保护板参数：
充电截止电压4.2V，放电截止电压2.75V，允许最大电流3A。
聚合物锂电池，具有高容量,放电平台稳定,工作时间长,寿命长等特性，反复充电次数达1000次以上
标称电压：
3.7V
尺寸：
6.0*61*68（厚宽高mm）
标称容量:
2500mAh
充电电流:
标准充电0.5C，最大充电电流1C。
放电电流:
1C
充电温度（℃）:
0～45
放电温度（℃）:
-20～60
存储温度（℃）:
-20～35
保护板参数：
充电截止电压4.2V，放电截止电压2.75V，允许最大电流3A。
聚合物锂电池，具有高容量,放电平台稳定,工作时间长,寿命长等特性，反复充电次数达1000次以上。
标称电压：
3.7V
尺寸：
6.0*61*68（厚宽高mm）
标称容量:
2500mAh
充电电流:
标准充电0.5C，最大充电电流1C。
放电电流:
1C
充电温度（℃）:
0～45
放电温度（℃）:
-20～60
存储温度（℃）:
-20～35
保护板参数：
充电截止电压4.2V，放电截止电压2.75V，允许最大电流3A。
聚合物锂电池，具有高容量,放电平台稳定,工作时间长,寿命长等特性，反复充电次数达1000次以上。
标称电压：
3.7V
尺寸：
6.0*61*68（厚宽高mm）
标称容量:
2500mAh
充电电流:
标准充电0.5C，最大充电电流1C。
放电电流:
1C
充电温度（℃）:
0～45
放电温度（℃）:
-20～60
存储温度（℃）:
-20～35
保护板参数：
充电截止电压4.2V，放电截止电压2.75V，允许最大电流3A。
聚合物锂电池，具有高容量,放电平台稳定,工作时间长,寿命长等特性，反复充电次数达1000次以上。
三.2结构工艺
矿帽采用ABS工程材料作为主体材料，ABS材料具有高强度特点，完全可以满足矿帽的头部防护要求。
在不破坏矿帽外形的前提下充分利用内部空间，合理布局将所有设备安装于矿帽内。
矿帽结构设计充分考虑实用性，坚持实用加高效的理念。
矿帽的结构详细描述如下：
1）矿帽外观：
矿帽外观与传统矿帽基本一致，保留了矿帽的基本外形，在矿帽内部合理规划空间，保证矿帽佩戴的舒适度。
矿帽顶部设计加强筋结构，增加矿帽的抗冲击能力。
2）电池与主控板安装位置：
要保证矿帽的外形与传统矿帽基本一致，因此电池与主控板均被安装于矿帽内部。
巧妙借助顶部加强筋结构，合理拓展内部空间为电池与主控板的安装预留足够空间。
既保证电池与主控板的安装又兼顾矿帽内的缓冲空间，保证矿帽在收到冲击时可以有效保护头部，减小外力对头部造成的伤害。
3）按键与状态指示灯：
人机交互按键，用于可以实现一键与指挥中心建立通话连接，并可以实现与其他人单点对话。
按键设计为带触点的异形结构，可以保证佩戴人员在无需看见按键的情况下通过手感即可准确操作。
按键为透明材料，按键下方设计有系统的状态指示灯，可以通过按键的发光颜色及状态判断系统的运行状态。
4）耳麦与扬声器：
麦克风采用万向管加旋转座结构，保证在使用的过程中既可以根据需求旋转到合适的角度，又可以保证在不适用时可以旋转到不妨碍视线的位置。
扬声器被设计在人耳侧上方的位置，保证语音信息的清晰收听。
三.3技术特点
矿帽在外观结构和功能上都有它独特的设计，在保证矿帽的防护功能前提前合理规划内部结构，将通信系统集成于矿帽内，解放使用者的双手提高劳动生产效率有很大帮助。
矿帽内的通信设备可以保证佩戴人员可以即时与他人进行语音通信。
矿帽的技术特点如下：
1）精心设计外形结构
与传统矿帽相比，本矿帽具有与传统矿帽相似的外形，仅在两侧耳朵处根据结构需要进行少许改动，保留了矿帽的完整外形。
