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。