4G無線網(wǎng)絡通信技術在大柳塔煤礦的應用

任文清

(神華神東煤炭集團公司，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來隨著通信網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術的應用在煤炭安全生產(chǎn)中起著重要作用。緊跟國家“十三五”發(fā)展總體規(guī)劃，打造新一代數(shù)字化、信息化礦山已是煤礦發(fā)展的必然需求，也是煤炭領域安全生產(chǎn)的必要手段。

無線網(wǎng)絡(wireless network)是采用無線通信技術實現(xiàn)的網(wǎng)絡。無線通信(Wireless communication)是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式[1]。礦井通信網(wǎng)絡技術經(jīng)歷了固定電話、電信小靈通通信和移動3G無線網(wǎng)絡通信3個階段?，F(xiàn)階段大部分礦井都在電信小靈通通信或移動3G無線通信與固定電話終端配合使用階段。其主要特點是帶寬低，傳輸速度慢，信號覆蓋面小，數(shù)據(jù)共享效率低，應用較單一等，遠遠達不到智能化礦井建設的需求。為改變這種情況，借助4G無線通信技術，在大柳塔煤礦活雞兔井首次規(guī)劃使用4G綜合接入分站，將礦井通信聯(lián)絡系統(tǒng)無線通信、應急語音廣播系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)高度集成，消除礦井各自動化子系統(tǒng)間的信息“孤島”，開啟了全礦井信息、通信“一網(wǎng)一站”式服務。

1 現(xiàn)狀分析及解決方案

1.1 現(xiàn)狀分析

礦井通信聯(lián)絡系統(tǒng)是煤礦井下安全避險的6大系統(tǒng)之一[2]，也是保障煤礦工人生命安全的一道重要防線。但由于煤礦井下特殊的作業(yè)環(huán)境，復雜的巷道布置、分散的作業(yè)人群等諸多不確定性因素影響，煤礦井下通訊聯(lián)絡系統(tǒng)的發(fā)展一直受到制約。目前井下通訊聯(lián)絡設備還比較落后，通信方式也較為單一。國內大多數(shù)煤礦還是以固定電話作為礦井通信聯(lián)絡的主要方式，但由于鋪設通訊電纜成本高，固定電話在井下巷道安裝數(shù)量有限，井下分布距離較遠，且大多固定電話布置在作業(yè)人員相對密集區(qū)域。對于分散作業(yè)的人群，在井下遇到突發(fā)狀況時，是無法及時與外界取得聯(lián)系，這給安全生產(chǎn)帶來很多不便。有部分礦井現(xiàn)已有電信小靈通或移動3G無線通信設備，但往往受到小靈通信號覆蓋范圍小，通話質量差，3G無線通信技術帶寬速率低，可靠性差等因素的制約，尚不能滿足日常工作交流的需求。

煤礦井下應急語音廣播系統(tǒng)也是礦井通信聯(lián)絡系統(tǒng)的組成部分[3]。當發(fā)生緊急情況時，工人可通過就近應急語音廣播終端向調度指揮中心匯報，調度員也可及早了解現(xiàn)場情況，采取有效措施，使事故得到有效控制。因此，建設井下應急語音廣播系統(tǒng)，是保障礦井人身安全的必要手段。但由于井下巷道較多，分布范圍廣，巷道布置錯綜復雜，使語音廣播系統(tǒng)在井下使用存在布線困難，音頻功率損耗大、音質不佳，互動性能差，維護管理工作繁重等問題。

礦山井下人員定位系統(tǒng)也是煤礦井下安全避險的6大系統(tǒng)之一[4]?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定入井人員和車輛都必須配備定位儀，如果當井下發(fā)生水、火、瓦斯等自然災害時，調度指揮中心能第一時間在人員定位系統(tǒng)查看井下受困人員分布位置，并可有序組織人員撤離。也可向井下全體人員發(fā)出緊急群呼，井下工作人員收到呼叫后，能最快做出反應，在最短時間內安全撤離。反之，如果搶救不及時，搜救工作得不到有效指揮，或盲目搜救而延誤脫險時機，使事故進一步擴大，有可能造成更嚴重的后果。目前大柳塔煤礦井下使用的是北京天一眾合開發(fā)的KJ 133人員定位管理系統(tǒng)，需要井下單獨布設光纜，存在人員定位分站收發(fā)信號距離較短，巷道定位器數(shù)量較多，維護工作繁重，使用成本較高等問題。

