4G无线网络通信技术在大柳塔煤矿的应用

任文清

(神华神东煤炭集团公司，陕西 神木 719315)

0 引言

近年来随着通信网络技术的飞速发展，无线网络技术的应用在煤炭安全生产中起着重要作用。紧跟国家“十三五”发展总体规划，打造新一代数字化、信息化矿山已是煤矿发展的必然需求，也是煤炭领域安全生产的必要手段。

无线网络(wireless network)是采用无线通信技术实现的网络。无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式[1]。矿井通信网络技术经历了固定电话、电信小灵通通信和移动3G无线网络通信3个阶段。现阶段大部分矿井都在电信小灵通通信或移动3G无线通信与固定电话终端配合使用阶段。其主要特点是带宽低，传输速度慢，信号覆盖面小，数据共享效率低，应用较单一等，远远达不到智能化矿井建设的需求。为改变这种情况，借助4G无线通信技术，在大柳塔煤矿活鸡兔井首次规划使用4G综合接入分站，将矿井通信联络系统无线通信、应急语音广播系统和人员定位系统高度集成，消除矿井各自动化子系统间的信息“孤岛”，开启了全矿井信息、通信“一网一站”式服务。

1 现状分析及解决方案

1.1 现状分析

矿井通信联络系统是煤矿井下安全避险的6大系统之一[2]，也是保障煤矿工人生命安全的一道重要防线。但由于煤矿井下特殊的作业环境，复杂的巷道布置、分散的作业人群等诸多不确定性因素影响，煤矿井下通讯联络系统的发展一直受到制约。目前井下通讯联络设备还比较落后，通信方式也较为单一。国内大多数煤矿还是以固定电话作为矿井通信联络的主要方式，但由于铺设通讯电缆成本高，固定电话在井下巷道安装数量有限，井下分布距离较远，且大多固定电话布置在作业人员相对密集区域。对于分散作业的人群，在井下遇到突发状况时，是无法及时与外界取得联系，这给安全生产带来很多不便。有部分矿井现已有电信小灵通或移动3G无线通信设备，但往往受到小灵通信号覆盖范围小，通话质量差，3G无线通信技术带宽速率低，可靠性差等因素的制约，尚不能满足日常工作交流的需求。

煤矿井下应急语音广播系统也是矿井通信联络系统的组成部分[3]。当发生紧急情况时，工人可通过就近应急语音广播终端向调度指挥中心汇报，调度员也可及早了解现场情况，采取有效措施，使事故得到有效控制。因此，建设井下应急语音广播系统，是保障矿井人身安全的必要手段。但由于井下巷道较多，分布范围广，巷道布置错综复杂，使语音广播系统在井下使用存在布线困难，音频功率损耗大、音质不佳，互动性能差，维护管理工作繁重等问题。

矿山井下人员定位系统也是煤矿井下安全避险的6大系统之一[4]。《煤矿安全规程》规定入井人员和车辆都必须配备定位仪，如果当井下发生水、火、瓦斯等自然灾害时，调度指挥中心能第一时间在人员定位系统查看井下受困人员分布位置，并可有序组织人员撤离。也可向井下全体人员发出紧急群呼，井下工作人员收到呼叫后，能最快做出反应，在最短时间内安全撤离。反之，如果抢救不及时，搜救工作得不到有效指挥，或盲目搜救而延误脱险时机，使事故进一步扩大，有可能造成更严重的后果。目前大柳塔煤矿井下使用的是北京天一众合开发的KJ 133人员定位管理系统，需要井下单独布设光缆，存在人员定位分站收发信号距离较短，巷道定位器数量较多，维护工作繁重，使用成本较高等问题。

1.2 解决方案

为解决上述通讯联络、人员定位系统在使用维护中的各种问题，大柳塔煤矿活鸡兔井首次规划建设4G一体化网络管理平台，彻底淘汰矿井原有小灵通通信系统。4G综合通信分站，是将矿井无线通讯、人员定位、应急广播等系统统一集成在同一综合通信分站。其接入分站实施“一网一站”式设计，集电信网、广播电视网与互联网“三网融合”，形成一个具有运行数据动态监测，视频图像实时监控，语音通信及时沟通的综合信息化网络管理平台。

2 4G一体化总体方案

4G一体化总体方案设计主要包括井下环网和综合通信分站建设。其中井下环网由万兆环网和千兆环网组成，万兆环网由矿用万兆环网交换机实现，千兆环网由综合通信分站实现。

2.1 设计思路及产品选用原则

设计思路：4G一体化方案设计思路采用全新设计理念，综合通信分站采用标准化、模块化设计。根据井下巷道分布情况，综合分站布置满足4G无线信号实现矿井全覆盖。为降低建设成本，规划建设方案需重点考虑新建系统与井下原有部分系统实现完美对接。

