煤礦井下無線通信系統的應用研究

宋海鷹

(西山煤電集團公司官地礦,太原 030053)

煤礦井下無線通信系統的應用研究

宋海鷹

(西山煤電集團公司官地礦,太原 030053)

分析了目前煤礦主流無線通信系統的技術特性和無線通信系統在煤礦的應用前景,論述了煤礦無線通信系統的發展方向,為煤礦井下無線通信系統的研究提供了借鑒。

無線通信系統;安全生產;智慧煤礦

隨著通信技術、計算機技術、傳感器技術的不斷發展,煤炭生產企業正在朝著安全化、信息化、智慧化的道路不斷前行。不斷完善及發展的煤礦井下無線通信系統已經成為高效、安全、智能的現代化礦井的重要組成部分。

1 我國煤礦井下無線通信系統的現狀

目前我國煤礦井下使用的無線通信系統主要有PHS(Personal Handy-phone System)無線通信系統,3G通信系統,WIFI通信系統,4G通信系統。

1)PHS無線通信系統：一種成熟的無線本地電話技術,PHS技術采用微蜂窩通信技術,本質上屬于第二代數字移動通信技術。該系統由基站、局端接入設備、線路延伸器、基站控制器、線路復用器、本安型手機、控制計算機等組成,基站與手機之間采用時分雙工模式TDD,其無線信道基于時分多址TDMA結構,聲音傳送編碼采用32kbps ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation,自適應脈沖編碼調制)方式,利用微蜂窩和信道動態分配技術,可以有效地提高頻率利用率和通信容量[1]。PHS無線通信系統主要用于語音通信及人員定位,由于核心供應商UT斯達康及中興已不再生產相關設備,以及面臨非法使用頻段的問題,PHS無線通信系統在煤礦的應用前景不容樂觀。

2) 3G通信系統：無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合的第三代移動通信系統。目前國際通行的三個無線接口標準分別為美國CDMA2000,歐洲WCDMA,中國TD-SCDMA。我國煤礦井下采用的3G技術大多為TD-SCDMA標準。TD-SCDMA采用AMR(Adaptive Multi-Rate,自適應多速率)語音編碼方式,使用1.28 Mcps的低碼片速率,擴頻帶寬為1.6 MHz(在1.6 MHz帶寬上理論峰值速率可達到2.8 Mbps),同時采用了動態信道分配、上行同步、接力切換、可變擴頻系統等先進技術,使其具有零活的上下行時隙配置,以及能夠克服呼吸效應和遠近效應的特點。

3) WIFI(Wireless-Fidelity)通信系統：由網絡接入點和無線網卡組成的無線網絡,WIFI無線通信系統采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用)技術,其優勢在于具有較高的數據帶寬和低廉的設備成本。目前WIFI無線通信系統工作頻段為2.4GHz,基站與手機發射功率為50mW,單臺基站通信信道為12個,調制方式為DSSS/OFDM,通信協議支持CSMA/CA、TCP/IP,由于WIFI系統采用短碼擴頻技術,只適合視距無遮擋點對點直線通信,煤礦井下的復雜地質結構,WIFI的通信距離將大大縮短[2]。

4) 4G通信系統：第4代數字移動通信技術的簡稱,能夠進行高質量的語音通信也能快速且高質量地傳輸多媒體文件。4G無線通信技術采用OFDM、多重輸入和MIMO(多重輸出)技術,使4G網絡的數據傳輸速度有了大幅度的提高,同時4G網絡擁有的智慧型天線技術能夠充分利用信號的空間方向性,在傳輸數據時消除其他信號的干擾,使數據傳輸更加穩定,在煤礦井下這樣障礙物較多的環境也能穩定快速地進行數據傳輸[3]。

2 煤礦井下無線通信系統的應用前景分析

2.1煤礦井下安全生產監管體系

隨著煤炭行業安全生產監管體系的逐步完善,煤炭生產企業安全生產管理水平的不斷提高,我國煤炭行業安全生產形勢逐年好轉,但與世界發達國家相比仍有較大差距。高效的煤炭生產企業安全管理與安全監測監控系統的先進與完善密切相關[4]。不斷推進的采掘工作面以及井下流動的作業人員,使得煤礦井下無線通信系統必不可少。

1) 瓦斯濃度的監控：煤礦瓦斯濃度監控系統通常包括傳感系統、無線通信系統、地面控制系統等,傳感系統通常包括瓦斯濃度激光探測傳感器、風速流量傳感器、一氧化碳濃度傳感器及負壓傳感器等,無線通信系統會將采集到的傳感器信號傳輸到地面控制中心。地面控制中心會對監控參數進行數據分析,一旦數據超過閾值,濃度監控系統會通過無線通信系統發出警告,通知相關人員進行進一步處理,保證煤礦生產過程中瓦斯濃度處在安全水平。

2)礦井礦壓的監測：礦壓的監測通常通過井下關鍵區域液壓支架壓力情況的監測來實現。通常煤礦要在一個采區的關鍵位置設置多個礦壓傳感器,無線通信系統會將液壓支架上的壓力數據傳輸到地面控制中心,當礦壓信號的實時數據超過設置的臨界值時,控制系統會將報警信號實時傳遞到井下工作人員,避免造成不必要的傷害。

