Беспроводная связь в карьерах и шахтах

Трудно представить себе современный мир без интернета и сотовой связи. Эти продукты настолько тесно вошли в нашу жизнь, что кажется, будто без них остановится всё: не будут работать многие бизнес-процессы, переговоры между партнёрами из разных регионов или стран растянутся на длительный срок, диспетчеры и механики перестанут получать оперативные данные о работе техники. В шахтах и на рудниках появляется всё более современное оборудование, которое требует создания единой высокоскоростной инфраструктуры передачи данных. Поэтому на первый план в горнодобывающей отрасли выходят системы сотовой связи.

«Сотовые» шахты

Сотовые технологии привнесли в карьеры и на рудники цифровую передачу данных, дуплексную телефонную связь и возможность определения местонахождения абонента в реальном времени. С такой технологией вместо раций там можно использовать телефоны и различные абонентские устройства с беспроводными «метками». О реальном таком примере на разрезе «Черниговский» мы писали в № 4 (08) 2017 г.

Для работы сотовой связи в карьере на отметке ниже уровня моря точно так же, как и для бытовой, нужна инфраструктура. К примеру, в пресс-службе ПАО «МТС» рассказали, что на данный момент оператор обслуживает разрезы компаний «Кузбасс разрез уголь» и «Стройсервис». Кроме голосовой связи, МТС также обеспечивает передачу данных на скорости до 21 Мбит/с — для М2М-передачи данных между карьерной техникой и службой диспетчеров разрезов.

Однако, по словам технического директора направления радиосвязи ООО «ЦТВС КУЗБАССТЕХНОСПОРТ» Артёма Ветрова, сотовую связь применяют в горнодобывающей отрасли редко, поскольку она неоперативна.

«Сотрудники, работающие в забое и на других опасных участках, должны не только поддерживать постоянную связь между собой, но и иметь возможность моментально вызвать диспетчера. В свою очередь, диспетчер должен оперативно вызывать группу сотрудников, а сотовая связь этого не позволяет. На набор номера и вызов может уйти много времени, а при ведении многих производственных процессов и особенно при возникновении экстренной ситуации это непозволительно», — сказал г-н Ветров.

Сотовые связи позволяют расставить внутри шахты базовые станции (например, микросоты стандарта DECT) или узлы связи — аналог знакомых сотовых вышек. Среди них в последнее время особое место занимают фемтосоты различных G-стандартов, которые создают зону покрытия в зданиях, у которых стены и перекрытия не позволяют свободно проходить сигналу от базовых станций с улицы. Правда, для этого требуется стабильный проводной ШПД. И в пресс-службе ПАО «МТС» сказали, что фемтосоты используют в основном для обеспечения связи в административно-бытовых корпусах и офисных помещениях, а «в карьерах и шахтах данная технология нерентабельна».

Цепочка из DECT

За последние 10 лет в шахтах и на рудниках стали активно использовать систему микросотовой связи DECT на радиочастотах диапазона 1880–1900 МГц. Работая на обычных телефонных кабелях, она обеспечивает высокое качество связи, ремонтопригодность, пропускную способность по абонентской нагрузке, а также простоту лицензирования частот. Таким образом, DECT легко создаёт зону покрытия. Она установлена в шахтах компаний «Воркутауголь», «Белон» и на предприятиях ГОК АК «АЛРОСА» (к примеру, рудник «Интернациональный» Мирнинского ГОК).

Изначально DECT создавали для бытового применения. По этой причине в ней нет режимов ретрансляции, соответственно, радиоволны затухают уже через 500 м в прямой видимости от базы. Чтобы использовать эту систему под землёй, приходится выстраивать целую цепочку DECT из ретрансляторов через эфир.

Системный инженер Mine Radio Systems Екатерина Королькова говорит, что частоты порядка 1900 МГц в горных выработках быстро затухают, поэтому дальность связи между базовыми станциями не может превышать 350 м даже в случае прямой видимости.