先进性和可扩展性：随着现代信息技术的飞速发展，新技术、新产品也在不断升级。本方案设计理念也需紧跟科技发展步伐，体现行业技术发展先进性；虽然现选用产品已达到当前技术水平前沿，带宽、速率、功能等都能满足当前需求，但历经几年发展蜕变后，当前产品势必又赶不上时代发展需求。因此，在设计时还需考虑系统的可扩展性。即使历经几年后再增加其他业务需求，也可通过扩展功能达到要求，保证产品在短时间内不被淘汰。

科学性和规范性：大柳塔煤矿引进矿井综合通信分站系统是全国矿山井下的首次尝试，其设计方案的科学性直接影响着后续矿井信息化建设的进程。综合通信分站系统是将无线通信、广播系统和人员定位高度集成在一起，实现矿井通信资源的一体化管控。其设计、安装、调试等过程必须严格规范，所有设计原则都必须执行国家相关规定，设计手段必须符合行业标准，以备将来在全行业推广使用。

安全性和可靠性：实现井下6大系统的信息化和智能化建设，其目的都是更好地服务于矿井的安全生产。因此所设计的4G无线通信网络方案，也必须首先考虑此系统在实施和使用过程中的安全性与可靠性。

系统性和兼容性：井下综合通信分站系统属于公共网络系统设备，巷道分布的每台分站都将实现“三网融合”，达到“一网一站”式服务。因此，在设计综合通信分站方案时，必须考虑设备满足系统性和各系统间的兼容性。

分站选型：结合活鸡兔井实际情况，通信分站选用北京富华宇祺信息技术有限公司生产的KTF15矿用本安型通用分站，其机箱内硬件系统采用基于高速信号背板的模块化设计。主要模块包括光纤模块、以太网模块、有线电话接入模块、4G无线通讯模块、应急广播模块、人员定位模块、无线宽带模块、RS485通信模块、视频监控模块和监测监控模块等。

2.2 系统架构及组网设计

综合通信分站系统组网支持以太网及光缆专网组网方式，可自组环网或接入矿方原有工业环网交换机，同时支持综合通信分站之间的级联。设备之间级联统一采用光纤方式进行组网，这种有线传输方式不仅能减少电路噪声对信号的干扰，同时也增加了信号传输距离，其组网结构如图1所示。

图1 系统架构及组网结构

2.3 综合分站布放

信号覆盖半径：4G无线通信信号和Zigbee精确定位信号在直巷覆盖半径为400 m以上，应急广播信号覆盖半径为200 m，无线WiFi信号覆盖半径为100 m。根据活鸡兔井下巷道实际情况，需在巷道交错、拐弯、风门等处增设综合分站。为使井下4G无线通信、人员定位、应急广播系统在主辅运巷道、井下变电所、水泵房、采掘工作面、避难硐室等重要区域实现信号完全覆盖。

平直巷分站布置：大柳塔煤矿活鸡兔井属于平硐开拓方式，主运、辅运平硐都属于直巷运输。但井下巷道多为狭长型通道，综合分站采用定向天线覆盖，根据巷道宽度密度在半径400 m以上，如图2所示为平直巷信号覆盖示意图。

图2 平直巷信号覆盖示意图

交叉点分站布置：大柳塔煤矿活鸡兔井现开采上组煤，即开采12上煤、12煤、22煤3层煤。井下3层煤融会贯通，交叉巷道、拐弯巷道较多。因此，为保证信号全覆盖，需在每个交叉点、拐弯点分别单独设立综合分站，并采用多个天线进行分别覆盖，如图3所示为弯曲巷道信号覆盖示意图。

图3 弯曲巷道信号覆盖示意图

风门位置的分站布置：活鸡兔井现开采煤层较多，巷道分布错综复杂，为保证通风安全，井下风门设置点较多，如果分站布放不合理，势必影响无线信号覆盖效果。为此，在风门两边巷道分别增设分站，如图4所示为风门信号覆盖示意图。

图4 风门信号覆盖示意图

3 “一网一站”式服务

通过实施井下综合接入分站，实现了井下4G无线通信、精准车辆人员定位、设备数据交换等系统的高度融合，形成了一个综合信息化系统管理平台，为井下提供专业4G“一网一站”式服务，即分别从无线通信类、有线通信类、在线监测监控类和自动化控制类4个方面提供专业服务。

3.1 无线通信类

手机通信功能：提供了井下4G无线手机通信功能，系统引进FDD-LTE技术，通过对基站布置的科学化设计，实现了井下4G无线信号全覆盖，为用户提供可靠的语音通话、视频聊天、数据传输等业务。系统采用“一机一卡一号”模式，实现用户在公网与专网、地面与井下同卡同号与外界无障碍交流。井下每台分站可满足最多64部手机同时通话，完全满足矿井日常通信交流的需求。如图5所示为4G无线手机通信对接方案。

