矿井融合通信系统在寸草塔二矿的应用

矿井融合通信系统在寸草塔二矿的应用

李剑锐

神东煤炭集团公司寸草塔二矿陕西省榆林市017200

摘要：随着无线网络及煤矿物联网技术的兴起，矿井工业自动化系统正在向网络化、智能化加速发展，在此过程中，井下综合网络通信系统的建立，已经成为煤矿信息化发展的关键环节。煤矿企业的信息化建设实践证明：以高速工业以太网为骨干网络，建设煤矿井上、下统一通信平台是切实可行的系统应用，符合煤矿生产实际。但是，工业以太网络仅仅解决了井下局部统一通信问题，具体到各个采煤工作面以及人员不方便到达而又必须安装监测设备的场所，现有人员定位系统、无线通信系统、数据上传、自动化控制、工业电视等系统，连接方式多样，各成体系。因此，在煤矿井下构建融合通信系统成为一个急需解决的课题。

关键词：煤矿发展方向；建设及功能应用；定位

一、现有通信和定位系统现状及未来煤矿发展方向

目前，我矿小灵通通信技术采用微蜂窝无线通信；人员定位系统采用射频识别技术实现人员定位管理。两套系统从2009年投入使用，年限均已超过8年，超出工业产品的使用年限，设备运维成本逐步增加，系统稳定性降低，输出信号强度降低，且存在如下问题：

1.小灵通通信技术2011年被国家明令淘汰，产业链已经断链，后续升级维护困难、故障频发；

2.无线通信系统无法提供井下无线传输宽带网络，利用半双工微蜂窝窄带通信技术、技术上已经落后，无法满足数字矿山的建设需求；

3.人员定位系统利用泄露电缆通信，抗干扰差，采用蓄电池供电，无法对设备电源进行在线实时监测；

4、各系统独立部署、运行，不符合国家煤矿安监局支持多网、多系统融合的要求。

现代科技的发展进步，物联网、大数据、人工智能等技术应用越来越广泛，矿井信息化、自动化建设需要引入前沿科技，保持理念、设计、规划、技术等方面的优势，为煤矿提高生产效率、提升安全管理水平、及数字矿山建设提供有力保障。

二、矿井融合通信系统在我矿的建设及功能应用

根据国家提出全面提高煤矿物联网融合通信系统，全面在煤矿井下应用的要求，安全生产监督管理总局和神华集团选取我矿建设国家矿井融合系统应用示范工程即寸草塔二矿矿井融合通信系统。

该工程于2017年8月中旬开工建设，历经1个多月的努力推进，现系统已上线试运行。本项目工程量包含读卡智慧线8.5公里，综合基站9台，移动基站54台，防爆智能手机50部，标识卡1500张。

系统集可靠通信、物联网接入、宽带无线接入系统于一体，综合分站与移动基站同时提供无线宽带和智慧线接入功能，可同时为终端提供智慧线和无线宽带两种无线接入方式，并通过上层集成多种应用平台，为终端提供定位、语音、视频通信与调度、数据通信等宽带应用业务。

1、矿井融合通信系统应用功能

通过该项目建设，系统在符合通用标准的前提下，坚持开放性原则，提供第三方接口，具备实现跨厂家、跨系统的设备与业务融合的能力。

矿井融合通信系统平台，可为井下各种终端提供统一的无线接入平台，支持大数量、多类型、低功率、分布式、低数据量、长期在线的固定或移动的物联网终端的接入。如监测传感器、无线广播、设备监测、数据上传接入等，在该物联网通信平台的基础上，结合矿井业务需求，可为大量的应用开发、数据传输提供通道和平台。

2、系统实现宽带接入、WiFi覆盖

在矿井融合通信系统的覆盖范围内，支持宽带的无线接入，并支持无线视频传输和矿用本安型智能手机在井下的精确定位、语音通信、数据和各类APP应用。

智能手机在配备智能通信模块后，可在2M无线通信网络内实现精确定位、无线通信；并在300M无线网络实现视频传输、APP应用等扩展应用。

系统采用了功能型手机，仅实现精确定位、无线通信、短信等功能，经我矿与厂家再次共同研发，增加了相关区域的WiFi覆盖，实现了井下APP体验。

3、系统具有精准定位功能

矿井融合通信系统能够快速对系统内的手机、专用标识卡或其他手持设备进行实时地精确定位，定位精度可达2米。专用标识卡可根据需要分别用于人员、车辆及其他设备。系统的定位管理平台可提供多种基于位置信息的服务：