«На самом деле из-за особенностей распространения сигнала в подземной среде эта цифра снижается до 50–100 м. Так как под землёй нужно разместить большое количество соединённых последовательно базовых станций, хорошей альтернативой данному решению может являться применение технологии Wi-Fi, потому что могут обеспечить не только голосовую связь, но и передачу данных», — комментирует г-жа Королькова.

Wi-Fi-технологии

Системы связи на основе технологии Wi-Fi появились путём создания сети с применением коммутаторов и радиоантенн. Связь через Wi-Fi осуществляется на высокой частоте (от 2 до 6 ГГц). Чтобы её построить, нужно проложить оптический кабель по горизонту шахты и расставить точки доступа в зависимости от степени поглощения сигнала породой. В большинстве случаев система «растягивается» на несколько сотен метров (при условии прямой видимости до устройства).

По словам заместителя генерального директора по маркетингу ООО «КАС» Александра Алексеева, Wi-Fi в шахтах и на рудниках сегодня — это универсальное и широко используемое средство передачи информации, которое решает всевозможные задачи связи, наблюдения, диспетчеризации и оповещения. Эта система связи снабжает рабочих голосовой связью и передаёт данные с камер видеонаблюдения, систем эвакуации, внешних датчиков, систем аэрогазового контроля и любых других устройств, которые поддерживают протокол IP. Топология Wi-Fi-систем имеет функцию резервирования, которая обеспечивает «живучесть системы» при авариях, обрушениях выработок и т. п.

На первый взгляд, сети Wi-Fi являются отличным решением для связи под землёй. Тем не менее, качество их работы напрямую зависит от количества абонентов в зоне покрытия. К тому же у этих сетей невысокий радиус действия, и они требуют реконфигурации в том случае, если топология шахты или рудника изменяется. Так, в зависимости от приоритета приложения нужно создавать уникальный SSID для привязки к собственной виртуальной сети VLAN.

«Среди недостатков Wi-Fi хочу выделить необходимость прокладки и обслуживания оптического кабеля, чувствительность к обрыву кабеля, высокое затухание сигнала и, как следствие, малый радиус действия. Кроме того, невозможно оперативно расширять сеть по мере развития рудника и обеспечивать связь в отдалении от главной оптической линии», — отмечает Екатерина Королькова.

Мэш-сети или LTE?

В качестве альтернативы системный инженер MRS посоветовала использовать Wi-Fi мэш-сетей, которые пока ещё не успели распространиться в российских шахтах, но несут в себе огромный потенциал: их удобно эксплуатировать, а также можно оперативно реконфигурировать систему в зависимости от стадий развития рудника. В отличие от обычной Wi-Fi-системы, мэш-сети не требуют прокладки кабельных линий, а в качестве канала связи используют собственный беспроводной интерфейс.

Помимо мэш-сетей, в подземных выработках рекомендуют использовать частные сотовые LTE сети (Long-Term Evolution). LTE — это стандарт беспроводной скоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными, часто обозначаемый операторами как 4G (хотя ассоциация 3GPP не относит LTE к этому стандарту). Такие сети могут функционировать на различных частотах от 700 МГц до 5,9 ГГц и достигать скоростей до 300 Мбит/с с задержкой менее 5 миллисекунд. Частная LTE-сеть обеспечивает связь и передачу данных внутри предприятия, гарантируя безопасность данных, ведь она не связана с сетями мобильных операторов.

Такие сети можно настраивать под конкретные задачи объекта, а ещё выделять каналы с фиксированным качеством связи. По сравнению с Wi-Fi они обладают намного большей дальностью. И ядро, и базовые станции, входящие в состав сети радиодоступа, являются IP-устройствами, а это существенно упрощает взаимодействие с другими сетями.
«Несмотря на то что в России пока нет таких внедрений, сотовые операторы и производители оборудования LTE интегрируются для внедрений частных сотовых сетей на рудниках и шахтах по всему миру. Это дорогостоящее решение окупает себя за счёт повышения эффективности процесса добычи и возможности использования беспилотного транспорта. LTE успешно работают на руднике Krankberg в Швеции, Agnico Eagle в Канаде и ряде других объектов», — рассказывает Екатерина Королькова.

