開放式Wi-Fi無(wú)線通訊系統(tǒng)在井下的超融合應(yīng)用

田 騫

（陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號(hào)井，陜西 韓城 715407）

0 引言

礦山安全是煤炭行業(yè)管理的難題，也是全社會(huì)安全生產(chǎn)中的重中之重。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，開采成本高；缺乏及時(shí)有效的預(yù)警系統(tǒng)；百萬(wàn)噸死亡率依然較高，安全問(wèn)題十分突出，礦山生產(chǎn)迫切需要提升開采和監(jiān)管方式。物聯(lián)網(wǎng)是物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以協(xié)議為保障打破了原有礦業(yè)開采中物理設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施分離的積弊，及時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把各種信息傳遞給地面工作人員，進(jìn)行信息交換，使人員、機(jī)器、設(shè)備融為一個(gè)整體，為大規(guī)模無(wú)人化作業(yè)和安全生產(chǎn)提供了系統(tǒng)性保障［1-3］。

1 礦山信息化發(fā)展現(xiàn)狀及形勢(shì)

我國(guó)從2008年后逐漸提出建設(shè)信息化礦井，以信息化帶動(dòng)煤炭工業(yè)化，走新型工業(yè)化道路，建設(shè)新型現(xiàn)代化礦井，是二十一世紀(jì)煤炭企業(yè)提高礦井安全程度、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的必然途徑，是煤炭科技發(fā)展的方向。伴隨著信息技術(shù)的成熟與發(fā)展、煤炭市場(chǎng)的持續(xù)好轉(zhuǎn)、企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的大幅提高，全國(guó)各大煤礦企業(yè)以“創(chuàng)建國(guó)內(nèi)一流信息化礦井”為目標(biāo)，拉開了信息化自動(dòng)化建設(shè)的序幕。

隨后，各個(gè)生產(chǎn)礦井陸續(xù)建設(shè)了瓦斯監(jiān)測(cè)、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、人員定位、井下視頻監(jiān)控、應(yīng)急廣播、無(wú)線通訊、無(wú)軌膠輪車監(jiān)控、瓦斯鉆場(chǎng)視頻監(jiān)控、各種工業(yè)自動(dòng)化控制等系統(tǒng)，甚至于目前比較先進(jìn)的無(wú)人巡檢視頻監(jiān)控信息系統(tǒng)，有些高效智能礦井還使用智能機(jī)器人作為輔助。然而，系統(tǒng)繁多且大都不同時(shí)建設(shè)（除新建礦井外），每種系統(tǒng)各自獨(dú)立、線纜繁多、故障率高發(fā)、維護(hù)人員疲于應(yīng)付，各系統(tǒng)該發(fā)揮功能時(shí)反而達(dá)不到想要效果；加之這些信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不能共享、信息量單一，與實(shí)現(xiàn)智慧礦山的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)［4-6］。

2 桑樹坪二號(hào)井信息化建設(shè)概述

2.1 信息化建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

桑樹坪二號(hào)井自2015年6月后陸續(xù)建設(shè)了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、有線調(diào)度通信系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)傳輸環(huán)網(wǎng)、主煤流集控、水泵房自動(dòng)控制、局扇監(jiān)控等子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)廠家不同、數(shù)據(jù)協(xié)議不同、設(shè)備線纜獨(dú)立重復(fù)，維護(hù)不便，隨著系統(tǒng)的增加和時(shí)間的推移，系統(tǒng)的維護(hù)量和維護(hù)成本呈幾何倍數(shù)的增長(zhǎng)，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率不高，投入產(chǎn)出比相對(duì)低下。系統(tǒng)之間成為信息“孤島”難以聯(lián)動(dòng)，缺乏統(tǒng)一的調(diào)度指揮平臺(tái)，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享融合聯(lián)通的智慧化礦山。

2.2 信息化建設(shè)過(guò)程

桑樹坪二號(hào)井近期增設(shè)了無(wú)軌膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)，按照總體規(guī)劃和本著硬件共享、底層互通、傳輸共用、平臺(tái)互動(dòng)的子系統(tǒng)深度融合理念，將礦井上述系統(tǒng)逐步向“一站”多系統(tǒng)接入、“一線”多系統(tǒng)連接、“一網(wǎng)”綜合傳輸、“一平臺(tái)”混合應(yīng)用的高效融合智慧化礦山靠近，從而為大數(shù)據(jù)分析提供了可能。

