豹子溝煤業(yè)5G 無線通信系統(tǒng)的應用研究

王常軍

（山煤國際能源集團股份有限公司煤業(yè)分公司蒲縣豹子溝煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

網絡是信號傳遞的基礎，山西煤炭進出口集團豹子溝煤業(yè)有限公司與山西聯(lián)通公司聯(lián)合建設5G無線通信系統(tǒng)建設項目，采用對IPRAN 環(huán)網的改造及5G 基站的建設，實現(xiàn)煤礦4G+5G 網絡的有效覆蓋[1]。豹子溝煤業(yè)為推進“5G+智慧礦山”建設，在5G 無線通信系統(tǒng)建設的同時還引入礦用5G 本安手機、全功能型智能礦燈、礦用隔爆型無線轉發(fā)器、礦用本安型4K 攝像儀、礦用本安型攝像儀等5G 設備，進一步提速智能調度系統(tǒng)的分析、決策與指令下達，實現(xiàn)井下生產作業(yè)、安全監(jiān)測等熱成像、紅外線數(shù)據(jù)與地面智能化集中控制系統(tǒng)聯(lián)通再升級，推動智慧礦山的建設。

1 工程概況

山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司由山西煤炭進出口集團對原山西煤炭進出口集團豹子溝煤業(yè)有限公司、山西蒲縣利泰煤業(yè)有限公司、山西蒲縣楊坡煤業(yè)有限公司及空白資源實施兼并重組的資源整合礦井。井田面積11.188 6 km2，生產能力90 萬t/a，批準開采2～11 號煤層，保有資源/儲量8691 萬t，設計可采儲量5295 萬t，礦井服務年限42 a。瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井，水文地質類型屬中等類型，9+10+11 號煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃，煤塵有爆炸性。

豹子溝煤業(yè)地面區(qū)域主要有生產區(qū)、辦公區(qū)和生活區(qū)三大部分。生產區(qū)主要有洗煤車間、礦井水處理車間、機械設備維修車間、主井機房、變電站等部分；辦公區(qū)主要有煤礦行政辦公樓和黨委辦公樓；生活區(qū)主要有職工宿舍樓、職工食堂和上崗培訓中心等[2]。

2 5G 無線通信系統(tǒng)建設的總體思路

豹子溝煤業(yè)與山西聯(lián)通聯(lián)合立項，深入調研，科學規(guī)劃，確定5G 無線通信系統(tǒng)建設項目。通過對IPRAN 設備骨干環(huán)網的改造，來實現(xiàn)煤礦的通信需求，主要包括數(shù)據(jù)采集和上傳系統(tǒng)、視頻監(jiān)控和監(jiān)測系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)的網絡通信；通過建設5G、NB、UWB 網絡，依托5G 無線通信系統(tǒng)高速率和低時延特性，來實現(xiàn)煤礦的智能化作業(yè)，為實現(xiàn)智慧礦山奠定基礎。

在該豹子溝煤業(yè)公司5G 無線通信系統(tǒng)的建設中以技術發(fā)展為驅動、以市場競爭為參考、以經濟利益為基準，制定了煤礦行業(yè)相應網絡指標要求。5G 室內覆蓋主要采用室外宏站覆蓋方式，5G 覆蓋堅持室內外協(xié)同原則，礦區(qū)新建5G 宏站若干個，來對礦區(qū)地面區(qū)域進行深度覆蓋。

豹子溝煤業(yè)公司5G 無線通信系統(tǒng)項目建設原則及思路：（1）組網，組網規(guī)劃時考慮覆蓋系統(tǒng)的高可靠性要求。（2）覆蓋，確定天線的選型和合理布防，通過控制干擾的影響來保證覆蓋。（3）容量，綜合豹子溝煤業(yè)的業(yè)務需求進行規(guī)劃。（4）性能，充分發(fā)揮室外站能力，實現(xiàn)對部分樓宇的5G 室內淺層覆蓋。（5）擴容，預留擴容余地，以便建設后期可以進行相應的優(yōu)化調整[3]。

3 5G 無線通信系統(tǒng)項目的方案制定

3.1 煤礦井上部分建設方案

豹子溝煤業(yè)公司5G 無線通信系統(tǒng)項目井上部分建設方案主要包括宏站規(guī)劃、室內規(guī)劃、信息傳輸規(guī)劃三部分。

宏站規(guī)劃：當前宏站站型有64T64R AAU 設備、32T32R AAU 設備、16T16R AAU 設備多種類型，當前基于智能化的智慧礦山建設對無線網絡上下行速率、時延提出了更高要求，在該煤礦5G 項目建設中確定采用高容量的64T64R AAU 覆蓋。

