煤矿物联网单兵智能装备系统研发与应用

张传江，殷 鹏，姚 磊，周 泉，张明泉，张朝平

(1.淮北矿业(集团)有限责任公司，安徽省淮北市，235006;2.上海山源电子科技股份有限公司，上海市松江区，201600)

1 研发背景

近年来，随着淮北矿业集团自动化、信息化、智能化建设的不断深入，煤矿井下自动控制、环境监测、工业视频等系统数据大量增加，因此井下网络结构复杂、网络不稳定等问题日益凸显；同时，因淮北矿区井下存在地质构造复杂、巷道多、截面小、作业地点分散等特点，导致生产管理难度大、调度指挥效率低，从而制约了智能化矿山建设。为了提升煤矿综合管控水平，提高生产效率，推动新一代信息化技术与煤矿传统装备融合，淮北矿业集团提出煤矿物联网平台与单兵智能装备研发与应用的科研课题，主要在以下几个方面进行突破。

(1)针对目前淮北矿区煤矿井下数据传输量大、网络结构复杂、多网重复建设、标准不统一、终端无法管理等问题，利用无线Wi-Fi、网络工程等技术，研制适用于井下复杂工况的Wi-Fi物联网综合基站，结合万兆工业控制环网，形成井上下“一张网”，为环境监测、人员定位、工业视频、生产控制等系统提供统一、快速、可靠的数据传输通道，为智能矿井建设提供基础网络。

(2)针对煤矿已建成的应急广播、人员定位、调度电话等多个信息化系统，存在系统间相互独立、人员投入多、管理困难等问题，利用计算机编程、数据转换等技术，开发面向煤矿的融合调度平台，集成调度通信、人员定位、应急广播等功能，提高作业现场实时调度指挥能力，为智能矿山建设提供基础平台。

(3)针对煤矿井下作业地点多、人员分散、调度管理困难等问题，利用智能数据通信、模具制造、电路设计等技术，研发矿用本安型智能矿灯、智能手机等单兵智能装备，结合井上下“一张网”及融合调度平台，实现井上下人员音视频通信、录像、拍照等功能，提高调度应急指挥水平、增强作业人员协同工作能力、提高生产效率，拓宽安全监察手段。

(4)深入研究分析Wi-Fi底层协议、Wi-Fi定位技术，利用数学建模、算法设计等技术，研发基于Wi-Fi的人员定位算法，实现无线通信与定位的融合，达到“有通讯就有定位”的目标。

2 系统架构

为了实现融合智能调度，煤矿物联网单兵智能装备系统采用“以人为本”的调度理念，将所有调度终端作为寻找到人的技术保障手段，系统通过人员位置信息查找周边语音设备信息，包括周边携带语音设备的其他人，大幅提高调度指挥效率。煤矿物联网单兵智能装备系统总体架构如图1所示。

图1 煤矿物联网单兵智能装备系统总体架构

2.1 软件部分

煤矿物联网单兵智能装备系统软件部分主要包括融合调度平台、Wi-Fi定位算法、VOIP音视频通信3个方面。

(1)融合调度平台。该平台基于主流的IP技术，采用模块化设计，C/S与B/S模式相结合，实现调度电话、扩播、无线通信、人员定位等多系统的统一调度、统一管理、统一维护[1-2]。

(2)Wi-Fi定位算法。通过Wi-Fi定位技术，实现在Wi-Fi无线基站和智能终端上不借助第三方定位技术进行自主定位，达到“有通信就有定位”的目标，简化井下设备配置，降低系统建设成本[3]。

(3)VOIP音视频通信。采用基于标准的SIP音视频通信协议，实现调度台、智能矿灯、本安智能手机、广播等设备音视频对讲[4]。

2.2 硬件部分

煤矿物联网单兵智能装备系统硬件部分主要包括物联网综合基站和智能终端。

(1)物联网综合基站。该基站作为井下万兆工业环网补充，形成矿井“一张网”平台，为自动化控制、人员定位、监测监控、Wi-Fi通信、无线视频、物联网终端等煤矿井下各监控系统提供统一的数据交互通道[5]。