現(xiàn)有的無(wú)線融合基站，自帶有Wi-Fi通訊、精確定位、百兆光纜網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饶K，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)通信、人員精確定位、車輛精確定位與測(cè)速、車載調(diào)度通信、無(wú)線視頻、應(yīng)急廣播等系統(tǒng)的接入，甚至于安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度電話的接入［7-9］。多個(gè)系統(tǒng)，一站式解決，也就是常說(shuō)的“一站”；分站提供以太網(wǎng)接口，通過(guò)以太網(wǎng)線纜直接接入環(huán)網(wǎng)，多個(gè)系統(tǒng)，一線傳輸，也就是常說(shuō)的“一線”；所有的分站，統(tǒng)一通過(guò)規(guī)劃的工業(yè)環(huán)網(wǎng)到地面，也就是常說(shuō)的“一網(wǎng)”。以互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以協(xié)議為保障，利用多種傳感器和自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，融合精確定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)、無(wú)線射頻技術(shù)，智能地識(shí)別和定位關(guān)聯(lián)物品，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。Wi-Fi式無(wú)線通訊技術(shù)成熟可靠，其最大優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度較高，可以達(dá)到11 Mbps。另外它的有效距離也很長(zhǎng)，在開放性區(qū)域，通訊距離可達(dá)305 m，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76～122 m，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)的成本更低?；赪i-Fi信號(hào)的車載調(diào)度系統(tǒng)，車輛與調(diào)度號(hào)固定對(duì)應(yīng)，無(wú)法更改，保證調(diào)度、通信無(wú)障礙，提升了車輛的使用效率，提高了車輛的運(yùn)行安全，同時(shí)結(jié)合人員精確定位的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)車輛的精確定位與測(cè)速。同時(shí)也與已有的各種802.11的DSSS設(shè)備兼容屬于開放式信號(hào)，可以為今后各個(gè)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)掃除協(xié)議壁壘，達(dá)成數(shù)據(jù)共享。

采煤和掘進(jìn)工作面是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中處于動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境，除放置了大量生產(chǎn)性設(shè)備以外，現(xiàn)場(chǎng)還必須放置許多輔助安全信息系統(tǒng)設(shè)備。工作面作為一個(gè)高危生產(chǎn)環(huán)境，本身就存在設(shè)備多、人員多、環(huán)境危的特點(diǎn)，是煤礦安全生產(chǎn)管理的核心所在。多系統(tǒng)融合“一站式”就是為了解決大多數(shù)礦井因所建設(shè)的系統(tǒng)在工作面獨(dú)立工作所造成的效率不高、聯(lián)動(dòng)性不強(qiáng)等問(wèn)題，積極采用現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)來(lái)解決安全生產(chǎn)管理中的“死角”、保證人員安全及生產(chǎn)安全；通過(guò)現(xiàn)代化融合通信技術(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)的安全指揮及時(shí)性減少時(shí)間上的延遲，避免事故的突發(fā)性。再結(jié)合礦井目前現(xiàn)狀需求分析，本項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用研究可以大大提高煤礦安全生產(chǎn)程度及工作效率、降低煤礦工人勞動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)最新技術(shù)水平、煤礦特殊工作環(huán)境和管理模式，通過(guò)將井下各系統(tǒng)的本安或者隔爆分站進(jìn)行硬件上的融合，能夠解決目前安裝設(shè)備多、走線復(fù)雜、維護(hù)成本高、多系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的緊迫需求，使其具備多個(gè)井下分站才能完成的功能融為一體。同時(shí)在地面上對(duì)不同平臺(tái)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的協(xié)同應(yīng)用，提高煤礦生產(chǎn)及應(yīng)急指揮效率，便于工作人員根據(jù)需要快速進(jìn)行調(diào)度、協(xié)調(diào)指揮，這樣將產(chǎn)生不可估量的間接和直接經(jīng)濟(jì)效益。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 節(jié)約資金

本次井下共計(jì)融合了無(wú)線通信、車載通信、人員定位、車輛調(diào)度、無(wú)線數(shù)字視頻、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳等6個(gè)系統(tǒng)總投資145萬(wàn)元，分別是無(wú)線通訊基站45萬(wàn)元，150部智能防爆手機(jī)30萬(wàn)元，無(wú)軌膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)70萬(wàn)元（含18臺(tái)融合精確人員定位基站）。未考慮后期全部升級(jí)為精確人員定位還需55萬(wàn)元。無(wú)線通訊基站和智能防爆手機(jī)是為井下無(wú)死角“雙重預(yù)控”系統(tǒng)而投入，無(wú)軌膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)是本次必須建設(shè)的。然而分別建設(shè)這些系統(tǒng)估算約553萬(wàn)元，無(wú)軌膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)93萬(wàn)元（本次還利用了其他系統(tǒng)的部分設(shè)備節(jié)省23萬(wàn)元），“雙重預(yù)控”系統(tǒng)（服務(wù)器軟硬件、智能手機(jī)及APP）60萬(wàn)元，井下無(wú)死角全覆蓋無(wú)線通訊系統(tǒng)115萬(wàn)元，全礦井1 m精度人員定位系統(tǒng)200萬(wàn)元，鉆場(chǎng)視頻監(jiān)控（有線）系統(tǒng)70萬(wàn)元。這樣算下來(lái)可節(jié)省資金353萬(wàn)元，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益由此可見一斑。