本设计合理规划矿帽内部空间，将所有通信设备集成矿帽内部，最大程度上降低矿帽的结构复杂程度，降低制造加工难度。
矿帽集成了通信主控电路板、电池、按键、扬声器、麦克风，使用时与传统矿帽区别不大，可以通过矿帽上的麦克风进行语音通话。
麦克风被设计为可以旋转的万向软管结构，既可以保证根据需要旋转任意角度，也可以对麦克风的远近以及位置进行任意调整。
扬声器放置于人耳的侧上方，在保证清晰收听语音的同时又可以保证长时间佩戴的舒适度。
2）准确便捷操作
矿帽上设有操作按键，可以实现一键呼叫指挥中心。
通过与指挥中心对话可以通过指挥中心与全网设备进行通话。
通过操作按键的组合也可以与指定设备进行定向通信，保证操作简单。
按键采用异形按键设计，更加符合个人的操作习惯，按键表面设有识别触点，可以保证使用者在佩戴过程中直接通过手触感觉即可准确对设备进行操作。
3）全面的防护措施
矿帽在保留头部防护外力撞击的基础上，增加通信功能。
在紧急时刻可以与指挥中心取得联系，及时将信息传递至指挥中心，为救援提供准确的信息支持。
由于产品采用wifi通信技术，会向外发射电磁信号，本产品针对电磁辐射问题在结构上增加防电磁辐射处理。
在靠近头部的一侧加装防护信号屏蔽层，将电磁辐射信号完全与人体隔离开，保证使用人员不受电磁辐射伤害。
第四章资金预算
以以井下主道长度10KM的项目为例，井下作业人员为1000名，项目总投资为115.5万元。
序号
设备名称
型号/参数
单位
数量
单价（元）
合计（元）
备注
一
地上中心设备
1
IP-PBX
台
1
20700
20700
2
服务器
台
1
28750
28750
3
光纤交换机
24口百兆全光口交换机
台
2
11500
23000
4
防雷
包含电源防雷和信号防雷
套
1
2300
2300
5
机柜
600*900*2000
台
1
3450
3450
6
小计1
78200
二
井下前端设备
1
无线AP
支持1000M以太网交换能力，支持2路光口、2路电口。
本安电路设计、防护等级IP66
台
24
4140
99360
覆盖距离500米
2
电源
本安ups型单路输出，带有充电供电接口，满足GB3836.4-2010要求。
台
24
2818
67620
3
安全帽
个
1000
500
500000
4
小计2
666980
三
线缆材料、辅材
1
井下用光缆
MGTSV-24B
米
15000
12
172500
矿井下专用
2
井下电源线
MVV3*1.5
米
2400
8
19320
矿井下专用，分散取电
3
光纤配线架
24口
个
2
518
1035
4
光纤跳纤
条
96
35
3312
5
光纤终端盒
套
24
345
8280
6
室外设备箱
个
24
345
8280
7
辅材
项
24
575
13800
8
小计3
226527
四
设备材料费合计
971707
五
系统集成费
118052
六
税金
6%
65386
七
投资合计
1155145
第五章商务方案
矿帽为矿山井下作业人员的必须品，移动公司可以用矿帽为基础纳入到矿山整体通信解决方案中，包括光纤接入、PBX设备和井下通信保障。
每个安全帽相当于一个话机终端，可依据PBX业务进行商务上的合作。
针对每一个具体的项目，我们初期采用项目型的合作方式，为客户提供完整的解决方案，包括方案设计、设备提供和工程施工。
在项目实施之后，矿帽销售和运营维护这块，我们可以采取分合作分成的模式。
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