1.2 解決方案

為解決上述通訊聯(lián)絡、人員定位系統(tǒng)在使用維護中的各種問題，大柳塔煤礦活雞兔井首次規(guī)劃建設4G一體化網(wǎng)絡管理平臺，徹底淘汰礦井原有小靈通通信系統(tǒng)。4G綜合通信分站，是將礦井無線通訊、人員定位、應急廣播等系統(tǒng)統(tǒng)一集成在同一綜合通信分站。其接入分站實施“一網(wǎng)一站”式設計，集電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)“三網(wǎng)融合”，形成一個具有運行數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測，視頻圖像實時監(jiān)控，語音通信及時溝通的綜合信息化網(wǎng)絡管理平臺。

2 4G一體化總體方案

4G一體化總體方案設計主要包括井下環(huán)網(wǎng)和綜合通信分站建設。其中井下環(huán)網(wǎng)由萬兆環(huán)網(wǎng)和千兆環(huán)網(wǎng)組成，萬兆環(huán)網(wǎng)由礦用萬兆環(huán)網(wǎng)交換機實現(xiàn)，千兆環(huán)網(wǎng)由綜合通信分站實現(xiàn)。

2.1 設計思路及產(chǎn)品選用原則

設計思路：4G一體化方案設計思路采用全新設計理念，綜合通信分站采用標準化、模塊化設計。根據(jù)井下巷道分布情況，綜合分站布置滿足4G無線信號實現(xiàn)礦井全覆蓋。為降低建設成本，規(guī)劃建設方案需重點考慮新建系統(tǒng)與井下原有部分系統(tǒng)實現(xiàn)完美對接。

先進性和可擴展性：隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，新技術、新產(chǎn)品也在不斷升級。本方案設計理念也需緊跟科技發(fā)展步伐，體現(xiàn)行業(yè)技術發(fā)展先進性；雖然現(xiàn)選用產(chǎn)品已達到當前技術水平前沿，帶寬、速率、功能等都能滿足當前需求，但歷經(jīng)幾年發(fā)展蛻變后，當前產(chǎn)品勢必又趕不上時代發(fā)展需求。因此，在設計時還需考慮系統(tǒng)的可擴展性。即使歷經(jīng)幾年后再增加其他業(yè)務需求，也可通過擴展功能達到要求，保證產(chǎn)品在短時間內不被淘汰。

科學性和規(guī)范性：大柳塔煤礦引進礦井綜合通信分站系統(tǒng)是全國礦山井下的首次嘗試，其設計方案的科學性直接影響著后續(xù)礦井信息化建設的進程。綜合通信分站系統(tǒng)是將無線通信、廣播系統(tǒng)和人員定位高度集成在一起，實現(xiàn)礦井通信資源的一體化管控。其設計、安裝、調試等過程必須嚴格規(guī)范，所有設計原則都必須執(zhí)行國家相關規(guī)定，設計手段必須符合行業(yè)標準，以備將來在全行業(yè)推廣使用。

安全性和可靠性：實現(xiàn)井下6大系統(tǒng)的信息化和智能化建設，其目的都是更好地服務于礦井的安全生產(chǎn)。因此所設計的4G無線通信網(wǎng)絡方案，也必須首先考慮此系統(tǒng)在實施和使用過程中的安全性與可靠性。

系統(tǒng)性和兼容性：井下綜合通信分站系統(tǒng)屬于公共網(wǎng)絡系統(tǒng)設備，巷道分布的每臺分站都將實現(xiàn)“三網(wǎng)融合”，達到“一網(wǎng)一站”式服務。因此，在設計綜合通信分站方案時，必須考慮設備滿足系統(tǒng)性和各系統(tǒng)間的兼容性。

分站選型：結合活雞兔井實際情況，通信分站選用北京富華宇祺信息技術有限公司生產(chǎn)的KTF15礦用本安型通用分站，其機箱內硬件系統(tǒng)采用基于高速信號背板的模塊化設計。主要模塊包括光纖模塊、以太網(wǎng)模塊、有線電話接入模塊、4G無線通訊模塊、應急廣播模塊、人員定位模塊、無線寬帶模塊、RS485通信模塊、視頻監(jiān)控模塊和監(jiān)測監(jiān)控模塊等。

2.2 系統(tǒng)架構及組網(wǎng)設計

綜合通信分站系統(tǒng)組網(wǎng)支持以太網(wǎng)及光纜專網(wǎng)組網(wǎng)方式，可自組環(huán)網(wǎng)或接入礦方原有工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機，同時支持綜合通信分站之間的級聯(lián)。設備之間級聯(lián)統(tǒng)一采用光纖方式進行組網(wǎng)，這種有線傳輸方式不僅能減少電路噪聲對信號的干擾，同時也增加了信號傳輸距離，其組網(wǎng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構及組網(wǎng)結構