3.2 節(jié)約人力成本

按照每條采掘巷道1 000 m計(jì)算，系統(tǒng)建設(shè)成功后巷道中的設(shè)備從原來(lái)的10臺(tái)減少到5臺(tái)，線纜由3根減少到1根電源線。如果再加上應(yīng)急廣播系統(tǒng)和調(diào)度通訊系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)量，按照“一井一面四掘進(jìn)”共需專職維護(hù)人員6名。采用集中供電和集中網(wǎng)管的方式，快速定位系統(tǒng)故障，降低了故障排查難度也使維護(hù)人員減少到2人，每年可節(jié)約人力成本24萬(wàn)元。

3.3 系統(tǒng)安全可靠

融合通信系統(tǒng)采用多頻無(wú)線，覆蓋了全部的膠運(yùn)、輔運(yùn)大巷以及掘進(jìn)工作面、綜采工作面、硐室等場(chǎng)所。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把各種信息及時(shí)傳遞給地面工作人員以進(jìn)行信息交換，使人員、機(jī)器、設(shè)備融為一個(gè)整體，為將來(lái)大規(guī)模無(wú)人化作業(yè)和安全生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。就目前而言，基于全井無(wú)線信號(hào)覆蓋的人員定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大容量（1 500張）、高速不漏卡（60 km/s，200張卡）、抗干擾能力強(qiáng)（不受信號(hào)強(qiáng)度制約）、穩(wěn)定性好、精確定位（1.0 m）等優(yōu)點(diǎn)，為井下人員求救報(bào)警、緊急撤離提供了強(qiáng)力保障，為井下人員的生命安全貼上一張保護(hù)符。實(shí)現(xiàn)“無(wú)人則安，少人則安”，從本質(zhì)上達(dá)到了防范和遏制重特大事故的目的。

3.4 消滅信息孤島

融合通信系統(tǒng)消滅了系統(tǒng)間的信息孤島，實(shí)現(xiàn)了物理底層和上層應(yīng)用的雙重結(jié)合。就調(diào)度而言，提升了調(diào)度指揮效率，尤其是區(qū)域應(yīng)急指揮水平；就融合平臺(tái)而言，關(guān)鍵信息快速掌握；就聯(lián)動(dòng)告警平臺(tái)而言，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間的智能互動(dòng)，自動(dòng)發(fā)布。此外，解決了等距多網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，人員、車輛的精確定位，設(shè)備及電源，線纜合一等關(guān)鍵技術(shù)難題；為礦山的信息化、智能化、自動(dòng)化建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合煤炭行業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)礦井的情況提出信息融合與一體化管理的理念，以開放式Wi-Fi無(wú)線通訊為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及后臺(tái)管理進(jìn)行了技術(shù)底層融合升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信、人員定位、車輛調(diào)度、視頻監(jiān)控的一體化信號(hào)傳輸。初步實(shí)現(xiàn)底層硬件設(shè)備的共享、共用，解決了井下信息化設(shè)備多、線纜多、維護(hù)量大的問(wèn)題，提升了設(shè)備的利用率，也為后續(xù)井下所有設(shè)備的萬(wàn)物互聯(lián)提供了經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)進(jìn)一步的改造和技術(shù)升級(jí)就可輕松將廣播系統(tǒng)的聲音傳遞到有線和無(wú)線通信系統(tǒng)中并進(jìn)行雙向通話，同時(shí)能將所有的有線和無(wú)線終端（手機(jī)、固話）作為廣播系統(tǒng)的發(fā)布終端。將來(lái)再隨著軟件技術(shù)的不斷更新升級(jí)，在地面上通過(guò)融合的調(diào)度指揮平臺(tái)、智能化綜合系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)礦井進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)分析以及調(diào)度指揮，可全面地展現(xiàn)煤礦生產(chǎn)、安全、物資、設(shè)備等全方位信息，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用的互通，消滅信息孤島，發(fā)揮系統(tǒng)的集約效應(yīng)，進(jìn)而為科學(xué)、及時(shí)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供依據(jù)。