井下4G业务广普融合现状及关键性问题分析

康红明 贾春凤 李伟 刘志军 李兴伟 金珠鹏

摘 要：为满足“两化融合”高质量建设，在阐述井下4G 业务广普融合现状基础上，分析了井下4G 业务广普融合的问题与不足，指出了4G业务与矿井融合的本质性障碍，给出了井下4G 业务融合的发展策略，提出了4G业务与矿井工业化融合所需解决的关键性问题。致力于提高4G业务服务范围和传输灵活性的适应性路径建设，为智慧化矿井发展奠定基础。

关键词：智慧化矿井;4G;广普融合;适应性路径

引言

4G业务具有传输速度快、网络频谱宽、智能性高、兼容性平滑、可提供各种增值服务等优越性，是井下信息资源规划和信息集成的优越平台，由此实现多元异构信息资源的复杂交互与共享，进行井下多元异构数据融合的信息化建设，确保信息资源的高效存储、科学加工和无缝流转。井下4G业务可为智慧化矿井建设提供安全、稳定和高效的保障平台。但受到井下特殊环境和信息传输路径限制，4G通信系统与井下大范围生产运营尚不能很好地融合，如何建立适应井下动态环境的4G网络信息传输路径，全井下范围融合4G移动业务是两种业内人士探索的重要课题。

1融合现状

截止2020年初，煤矿智能化建设成效凸显，采煤工作面机器人、钻锚机器人、选矸机器人和巡检机器人已在煤矿井下应用[3]，全国已建成200余个智能化采煤工作面。多数智能化采煤工作面配备了移动通信系统，同时完成了从3G向4G转变，其中以TD-LTE制式最为代表性，典型案例如下。

程潮矿业井下4G移动通信系统覆盖了矿井-430米、-447米、-500米三个平层作业面主巷道，覆盖总面积达12万平方米，覆盖深度及广度全国罕见，为矿井日常通信联络、生产作业与抢险救援、助力矿山信息化、建设绿色高效智慧化矿山提供了有力保障。

山东新云鹏煤矿井下使用了KT393矿用4G无线通讯系统，率行了4G网络融入煤矿工业以太网的系统集成。KT393矿用4G通信系统是集无线通信、人员定位、视频监控、语音扩播、调度指挥等多系统统一接入、统一承载、统一管理、统一联动的“一网一站”无线通信系统。执行自组网络，双备份保护机制。KT393煤矿井下4G通信系统同时也在神东煤矿大柳塔矿、上湾矿成功应用，“一网一站”模式很好地实现了煤矿指挥调度一体化、远程监控、多种调度终端与视频联动等功能。

2 需解决的关键性问题

井下环境复杂，在限定空间的巷道系统中无线传输受到了很大限制。无线传输分布是建立在有线系统基础之上的，井下移动通信传统的做法是通过增设微基站，扩大有线分布系统来补偿无线传输距离受限的缺陷，但这并不适合井下动态的生产环境。敷设搬迁困难，故障率高，维护量大，成本高，最终对矿井安全生产促进有限，普通煤企难以承受。多水平、多采区大型矿井中，通常所需要的通信服务范围较大，由此需要建立简单灵活、可广域分布的通信系统，确定井下4G业务广普信息化适应性路径，从而解决井下4G业务广普融合的问题。要实现广域无线传输，就离不开无线信号的中继，围绕井下4G信号的广普分布和无线中继，需解决了以下关键问题：

（1）信号源的引入。4G网中的BTS距井口通常有一定的距离，从井口到井下各个工作面作业地点又有很长的一段距离，尤其是服务年限较长的大型矿井，巷道掘进会延伸的更远，采掘工作面距井口的距离会更远，如何将地面BTS的4G网信号远距离“迁移”到井下各个作业地点是首要解决的关键问题。采用光多链路光纤直放系统耦合矿山地面井口附近基站的信号，通过波分复用技术，以多路传输形式将BTS信号远距离引入到井下各不同生产作业采区，以无线中继、延伸方式覆盖巷道空间，该方法很好地解决了4G信号远距离传输问题，并为无线广域分布建立了基础框架。

（2）对于无线信号在井下广域分布而言，要掌握4G信号在巷道中的传播特性，明确信号衰落的基本规律，找出衰落、传输距离和各影响因子间的联系，建立数学衰减模型，为信号有效传输提供理论依据。

（3）依巷道的不同空间形态，确定对应的无线中继方式。确定无线中继的边界条件，明确多級中继后信号降噪的有效方法。

（4）结合信号传输特点及现有发射设备性能，要满足4G无线信号在巷道中有效分布，须用巷道专用的高增益定向天线，增加4G信号在巷道轴向传输的有效距离，且体积小型化以满足巷道狭小空间要求。

（5）采用最优的有线系统配置。巷道中无线信号覆盖需以定向天线和射频泄漏电缆相结合的方式来实现，遇拐点和弯曲巷道，信号中继以泄漏电缆过度，末端再沿巷道轴向无线中继。

3 结束语

井下4G业务与智慧化矿井融合建设已取得了较好的成果，并积累了相关经验。从实践中得知，4G业务与矿井工业化的“两化融合”，最大的难点和关键性问题不在于通信系统本身和两种业务的功能性融合，而是移动通信系统与井下特殊环境的适应性融合，确立了井下4G业务广普信息化适应性路径，即解决了井下4G业务广普融合的关键性问题。井下移动通信系统需向简单化、灵活化方向发展，以适应井下动态生产环境需求。无线中继需依托于具体巷道环境敷设有线系统，充分增加巷道轴向无线传输距离从而减少有线通信系统分布。加强井下4G业务广普信息化适应性路径建设，满足4G业务与井下安全生产融合要求，为新一代通信业务（5G）融合奠定基础。

参考文献

[1] 朱赛虎. 基于4G通信技术的煤矿无线通信系统研究[J]. 电子世界，2014，（17）：85-86.

[2] 王海杰，李艳萍. 4G移动通信技术发展综述[J]. 网友世界·云教育，2014，（18）：18-18.

[3] 葛世荣. 煤矿机器人现状及发展方向[J]. 中国煤炭，2019，45（7）：18-27.

[4] 倪翔. 井下有限空间2.4GHz无线信号测试及传播规律的研究[D]. 西安：西安科技大学，2014.

基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目（E2016061）

作者简介：康红明（1979-），男，辽宁兴城人，讲师，主要从事电力电子方面的研究与教学工作。