(2)智能终端。在不改变矿灯产品形态的基础上，集成智能处理芯片、摄像头、通话装置等模块，在矿灯上实现音视频通话、人员定位、语音报警等功能。

3 系统功能

煤矿一直存在着井下调度和井下人员沟通困难的情况，部分紧急情况很难及时传达给目标的井下工人。传统的煤矿单兵装备往往功能简单、应对场景单一，无法同时应对多种应急情况。而煤矿物联网单兵智能装备可以实现一键呼叫调度，及时地与调度人员进行信息交换，遇到通话无法准确描述的信息，还可以和调度人员进行视频通话，通过视频方式进行信息传递。在非紧急情况下的信息传递，单兵智能装备还可以进行高清拍照和录像，对需要记录的设备信息进行图片视频存档，或是对“三违”操作进行留证。

3.1 融合调度平台

融合调度平台集成有/无线调度通信、人员定位、应急广播、网络管理、智能终端管理、传感器数据监测等系统，实现多系统融合统一、互联互通，通过授权可在集团公司网络环境下任何一台电脑上安装使用，实现集团/基层多级的分级调度管理[6-7]。

3.2 物联网综合基站

通过对比Wi-Fi、4G/5G等无线通信技术，Wi-Fi设备具备价格低、协议通用性强、升级费用低的特点，结合淮北矿区井下地质条件复杂以及巷道距离短、截面小、拐弯多的特点，系统选用Wi-Fi技术实现井下无线覆盖，通过对三极化基站天线的研究设计和协议的优化设计，一是解决复杂工矿环境下Wi-Fi无线传输距离短、稳定性不足的问题(单基站无线信号覆盖半径最大可达到200 m)；二是实现数据传输跨基站无线漫游等功能，避免移动用户在不同的基站之间切换时，造成网络通信中断的情况；三是实现Wi-Fi数据终端用户并发接入及传输，单基站接入数据终端用户最大可达64个，带宽最大150 M，定位终端不低于1 024个；四是采用低功耗、本安化的集成设计，实现多功能高度集成，具备有线以太环网、Wi-Fi、CAN、RS485、I/O等多种功能及接口[8-9]。

3.3 井下单兵智能装备

智能矿灯在硬件上集成Wi-Fi、蓝牙、麦克、喇叭、快捷键，功能上支持“软件定义”，能够根据实际应用及时调整。智能矿灯结合井下无线网络，实现音视频实时通话、拍照、录像、定位等功能。

(1)定位功能。与Wi-Fi基站联合定位，将检测的Wi-Fi基站的信号强度和数据到达时间等信息传输到定位服务器进行精确定位计算。

(2)群组对讲。将井下人员分成若干组，同一组内的人员能够利用智能矿灯进行对讲，地面调度台能够动态变更人员分组。分组对讲分为有主对讲和无主对讲这2模式，有主对讲是井下网络与调度服务器在正常连接的情况下，地面人员通过手机、调度电话等直接拨打群组号码，参与群组对讲，方便工作指示和指导；在井下网络与服务器连接中断情况下，系统自动转入无主对讲模式，在局部网络覆盖范围内，按下矿灯对讲键可发起组内对讲，无主对讲功能既增加了对讲的可靠性，也增加了灵活性，特别是能够适应临时工作场所的对讲沟通。

(3)Sip通话。智能矿灯具备一键呼叫调度功能，通过调度接听、转接等功能，可实现井下人员与其他人员的联络；Sip通话需在调度服务器(Sip服务器)参与下实现，调度服务器设计为软交换服务器，通过在已注册的Sip终端之间建立软会话连接，实现终端之间的通话；同时，调度服务器通过E1数字中继器与程控交换机进行对接，实现有线电话、手机、应急广播等与智能矿灯互联互通。

(4)拍照上传。智能矿灯支持一键拍照，照片本地存储，有网络时自动上传到数据服务器，并且支持断点续传。

(5)录像上传。智能矿灯支持一键录像，录像时间支持软件设定，录像文件本地存储，有网络时自动上传到数据服务器，并且支持断点续传。

(6)语音广播。智能矿灯收到调度发来的语音或预案语音时，能够直接播报，实现通知快速传达，达到高效应急联络的目的。

(7)远程操作。一是地面调度能够随时控制井下智能矿灯进行录音、录像，实时了解现场情况，有效解决井下人员无回应情况；二是通过软件定义智能矿灯功能，满足不同岗位、不同区域、不同人群应用需求。

(8)蓝牙传输。主要用于连接蓝牙外设，能够用于连接具有蓝牙功能的甲烷检测报警仪、蓝牙智能手环等，智能矿灯同时可以建立多连接，连接多个蓝牙设备，采用分时请求数据的模式，实现蓝牙设备的数据采集、中继传输。