3)實時語音、視頻監測：無線通信系統將會使井下工作人員的語音通信更加方便快捷,人員和設備定位信息數據實時獲取,安裝在井下各個區域的視頻監控信號也將實時發送至地面,地面監控中心發送的風險信息提示也會被井下工作人員及時接收,提高了煤礦井下的安全生產管理水平。

2.2智慧煤礦的數據傳播載體

我國煤炭工業在新中國成立后,以機械化、信息化、自動化為手段,經歷了普通機械化、綜合機械化、生產集約化、安全高效化4個階段,生產方式以原始生產、機械生產向自動化生產發展。智慧煤礦將成為未來煤礦生產的發展趨勢,推動煤礦安全生產、高效開發、綠色開發、和諧開發。智慧煤礦的核心是以透徹感知、深度互聯為載體,建立廣泛而可靠的智能應用,用以優化煤炭生產企業物質流、信息流、控制流、價值流,從而覆蓋礦山生產和經營管理的各個環節。

智慧煤礦同樣擁有廣泛的能夠感知機電、環境、溫度等實時狀態的傳感設備,諸如掘進機截割減速器油溫油位傳感器、錨桿定位傳感器、主運皮帶故障傳感器等,這些傳感器植入各類機械設備及自然對象來獲取感知對象的靜態及動態特性。煤礦井下無線通信系統正是將這些復雜而又繁多的數據傳輸到礦山智能應用系統,礦山智能應用系統通過建立智能控制及智能管理的應用,從而實現煤礦生產相關設備“監測、管理、控制”智慧化的運行。通過與虛擬現實、云計算等互聯網技術的深度融合,智慧煤礦能夠真正實現無人值守的現代化煤礦生產運行機制,最大限度地提高生產效率,降低生產成本,幫助煤炭生產企業對煤炭生產中的“采、掘、運、風、水、電、安全”等各個生產環節優化管理。

3 煤礦井下無線通信系統的發展方向

3G、4G無線通信技術都已在煤礦井下獲得實際應用,煤礦安全監測系統以及智慧煤礦的發展對無線通信技術有了更高的要求。5G通信技術,即第五代移動電話通信標準的研究正在加速推進。根據目前的研究顯示,5G技術相比目前4G技術,其峰值速率將提升數十倍,從4G的100Mb/s提高到10Gb/s,端到端延時將從4G的十幾毫秒減少到5G的幾毫秒。雖然5G網絡通信標準目前暫未發布,但可以預見的是,5G技術一旦投入應用,將極大地提高煤礦井下無線通信系統的實用性及可靠性,使智能采煤、智能運輸,無人煤礦等智慧煤礦的概念成為現實。

4 結束語

目前我國大多數煤炭生產企業的無線通信系統仍然僅僅處在初級利用的水平,伴隨著社會的不斷發展以及科技水平的不斷提高,礦用無線通信技術也將會得到不斷發展以適應煤礦現代化、信息化、智慧化的發展要求。隨著5G通信時代的到來,巷道數據自動采集、生產設備自動運行控制,主動式安全保障預警提示等無線業務將是未來智慧煤礦的重要標志,無線通信系統必將會為我國煤礦信息化建設發揮更加重要的作用。

[1] 陳湘源.煤礦無線通信系統的現狀與發展[J].工礦自動化,2009(1):62-65.

CHEN Xiangyuan.Present Situation and Development of Wireless Communication System of Coal Mine[J].Industry and Mine Automatio,2009(1):62-65.

[2] 徐壽泉,徐寶平,張陽太,等.煤礦井下無線通信技術的現狀與發展[J].工礦自動化,2014,40(9):111-114.

XU Shouquan,XU Baoping,ZHANG Yangtai,etal.Current Situation of Coal Mine Wireless Communication Technology and Its Development[J].Industry and Mine Automatio,2014,40(9):111-114.

[3] 趙亞軍,薛峰,熊仆.無線技術在煤礦安全監控系統中的應用趨勢[J].煤炭技術,2016,35(1):286-287.

ZHAO Yajun,XUE Feng,XIONG Pu.Application Trend of Wireless Technology in Coal Mine Safety Monitoring System[J].Coal Technology,2016,35(1):286-287.

[4] 聶百勝,彭斌,范鵬宏,等.礦山無線安全監測預警系統設計及關鍵技術[J].煤炭科學技術,2016,44(7):53-58.

NIE Baisheng,PENG Bin,FAN Penghong,etal.Design and Key Technology on Early Warning System of Mine Wireless Safety Monitoring[J].Coal Science and Technology,2016,44(7):53-58.

(編輯:薄小玲)

ApplicationofWirelessCommunicationSysteminMines

SONGHaiying
(GuandiMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Taiyuan030053,China)

The paper analyzes the technological characteristics and its potential application of wireless communication system in mines and proposes its development direction, which could provide some reference for the study of the wireless communication system in mines.

wireless communication system; safety production; smart mine

TD655

A

1672-5050(2017)03-0074-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.021

2017-04-11

宋海鷹(1970-),男,山西平遙人,大學本科,助理工程師,從事煤礦通信設備的管理及維護工作。