2.3 綜合分站布放

信號覆蓋半徑：4G無線通信信號和Zigbee精確定位信號在直巷覆蓋半徑為400 m以上，應急廣播信號覆蓋半徑為200 m，無線WiFi信號覆蓋半徑為100 m。根據(jù)活雞兔井下巷道實際情況，需在巷道交錯、拐彎、風門等處增設綜合分站。為使井下4G無線通信、人員定位、應急廣播系統(tǒng)在主輔運巷道、井下變電所、水泵房、采掘工作面、避難硐室等重要區(qū)域實現(xiàn)信號完全覆蓋。

平直巷分站布置：大柳塔煤礦活雞兔井屬于平硐開拓方式，主運、輔運平硐都屬于直巷運輸。但井下巷道多為狹長型通道，綜合分站采用定向天線覆蓋，根據(jù)巷道寬度密度在半徑400 m以上，如圖2所示為平直巷信號覆蓋示意圖。

圖2 平直巷信號覆蓋示意圖

交叉點分站布置：大柳塔煤礦活雞兔井現(xiàn)開采上組煤，即開采12上煤、12煤、22煤3層煤。井下3層煤融會貫通，交叉巷道、拐彎巷道較多。因此，為保證信號全覆蓋，需在每個交叉點、拐彎點分別單獨設立綜合分站，并采用多個天線進行分別覆蓋，如圖3所示為彎曲巷道信號覆蓋示意圖。

圖3 彎曲巷道信號覆蓋示意圖

風門位置的分站布置：活雞兔井現(xiàn)開采煤層較多，巷道分布錯綜復雜，為保證通風安全，井下風門設置點較多，如果分站布放不合理，勢必影響無線信號覆蓋效果。為此，在風門兩邊巷道分別增設分站，如圖4所示為風門信號覆蓋示意圖。

圖4 風門信號覆蓋示意圖

3 “一網(wǎng)一站”式服務

通過實施井下綜合接入分站，實現(xiàn)了井下4G無線通信、精準車輛人員定位、設備數(shù)據(jù)交換等系統(tǒng)的高度融合，形成了一個綜合信息化系統(tǒng)管理平臺，為井下提供專業(yè)4G“一網(wǎng)一站”式服務，即分別從無線通信類、有線通信類、在線監(jiān)測監(jiān)控類和自動化控制類4個方面提供專業(yè)服務。

3.1 無線通信類

手機通信功能：提供了井下4G無線手機通信功能，系統(tǒng)引進FDD-LTE技術，通過對基站布置的科學化設計，實現(xiàn)了井下4G無線信號全覆蓋，為用戶提供可靠的語音通話、視頻聊天、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務。系統(tǒng)采用“一機一卡一號”模式，實現(xiàn)用戶在公網(wǎng)與專網(wǎng)、地面與井下同卡同號與外界無障礙交流。井下每臺分站可滿足最多64部手機同時通話，完全滿足礦井日常通信交流的需求。如圖5所示為4G無線手機通信對接方案。

圖5 4G無線手機通信對接方案

人員定位功能：實現(xiàn)精確人員定位功能，系統(tǒng)采用模塊化設計，定位模塊采用基于TOF算法的Zigbee精確定位系統(tǒng)，定位信號覆蓋范圍可達半徑400 m，定位精度高達3～5 m，完全避免了傳統(tǒng)人員定位信號強度受環(huán)境因素、人員遮擋的影響。人員定位模塊與無線通信共用天線，較傳統(tǒng)人員定位單獨設站相比，綜合分站的建設大大節(jié)約了礦井生產(chǎn)成本，同時也減輕了工人維護強度。人員定位卡集成在礦燈中，方便井下工人隨身攜帶，一張定位卡編號只能綁定一個用戶，通過上位機監(jiān)控中心可實時查看用戶個人信息，如姓名、職務(工種)、個人照片、聯(lián)系電話等主要信息；人員定位實現(xiàn)的主要功能包括實時跟蹤定位井下人員的位置、統(tǒng)計用戶入井次數(shù)及時間、查看指定用戶行走軌跡、超時未升井人員報警、定位卡雙向通信、定位卡電量告警、考勤查詢與統(tǒng)計、車輛定位及測速等功能。當遇到緊急情況時，調度員可通過人員定位系統(tǒng)實現(xiàn)一鍵群呼，也可指定范圍群呼或單獨呼叫。井下工人如遇緊急情況也可通過按壓定位卡上緊急呼救按鈕，向地面發(fā)出呼救信息，調度員可在監(jiān)控主機上讀取呼救人員的位置及用戶的個人信息。圖6所示為人車精確定位功能實現(xiàn)示意圖。