(9)休眠与唤醒。智能矿灯在打开状态下，若长时间没有操作指令，设备自动进入休眠状态，仅保留照明、Wi-Fi定位及接收信息功能，减小功耗；在休眠状态下按任意按键一次，设备立即被唤醒。

4 关键技术及其创新

4.1 关键技术

4.1.1 Wi-Fi定位模式与算法设计[10]

通过深入研究Wi-Fi底层传输协议(802.11x)，利用Wi-Fi探针、信号处理等技术，通过Wi-Fi底层传输协议中的信号强度(RSSI)、数据传输时间(ToF)信息，开发完善Wi-Fi定位算法，实现人员连续定位。

Wi-Fi探针是基于Wi-Fi探测技术识别附近已开启的Wi-Fi设备。移动终端接入Wi-Fi网络时，发出数据帧(Frame)，其中包含探针数据包(Probe request)，数据包中具有该终端之前接入过的SSID名称以及终端的MAC地址信息，Wi-Fi探针截获数据帧后，分析探针数据中的MAC层和物理层信息。

接收信号强度指示RSSI(Receive Signal Strength Indicator)是指已知发射节点信号功率，通过检测接收节点的接收功率以及信号强度，计算得到被测目标与基站间的距离，结合信息传播造成的损耗，经过信号传播衰减模型计算得到节点间的距离，确定被测目标位置。

由于井下巷道尺寸、粗糙度、侧壁倾斜度以及四周材料的介电常数不同，电波在巷道传播特性较为复杂，定位精度较差，且存在位置跳变现象，需研究建立基于其它定位原理的数学模型配合，提高定位精度，实现人员连续定位；通过对基于信号到达时间(TOA)、时间差(TDOA)以及卡尔曼滤波、高斯滤波、小波滤波等算法的多次试验比对，利用卡尔曼滤波和基于信号到达时间差(TDOA)算法配合RSSI算法效果较好，对时间的误差要求较小，定位稳定。

信号到达时间差算法是通过测量不同基站接收被测目标所发信号的时间差或同一基站接收同一被测目标所发不同速度信号的时间差，计算各基站与被测目标距离。

结合以上技术，Wi-Fi基站不断地扫描探测信号覆盖范围内的Wi-Fi终端，实现终端探测，类似RFID区域定位；利用Wi-Fi基站的探测特性快速探测Wi-Fi终端，通过RSSI算法、卡尔曼滤波、TDOA算法进行距离计算，实现人员的连续定位，达到通信与定位融合，简化井下设备配置，降低系统复杂度。

4.1.2 智能装备模具以及通信部件的设计

为了提高作业人员工具集成度，保障智能化装备在煤矿井下得到更好的管理和应用，突破矿灯传统设计思路，将智能芯片、喇叭、麦克、按键、摄像头等部件集成至矿灯灯头部位，利用三维机械建模，经过多次设计、打磨、完善，研制出智能矿灯灯头模具，实现部件的高度集成，同时满足防水、防尘、抗撞击要求；通过元件选型、本安电路设计、测试，研发出能够安装在矿灯内部的集成电路，集成ARM9处理器，具有稳定强劲的无线信号、CODEC语音编解码、MIC接口、音频输出功放电路等功能，同时满足ia级本安、抗电压波动以及低功耗要求，实现矿灯部件高度集成、低功耗、本安，为智能矿灯的成功研制打下基础。

4.1.3 IP语音通话以及回音抑制与降噪技术

利用标准的SIP音视频通信协议，开发调度融合通信平台，实现智能矿灯、本安智能手机、应急广播等设备音视频互通，提高调度效率和矿井安全管理水平；利用回音抑制、降噪技术，优化语音通信算法，加强回音抑制，有效解决因麦克、喇叭相距较近，易产生啸叫的问题，实现调度台与矿灯音视频全双工对讲，做到距矿灯0.5 m处，喇叭播放声音80 db，且系统无啸叫，同时根据井下不同地点噪音，系统能够自动调整，降低底噪。

4.1.4 实时视频编解码、码率帧率自适应网络技术

为了保证视频图像在低速率的无线信道上稳定传输且视觉质量不降低，利用实时视频编解码、码率帧率自适应技术，优化底层算法，根据井下应用环境的实际情况，通过模拟算法对网络带宽进行估算。根据估算带宽对实时视频编解码、码率帧率进行动态调整，使实际的编码输出速率与信道速率相匹配，最大限度地利用网络带宽，获得尽可能高的重建视频图像质量。