图1矿井通信融合系统--智慧线精准定位原理图

（1）实时位置监控：实时追踪、显示和记录系统内终端（标识卡、手机、无线传感器等）的位置；

（2）历史轨迹查询及回放：支持按照终端编号、时间、区域等条件查询系统内终端的历史位置和活动轨迹；

（3）区域布防：可以对某些区域/人员设置禁入/禁出限制；

（4）车辆测速：准确监测井下车辆速度；

（5）考勤统计：自动统计人员出入工作区域的时间、工作时长等信息；

（6）异常事件告警：包括人员告警、区域告警、超时告警、设备告警等。

4、矿井融合通信系统--智慧线

智慧线网络覆盖下，手机就近接入到智慧线内的微基站，通过专用信道实现全双工的语音通信，保证通信质量。

智慧线系统采用多点服务的移动性管理策略，实现手机的全网无缝语音通信。

智慧线系统通过语音网关与调度、行政电话系统及公用电话系统对接，实现井下手机与井上下所有的通讯工具互联互通。

5、定位系统、通信系统统一管理

系统提供基于Web的管理平台，用户可在任意IP可达的网络中通过浏览器登陆管理平台，无需安装专门的客户端，实现用户和设备的管理：

用户管理：用户及终端状态、信息、历史轨迹、通话记录等的管理；

设备管理：智慧线微基站、信息转换器（CC）、网络控制器（NC）等设备的配置和管理。

图2矿井融合通信系统架构示意图

三、矿井融合通信系统的优势

矿井融合通信系统具有信号全覆盖、高质量通信、高精度定位、智能监控、便捷维护等特点，极大的提高了矿井安全管理水平。

1、信号均匀连续全覆盖

矿井融合通信系统--智慧线铺设到的地方即能形成无线信号覆盖，覆盖以线缆为半径30米范围内。无线信号沿线缆均匀分布，因此能够保证沿巷道方向距底板1.5米高度任意两点间，最大信号强度差值的绝对值不超过30dB，同时覆盖区域内任意位置信号强度≥-85dBm。与传统的基站部署方式相比，覆盖无死角、无盲区，抗干扰能力更强。

2、高品质抗噪通信

传统的通信系统中，终端通常只会由一个基站提供服务，只有在软切换情况下可能同时与两个或以上基站连接。而智慧线系统中终端始终与附近多个基站保持连接。

终端能够与一定距离范围内的多个微基站（FN）同步通信，所有并行为终端服务的微基站构成该终端的“连接集”C{FN1，FN2，......，FNn}；当某个微基站（例如FN1）与终端间的距离超出通信距离时，FN1将从“连接集”C内移除；当某个不属于“连接集”C的微基站（例如：FNn）与终端间的距离达到通信距离时，FNn将加入到“连接集”C内。

图3终端的“连接集”

智慧线系统通过这种动态“连接集”的方式实现终端的分布式接入，终端能够在全网无缝漫游，这种独创的移动性管理策略避免了传统系统中因硬切换或软切换而引起的话音质量下降甚至掉话等问题。因此，可以保证终端以30km/h的速度移动时，掉话率小于1%。

3、更高精度、准确的定位

原定位系统定位精度±10米，系统14秒一个轮巡上报数据；矿井融合通信系统中的所有终端（手机、标识卡、无线传感器等）以1秒的周期实时上报定位数据包，终端的“连接集”内的所有微基站均同步接收终端发送的定位数据包，信息转换器将所有微基站上报的定位数据联合计算，精确定位目标，定位精度可达到2米以内。较原系统提升了定位精度，提高了数据上报的及时性，为安全管理提供了更加精确的定位信息。

4、智能监控维护简便

系统具备自检功能，后台实时监测线缆、智慧线控制器等设备的运行状态，出现故障及时报警；支持远程诊断、升级和重启等操作。

智慧线线缆出现故障，可直接剪除，利用快速连接器接上一段新线缆即完成排障工作。线缆更换过程与普通电缆类似，维修人员不需要具备通信设备相关的专业知识和技能；线缆连接采用冷接方式，无需专业工具，徒手或使用简单的扳手即能完成操作。

四、矿井融合通信系统建设的必要性

矿井融合通信系统的建设完成，系统的优势已经显现，由矿井融合通信系统取代现有的人员定位、小灵通通讯以及数据上传等系统。矿井融合通信系统符合当前网络与通信技术发展的趋势，也符合煤矿特殊生产环境及矿井物联网建设的需求。该系统在实现精确定位和无线通信的基础上，基于2Mbps+300Mbps的传输平台，为各类子系统的数据传输路径提供了统一的管理途径，减少了设备重复投资，降低了井下通信系统的复杂性，提高了各类子系统的相互兼容性，在现阶段和未来信息化发展具有重要意义。

结束语：目前，我矿将加强系统运维力度，确保系统稳定高效运行，并结合系统功能优势和矿井发展需求，将该系统进行进一步的拓展和完善，取代原有系统，为我矿的安全生产和日常管理提供有力保障。同时为数字矿山建设做出贡献。