图5 4G无线手机通信对接方案

人员定位功能：实现精确人员定位功能，系统采用模块化设计，定位模块采用基于TOF算法的Zigbee精确定位系统，定位信号覆盖范围可达半径400 m，定位精度高达3～5 m，完全避免了传统人员定位信号强度受环境因素、人员遮挡的影响。人员定位模块与无线通信共用天线，较传统人员定位单独设站相比，综合分站的建设大大节约了矿井生产成本，同时也减轻了工人维护强度。人员定位卡集成在矿灯中，方便井下工人随身携带，一张定位卡编号只能绑定一个用户，通过上位机监控中心可实时查看用户个人信息，如姓名、职务(工种)、个人照片、联系电话等主要信息；人员定位实现的主要功能包括实时跟踪定位井下人员的位置、统计用户入井次数及时间、查看指定用户行走轨迹、超时未升井人员报警、定位卡双向通信、定位卡电量告警、考勤查询与统计、车辆定位及测速等功能。当遇到紧急情况时，调度员可通过人员定位系统实现一键群呼，也可指定范围群呼或单独呼叫。井下工人如遇紧急情况也可通过按压定位卡上紧急呼救按钮，向地面发出呼救信息，调度员可在监控主机上读取呼救人员的位置及用户的个人信息。图6所示为人车精确定位功能实现示意图。

无线WiFi摄像头功能：在井下关键位置安装无线摄像仪，连接井下4G无线WiFi信号，通过综合分站采集实时图像，并转换为视频信号输出上传地面。

3.2 有线通信类

井下数字广播：搭建了井下数字广播系统，此系统将广播话筒或CD、硬盘等发声设备发出的声音信号调制为数字信号，借助光纤网络传输至终端音箱，经再次解调后将模拟电信号转回为声音信号，通过扬声器发出声音。KT293数字IP广播系统设备之间级联统一采用光纤方式进行组网，这样不仅能增加信号传输距离，而且也有效减少了电路噪声对信号强度的干扰。大柳塔煤矿活鸡兔井下布置IP网络广播终端71台，主要分布在胶带机头、避难硐室、采掘工作面、水泵房、变电所、大巷弯道或交叉口等重点区域。IP广播系统直接与矿井生产控制软件、无线电话和有线调度电话指挥系统完美对接，实现多系统的高度融合、资源信息的互联互通。煤矿IP数字广播系统具有自动播放、临时插播、紧急分区或全体广播、双向通话、定时打铃、自动录音等功能。实现了井下人员遇突发状况时，能第一时间获取调度信息，并发出求救或施救信息；也可日常播放一些有关煤矿安全规程、注意事项、作业流程或新闻音乐等。活鸡兔井应急广播系统的成功实践，不仅补充了传统电话调度系统的不足，而且也有效保障了井下作业人员的人身安全。

图6 人车精确定位功能实现示意图

井下有线电话：通过综合分站语音接入模块接入固定IP电话，其主要具有一键群呼、调度电话强插、强拆及电话录音查询等功能。通过上位机管理软件，将4G无线通信与有线电话融会贯通，形成了矿井统一调度管理平台。

视频信号上传：实现了井下有线摄像头接入，将井下关键位置安装模拟或数字摄像头，经光口或者电口传至综合分站实现数据上传。

3.3 在线监测监控类

实现了井下有线或无线安全监测功能。井下综合分站可接入安全监测监控传感器，将各传感器数据统一汇总至监测监控模块，通过总控制CPU处理后，经以太网传输至地面服务器井下监控和存储。也可安装无线传感器，通过无线传输方式发送至总控CPU进行处理上传。

3.4 自动化控制类

RS485数据采集：目前井下诸多小型设备，如移变、开关灯都采用RS485通讯方式传输数据，综合分站专门设置RS485数据接入模块，将设备485口直接接入此模块进行数据采集，经环网交换机上传至地面服务器进行存储和数据分析。

以太网数据传输：随着科技的发展，目前越来越多的设备已趋向于采用TCP/IP或EIP协议通讯方式上传数据，综合分站预留了以太网模块，可将相关设备通过网线或光缆直接与此模块连通，实现了用以太网进行数据上传的目的。

4 结语

大柳塔煤矿活鸡兔井通过实施井下通信综合接入分站方案，建成了完善的无线4G通信、精确人员定位和数字化应急广播系统，形成了矿井无线通信、视频监控、应急广播、监测监控、数据上传为一体的综合信息化系统网络平台。彻底结束了传统通信联络系统的运行模式，节约了矿井生产成本，减轻了井下工人维护强度；消除了各系统间信息“孤岛”，开启了全矿井信息、通信“一网一站”式服务，提高了信息资源的共享效率。4G无线技术在活鸡兔井的成功实践，提高了矿井安全生产管理水平，在行业中对矿井的信息化建设将起到示范带动作用。