無線WiFi攝像頭功能：在井下關鍵位置安裝無線攝像儀，連接井下4G無線WiFi信號，通過綜合分站采集實時圖像，并轉換為視頻信號輸出上傳地面。

3.2 有線通信類

井下數(shù)字廣播：搭建了井下數(shù)字廣播系統(tǒng)，此系統(tǒng)將廣播話筒或CD、硬盤等發(fā)聲設備發(fā)出的聲音信號調制為數(shù)字信號，借助光纖網(wǎng)絡傳輸至終端音箱，經(jīng)再次解調后將模擬電信號轉回為聲音信號，通過揚聲器發(fā)出聲音。KT293數(shù)字IP廣播系統(tǒng)設備之間級聯(lián)統(tǒng)一采用光纖方式進行組網(wǎng)，這樣不僅能增加信號傳輸距離，而且也有效減少了電路噪聲對信號強度的干擾。大柳塔煤礦活雞兔井下布置IP網(wǎng)絡廣播終端71臺，主要分布在膠帶機頭、避難硐室、采掘工作面、水泵房、變電所、大巷彎道或交叉口等重點區(qū)域。IP廣播系統(tǒng)直接與礦井生產(chǎn)控制軟件、無線電話和有線調度電話指揮系統(tǒng)完美對接，實現(xiàn)多系統(tǒng)的高度融合、資源信息的互聯(lián)互通。煤礦IP數(shù)字廣播系統(tǒng)具有自動播放、臨時插播、緊急分區(qū)或全體廣播、雙向通話、定時打鈴、自動錄音等功能。實現(xiàn)了井下人員遇突發(fā)狀況時，能第一時間獲取調度信息，并發(fā)出求救或施救信息；也可日常播放一些有關煤礦安全規(guī)程、注意事項、作業(yè)流程或新聞音樂等。活雞兔井應急廣播系統(tǒng)的成功實踐，不僅補充了傳統(tǒng)電話調度系統(tǒng)的不足，而且也有效保障了井下作業(yè)人員的人身安全。

圖6 人車精確定位功能實現(xiàn)示意圖

井下有線電話：通過綜合分站語音接入模塊接入固定IP電話，其主要具有一鍵群呼、調度電話強插、強拆及電話錄音查詢等功能。通過上位機管理軟件，將4G無線通信與有線電話融會貫通，形成了礦井統(tǒng)一調度管理平臺。

視頻信號上傳：實現(xiàn)了井下有線攝像頭接入，將井下關鍵位置安裝模擬或數(shù)字攝像頭，經(jīng)光口或者電口傳至綜合分站實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

3.3 在線監(jiān)測監(jiān)控類

實現(xiàn)了井下有線或無線安全監(jiān)測功能。井下綜合分站可接入安全監(jiān)測監(jiān)控傳感器，將各傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總至監(jiān)測監(jiān)控模塊，通過總控制CPU處理后，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至地面服務器井下監(jiān)控和存儲。也可安裝無線傳感器，通過無線傳輸方式發(fā)送至總控CPU進行處理上傳。

3.4 自動化控制類

RS485數(shù)據(jù)采集：目前井下諸多小型設備，如移變、開關燈都采用RS485通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，綜合分站專門設置RS485數(shù)據(jù)接入模塊，將設備485口直接接入此模塊進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)環(huán)網(wǎng)交換機上傳至地面服務器進行存儲和數(shù)據(jù)分析。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸：隨著科技的發(fā)展，目前越來越多的設備已趨向于采用TCP/IP或EIP協(xié)議通訊方式上傳數(shù)據(jù)，綜合分站預留了以太網(wǎng)模塊，可將相關設備通過網(wǎng)線或光纜直接與此模塊連通，實現(xiàn)了用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)上傳的目的。

4 結語

大柳塔煤礦活雞兔井通過實施井下通信綜合接入分站方案，建成了完善的無線4G通信、精確人員定位和數(shù)字化應急廣播系統(tǒng)，形成了礦井無線通信、視頻監(jiān)控、應急廣播、監(jiān)測監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳為一體的綜合信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺。徹底結束了傳統(tǒng)通信聯(lián)絡系統(tǒng)的運行模式，節(jié)約了礦井生產(chǎn)成本，減輕了井下工人維護強度；消除了各系統(tǒng)間信息“孤島”，開啟了全礦井信息、通信“一網(wǎng)一站”式服務，提高了信息資源的共享效率。4G無線技術在活雞兔井的成功實踐，提高了礦井安全生產(chǎn)管理水平，在行業(yè)中對礦井的信息化建設將起到示范帶動作用。