井下单兵智能装备能够实现根据网络情况对实时视频编解码、码率帧率进行处理，在网络状况一般时，维持常用的的状况，不做特殊复杂的处理；网络状况不好时，采用降低码率方案，如降低源头帧率、降低目标分辨率、降低幅度，根据网络状况决定，确定是否采用连续阶梯降码率。

4.1.5 网络漫游技术

为了避免智能装备在不同AP(无线访问接入点)之间切换时通信中断，利用信号扫描、滑动滤波技术，实现智能矿灯自动判断各基站信号强度，开发网络漫游算法，实现自动快速切换基站，保障在跨基站移动中数据通信不中断，实现方式为：假设终端STA连接在AP1基站上，能同时检测到AP1的RSSI1和AP2基站的RSSI2。当RSSI1≥-70 db时，保持连接在AP1基站；当RSSI1<-70 db时，检测AP2的信号强度，当RSSI2<-60 db时，仍连接在AP1基站上，当RSSI2≥-60 db时，立刻连接AP2，同时断开AP1。

4.1.6 节电技术

在智能矿灯工作时，为了提高设备的电池使用效率，通过软件算法判断，在智能装备“空闲”或者“非满负荷”时，控制智能矿灯进入休眠状态，同时具备随时唤醒功能，最大限度地降低设备功耗，满足煤矿井下对矿灯使用时长的需求。

4.2 创新点

(1)复杂工矿条件下高可靠无线传输。淮北矿区井下巷道大多距离短、截面小、设备多，工矿环境复杂，在无线物联网应用过程中会发生多径效应及电磁噪声干扰等问题，本项目通过对三极化基站天线的研究设计，解决复杂工矿环境下Wi-Fi无线传输距离短、稳定性不足的问题，并实现数据传输跨基站无线漫游等功能。

(2)小型化、多功能、实用性装备设计。一是采用低功耗、本安化的集成设计，将有线以太环网、Wi-Fi、CAN、RS485、I/O等硬件设备集成至小型化矿用本安型基站中，打通井下各系统数据接入通道“最后一米”；二是在不改变矿灯产品形态的基础上，集成超低功耗智能处理芯片、摄像头、通话装置等模块，在矿灯上实现音视频通信、人员定位、语音报警等功能，并通过蓝牙模块为瓦检仪、智能手环等装备提供数据传输通道，实现“一机多能”。

(3)多种算法及协议深度优化设计。一是实现Wi-Fi数据终端用户并发接入及传输；二是实现基于Wi-Fi协议的连续、精准人员定位；三是在井下恶劣环境下实现低带宽、高质量、稳定的IP音视频通话。

(4)通用、融合、共享的平台开发。一是实现在一个平台上对语音调度、定位、通信、应急广播等多个系统一体化调度管理；二是无需专用调度台，实现局/矿两级分级调度管理。

5 应用效果

2020年12月，该研究成果在淮北矿业集团信湖矿、袁店一矿全面应用，通过在井下部署无线综合基站、开发融合通信平台以及研制智能矿灯、智能手机等智能装备，取得了一定成效。

5.1 社会效益

(1)该项目研究是煤炭行业主动应用信息化先进技术的具体表现，符合国家提出的数字化发展创新理念，具有很高的示范价值，为煤矿智能化建设提供一些可借鉴经验。

(2)融合平台及智能终端的开发应用，显著提高调度指挥及应急救援能力，不仅能够提升井下人员安全防护水平，而且拓展了安全监管的渠道和范围，提高安全生产保障能力。

(3)该研究成果成功应用后，规范井下网络结构，打通煤矿井下数据通信“最后一米”，提升矿井生产调度管理效率和水平，提高生产效率，技术人员能够远程指导现场职工排除设备故障，提升职工协同工作能力，为智能化矿山建设提供坚实的基础。

5.2 经济效益

(1)提高工作效率产生效益。项目应用提高调度指挥效率，增强井下职工协同工作能力，部分系统实现无人值守。该研究成果应用期间，累计减少人力成本共计200万元。

(2)节约成本。项目实现煤矿井下“有线+无线”网络覆盖，提供统一的数据传输通道，避免各系统通讯网络重复建设，节约系统建设费用及维护成本；融合调度平台的应用，避免开发人员定位、调度管理等多系统的建设投资；该研究成果节约投资成本共计320万元。