Связь из сейсмических передатчиков

В 2014 году в СМИ появилась информация о том, что аспирант СФУ разработал систему аварийной сейсмической шахтной связи, которая обеспечивает связь с попавшими под завалы шахтёрами даже в случае повреждения всех проводных средств коммуникации. Проект выполнили по техническому заданию АО НВИЦ «Радиус», об этом рассказал заместитель директора по развитию компании Руслан Смирнов. В MRS уточнили, что система аварийной сейсмической шахтной связи — результат совместной работы компании «Радиуса» и ООО НПФ «Иридий». Был создан опытный образец, проведены испытания, которые подтвердили, что сообщения с помощью сейсмических волн можно передавать на глубину до 1 км.

«У нас есть патент на изобретение, мы получили его в рамках реализации проекта по обратному беспроводному каналу связи на поверхность из специализированных камер спасения (убежищ), которые располагаются в шахтных выработках на случай возникновения аварийной ситуации. Эта система сейсмической связи состоит из усилителей, сейсмических передатчиков, расположенных в шахтной выработке, а также из сейсмических приёмников и блоков обработки сигналов. Создана система аварийной связи для спасения людей в шахте, которая может работать во время и после аварии. Применение сотовой связи или Wi-Fi в подземных шахтных условиях возможно только в качестве технологической связи до аварии, поэтому аварийный канал связи в шахте просто жизненно необходим», — поясняет г-н Смирнов.

По словам Екатерины Корольковой, подземная часть данной системы подходит для установки в пунктах коллективного спасения персонала и может функционировать даже в случае полного разрушения инфраструктуры шахты, поскольку она практически полностью автономная и, как следствие, не требует подвода коммуникаций. Однако скорость передачи данных в такой системе составляет единицы бит в секунду, поэтому её целесообразнее использовать только в качестве аварийной системы связи.

«В настоящий момент система находится на этапе сертификации для применения в рудниках и шахтах, опасных по пыли и газу», — говорит системный инженер MRS.
«Опытные образцы системы с положительным результатом прошли комплекс испытаний на учебной шахте, руднике Абазинский и шахте «Хакасская», это подтверждается протоколами. В данный момент мы находимся на этапе сертификации системы «Радиус-3», которую создавали для организации аварийного беспроводного канала связи из-под земли на поверхность», — объясняет Руслан Смирнов.

По мнению кандидата физико-математических наук и научного консультанта ООО НПФ «Гранч» Василия Ваганова, систему можно использовать только для определения местонахождения «живого» горняка.

«В этой системе горняк прикладывает к стене выработки виброизлучатель и передаёт «послание». На поверхности или в другой выработке это послание принимают и определяют местонахождение пострадавшего. В данном случае это аналог известного метода «перестукивания по стене». Скорость передачи информации низкая, единственная польза — местонахождение. У англичан есть испытанный аналог, позволивший найти человека на глубине 700 м, при этом он активно «махал кувалдой». А как быть с реально пострадавшим?», — сомневается г-н Ваганов.

Он считает, что на сегодняшний момент более эффективными остаются мультифункциональные компьютерные сети, которые используют сразу несколько беспроводных каналов связи Wi-Fi (2400–5400 МГц) и широкополосную технологию (UWB). Они определяют координаты шахтёра один раз в секунду, за это время он проходит около 2–3 м. Если произошла авария, а работник потерял сознание или оказался в завале и не может пошевелиться, система запоминает его последнее местонахождение. Если же он хаотически ищет выход, спасатели смогут его найти с помощью сегмента системы, работающего на автономном питании.

Работу в шахтах и на рудниках сегодня трудно представить без систем связи. И сотовая связь прочно вошла в горнодобывающую отрасль, в каком бы виде она ни была представлена — LTE, DECT или же Wi-Fi, которую расширили до мультифункциональной компьютерной сети. Параллельно с системами сотовой связи появляются такие альтернативные технологии, как система сейсмической связи. Конечно, у каждой есть свои недостатки, но это стоит расценивать только как стимул к дальнейшему развитию сотовых технологий.

Текст: Валентина Лескина