基于4G网络的采煤机数据上传系统设计*

王 飞，罗 伟，任文清,张 婧

(1.神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315;2.西安科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710054)

0 引言

数字化矿山是实现矿山真正安全、高效、经济开采，资源可持续发展的重要基石，是化解高危行业风险的根本途径。数字化矿山是通过计算机与网络技术，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工，应用于各个生产环节与管理和决策之中，以达到生产方案优化、管理高效和决策科学的目的，其特点为基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化[1-3]。

数字矿山是用信息化与数字化的方法来研究和构建的矿山，是将矿山地表之下的人类工程活动的信息全部数字化之后由计算机网络来管理的技术系统。数字矿山自下而上可分为基础数据层、模型层、模拟与优化层、设计层、执行与控制层、管理层、决策支持层等7个层次[4-6]。基础数据层就是数据获取与存储层，数据获取包括利用各种技术手段获取各种形式的数据及其预处理；数据存储包括各类数据库、数据文件、图形文件库等，该层为后续各层提供部分或全部数据支持。

1 采煤机数据上传方式

随着现代科学技术的不断发展，煤矿也由原始的人力开采逐步发展到了当今打造数字化、智能化矿山的时代。数字化矿山的建设对井下电气设备的数据上传提出了更为严苛的要求。传统的综采煤机数据上传依靠动力线载波和电缆作为传输媒介进行数据通信，通过缆线将采煤机数据传至控制台处煤机端头站，然后使用缆线将煤机端头站数据通过以太网传至数据采集箱进入井下工业环网，再经过井下工业环网上传至地面监控中心。由于采煤机不断移动的工作特性以及综采工作面采面较长的特征，实际使用过程中敷设缆线量大，人工成本与物料成本较高；长距离缆线传输又容易受到压降影响及周围环境的电磁干扰造成数据上传质量较低；其次缆线容易出现断裂现象导致数据中断；在发生数据中断故障后，需要沿线检查缆线破损情况，排查过程费时费力。

目前大柳塔煤矿大柳塔井与活鸡兔井已全部实现了4G网络覆盖，利用4G网络中TCP/IP协议传输采煤机数据只需少量缆线，安装方便简洁，数据上传稳定可靠，且易于管理维护。

2 基于4G网络的采煤机数据上传网络架构

2.1 井下4G综合一体化通信系统功能

矿山4G综合一体化通信系统主要由核心网、调度台、矿用本安型通信分站、矿用隔爆兼本安型万兆环网交换机、网管服务器、业务服务器、广播终端、爆闪指示灯、防爆手机终端、定位卡、无线摄像仪和各种传感器等组成。分站将通过上行千兆光纤链路就近接入井下环网设备，通过环网系统与核心机房的4G核心网设备进行数据互通，实现4G无线通信、精确定位、图像监视、应急广播、线路指示、环境监测和有线无线一体化调度控制等功能，通过与运营商对接，实现运营商公网卡直接下井，改变传统的独立烧卡形式，开创新型下井办公模式，地面、井下实现“一机一卡一号”，达成工作与生活的统一性，降低工作繁琐度[7-11]。大柳塔煤矿以集中管理、分项控制为原则，设计布置了“一网一站”数字化矿山项目，实现了矿井的一体化管理。井下4G综合一体化通信系统功能主要包括以下方面。

公网对接：“一机一卡一号”，与当地运营商公网对接后实现企业员工公网号码直接下井办公，达成工作与生活的统一性。

高清语音/视频通话：通过基于VOLTE或POC语音通话业务实现两部终端之间的高清通话，提高办公效率。

用户行为管理功能：通过识别接入用户的合法性，拒绝非法用户访问，保证本地网络的安全性。

统一平台调度功能：实现调度台分群、呼叫、应答、状态显示、预定式会议、临时会议、广播会议、轮询、强插、强拆、闭铃、点名、拒答、调度台夜服、来话转接、保留、紧急呼叫、录音等。

人员定位：采用ZigBee/UWB定位技术实现对井下人员的轨迹跟踪、报警提示、辅助考勤管理、数据查询。

应急广播功能：包括全体广播、分区域广播、定点广播、自动播放、双向通话、定时打铃、GIS矢量图等。

实时监控：通过接入井下摄像头实现对井下现场的实时视频监控。

预警功能：通过与4G无线通信、应急广播、视频监控、应急爆闪指示灯、人员定位等系统协同联动，实现紧急情况下的人员、广播、短信的告警信息下发和路线指引等功能。

应急提示：应急爆闪指示灯在发生紧急情况后为井下人员提供快速应急逃生指示路线。

数据传输：井下万兆环网具备万兆数据传输能力，能够承载FDD-LTE无线通信系统、人员定位系统、车辆定位系统、工业电视系统、语音广播系统、调度指挥系统、工业自动化系统、并可作为安全监测监控系统数据传输的备用通道。

综合接入功能：单台综合分站最大支持24路百兆光口、24路百兆电口、20路RS485/CAN信号、16路POST电话、24路模拟视频等数据业务的接入能力，业务板块可根据情况自用匹配。

2.2 无线通信基站及网络架构安装实施方案

无线通信基站：在采煤机机身安装CPE无线通信基站，将采煤机内数据采集PLC通过网线接入该基站。在综采工作面机头和机尾的4G综合分站内分别安装AP无线通信基站，并将该基站接入4G综合分站的百兆电口模块。

HTK网络架构安装：将采煤机端头站接入综采工作面设备列车处4G综合分站的百兆电口模块。将采煤机数据采集PLC以太网模块、采煤机端头站、CPE无线通信基站、AP无线通信基站配置统一规划的IP地址，采煤机与端头站便可以通过无线基站实现通讯，数据就可以通过4G综合分站进入井下工业环网，然后传至地面监控中心，实现采煤机数据的实时监控。

2.3 采煤机数据上传网络架构

现代矿井中一个综采工作面长度一般在200～400 m之间，4G无线通信模块覆盖半径为400 m，见表1。在综采工作面机头和机尾分别架设无线通信基站后实现了信号的全覆盖，完全满足数据传输要求。通信基站采用模块化方式接入，安装方便简洁且易于维护。图1为采煤机数据上传网络架构图。

表1 4G无线通信模块参数

图1 采煤机数据上传网络架构图

3 结语

结合井下4G综合一体化通信系统的功能，认为通过4G无线通信技术替代传统的电缆传输技术，实现了采煤机数据的无线上传，解决了由于采煤机先导电缆断线或调制解调器故障导致的采煤机数据中断的弊端，提高了数据上传质量。地面监控人员在发现采煤机数据中断后可在线迅速查找故障点，避免了查找电缆断点的麻烦，极大地提高了数据恢复效率，节省了人工成本、无物料成本。此外，通过采煤机数据在线监测系统可远程实时监测采煤机运行状态，也可以通过历史数据与报警信息发现采煤机故障情况，将故障消灭在萌芽状态，降低采煤机故障率，可以很大程度上避免采煤机故障带来的经济损失，为矿井安全生产提供有力保障。