井下4G業務廣普融合現狀及關鍵性問題分析

康紅明 賈春鳳 李偉 劉志軍 李興偉 金珠鵬

摘?要：為滿足“兩化融合”高質量建設，在闡述井下4G 業務廣普融合現狀基礎上，分析了井下4G 業務廣普融合的問題與不足，指出了4G業務與礦井融合的本質性障礙，給出了井下4G 業務融合的發展策略，提出了4G業務與礦井工業化融合所需解決的關鍵性問題。致力于提高4G業務服務范圍和傳輸靈活性的適應性路徑建設，為智慧化礦井發展奠定基礎。

關鍵詞：智慧化礦井;4G;廣普融合;適應性路徑

引言

4G業務具有傳輸速度快、網絡頻譜寬、智能性高、兼容性平滑、可提供各種增值服務等優越性，是井下信息資源規劃和信息集成的優越平臺，由此實現多元異構信息資源的復雜交互與共享，進行井下多元異構數據融合的信息化建設，確保信息資源的高效存儲、科學加工和無縫流轉。井下4G業務可為智慧化礦井建設提供安全、穩定和高效的保障平臺。但受到井下特殊環境和信息傳輸路徑限制，4G通信系統與井下大范圍生產運營尚不能很好地融合，如何建立適應井下動態環境的4G網絡信息傳輸路徑，全井下范圍融合4G移動業務是兩種業內人士探索的重要課題。

1融合現狀

截止2020年初，煤礦智能化建設成效凸顯，采煤工作面機器人、鉆錨機器人、選矸機器人和巡檢機器人已在煤礦井下應用[3]，全國已建成200余個智能化采煤工作面。多數智能化采煤工作面配備了移動通信系統，同時完成了從3G向4G轉變，其中以TD-LTE制式最為代表性，典型案例如下。

程潮礦業井下4G移動通信系統覆蓋了礦井-430米、-447米、-500米三個平層作業面主巷道，覆蓋總面積達12萬平方米，覆蓋深度及廣度全國罕見，為礦井日常通信聯絡、生產作業與搶險救援、助力礦山信息化、建設綠色高效智慧化礦山提供了有力保障。

山東新云鵬煤礦井下使用了KT393礦用4G無線通訊系統，率行了4G網絡融入煤礦工業以太網的系統集成。KT393礦用4G通信系統是集無線通信、人員定位、視頻監控、語音擴播、調度指揮等多系統統一接入、統一承載、統一管理、統一聯動的“一網一站”無線通信系統。執行自組網絡，雙備份保護機制。KT393煤礦井下4G通信系統同時也在神東煤礦大柳塔礦、上灣礦成功應用，“一網一站”模式很好地實現了煤礦指揮調度一體化、遠程監控、多種調度終端與視頻聯動等功能。

2 需解決的關鍵性問題

井下環境復雜，在限定空間的巷道系統中無線傳輸受到了很大限制。無線傳輸分布是建立在有線系統基礎之上的，井下移動通信傳統的做法是通過增設微基站，擴大有線分布系統來補償無線傳輸距離受限的缺陷，但這并不適合井下動態的生產環境。敷設搬遷困難，故障率高，維護量大，成本高，最終對礦井安全生產促進有限，普通煤企難以承受。多水平、多采區大型礦井中，通常所需要的通信服務范圍較大，由此需要建立簡單靈活、可廣域分布的通信系統，確定井下4G業務廣普信息化適應性路徑，從而解決井下4G業務廣普融合的問題。要實現廣域無線傳輸，就離不開無線信號的中繼，圍繞井下4G信號的廣普分布和無線中繼，需解決了以下關鍵問題：

（1）信號源的引入。4G網中的BTS距井口通常有一定的距離，從井口到井下各個工作面作業地點又有很長的一段距離，尤其是服務年限較長的大型礦井，巷道掘進會延伸的更遠，采掘工作面距井口的距離會更遠，如何將地面BTS的4G網信號遠距離“遷移”到井下各個作業地點是首要解決的關鍵問題。采用光多鏈路光纖直放系統耦合礦山地面井口附近基站的信號，通過波分復用技術，以多路傳輸形式將BTS信號遠距離引入到井下各不同生產作業采區，以無線中繼、延伸方式覆蓋巷道空間，該方法很好地解決了4G信號遠距離傳輸問題，并為無線廣域分布建立了基礎框架。

（2）對于無線信號在井下廣域分布而言，要掌握4G信號在巷道中的傳播特性，明確信號衰落的基本規律，找出衰落、傳輸距離和各影響因子間的聯系，建立數學衰減模型，為信號有效傳輸提供理論依據。

（3）依巷道的不同空間形態，確定對應的無線中繼方式。確定無線中繼的邊界條件，明確多級中繼后信號降噪的有效方法。

（4）結合信號傳輸特點及現有發射設備性能，要滿足4G無線信號在巷道中有效分布，須用巷道專用的高增益定向天線，增加4G信號在巷道軸向傳輸的有效距離，且體積小型化以滿足巷道狹小空間要求。

（5）采用最優的有線系統配置。巷道中無線信號覆蓋需以定向天線和射頻泄漏電纜相結合的方式來實現，遇拐點和彎曲巷道，信號中繼以泄漏電纜過度，末端再沿巷道軸向無線中繼。

3 結束語

井下4G業務與智慧化礦井融合建設已取得了較好的成果，并積累了相關經驗。從實踐中得知，4G業務與礦井工業化的“兩化融合”，最大的難點和關鍵性問題不在于通信系統本身和兩種業務的功能性融合，而是移動通信系統與井下特殊環境的適應性融合，確立了井下4G業務廣普信息化適應性路徑，即解決了井下4G業務廣普融合的關鍵性問題。井下移動通信系統需向簡單化、靈活化方向發展，以適應井下動態生產環境需求。無線中繼需依托于具體巷道環境敷設有線系統，充分增加巷道軸向無線傳輸距離從而減少有線通信系統分布。加強井下4G業務廣普信息化適應性路徑建設，滿足4G業務與井下安全生產融合要求，為新一代通信業務（5G）融合奠定基礎。

參考文獻

[1]?朱賽虎. 基于4G通信技術的煤礦無線通信系統研究[J]. 電子世界，2014，（17）：85-86.

[2]?王海杰，李艷萍. 4G移動通信技術發展綜述[J]. 網友世界·云教育，2014，（18）：18-18.

[3]?葛世榮. 煤礦機器人現狀及發展方向[J]. 中國煤炭，2019，45（7）：18-27.

[4]?倪翔. 井下有限空間2.4GHz無線信號測試及傳播規律的研究[D]. 西安：西安科技大學，2014.

基金項目：黑龍江省自然科學基金資助項目（E2016061）

作者簡介：康紅明（1979-），男，遼寧興城人，講師，主要從事電力電子方面的研究與教學工作。