室內規(guī)劃：室內規(guī)劃覆蓋方案以空間性整體覆蓋為主，3 個配電室、3 個倉儲、洗選車間、維修車間共8 處采用數(shù)字化室分設備覆蓋，煤礦快速裝車站1 處采用室外宏站覆蓋，設備配備：BBU 2 臺、RHUB 10 臺、PRRU 42 臺。

信息傳輸規(guī)劃：豹子溝煤業(yè)公司以往采用中國聯(lián)通4G 基站，本次新增站點在主線路上全部布設48 芯光纜；室分站點及支線路上全采用24 芯光纜，屬礦區(qū)配線鏈路，保障后期業(yè)務的延續(xù)性[4]。

3.2 煤礦井下建設方案

煤礦井下設備的安裝必須要考慮到礦用隔爆性能，基于井下安裝空間的要求，要求設備具有小型化和低功耗的特點。基于以上情況，該項目井下建設方案采用數(shù)字化室分方案，采用BBU+集線設備（rHUB）+分布式的PicoRRU（天線一體化）方案布設[5]。

3.3 5G PRRU 外接天線的改造應用

當前考慮到無本安型設備，采用開發(fā)的已認證的隔爆型防爆殼進行防爆，但該隔爆型防爆殼會對PRRU 信號進行隔離，因此在該項目當中對PRRU進行外接天線的改造。改造完成后，單PRRU 與rHub 拉遠距離可增大10 倍效果，達2 km 以上。

4 應用及效果分析

當前豹子溝煤業(yè)公司5G 無線通信系統(tǒng)項目已完成了全部的5G 基站及配套設施的建設，在10107綜采工作面安裝了5 個井下5G 防爆專用基站，已全部開通5G 信號，示意圖如圖1。

圖1 10107 綜采工作面5G 無線通信系統(tǒng)應用示意圖

以該礦中央變電所區(qū)域和主斜井膠帶運輸機順槽區(qū)域為例進行信號測試。測試結果表明：在中央變電所區(qū)域，距離基站300 m 處檢測到5G 信號強度-108 dBm，信號格數(shù)0～2 格，下載和上傳速率為215 Mbit/s、87 Mbit/s，信號覆蓋半徑為300 m，設備響應時延35 ms；在主斜井膠帶運輸機順槽區(qū)域，距離基站250 m 處檢測到5G 信號強度-118 dBm，信號格數(shù)0～1 格，下載和上傳速率為15 Mbit/s、8 Mbit/s，信號覆蓋半徑為250 m，設備響應時延為37 ms。兩區(qū)域中，中央變電所區(qū)域無明顯阻擋物，但主斜井膠帶運輸機順槽有較多障礙物進行阻擋。

通過中央變電所和主斜井膠帶運輸機順槽兩個不同區(qū)域的場景對比分析可知，明顯障礙物可縮小5G 信號覆蓋半徑，衰減信號下載和上傳速率，因此建設后期可根據(jù)檢測結果來進行相應的優(yōu)化調整。整體上來看，該煤礦建設的5G 基站的高速率和低時延完全可以滿足該礦智能化建設的要求。

5 結語

豹子溝煤業(yè)公司大力建設井上井下“5G”網絡，在10107 工作面安裝了5 個井下5G 防爆專用基站，網絡覆蓋采煤區(qū)、皮帶運輸區(qū)、遠程集中控制室和部分巷道、硐室。通過井上、井下5G 通信網絡和大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網等智能化系統(tǒng)對接，可以實現(xiàn)井下語音、視頻、數(shù)據(jù)一網承載，各種智能化操作系統(tǒng)信息一網傳輸，滿足了井下大巷、綜采工作面、掘進工作面等多種場景應用的信息化傳輸需求，保障了智能化礦山通信“高速公路”更快、更穩(wěn)、更有效率。

5G 網絡解決了時延問題后，采用可實時調整系統(tǒng)參數(shù)的全自動化放煤系統(tǒng)，能保證電液控裝置、液壓支架等放煤設備運行電流更穩(wěn)定，矸石分離效果更好，原煤回收率可以相對提升5～6 個百分點，每個班多開采原煤1000 多噸。5G 無線通信系統(tǒng)項目的建設與應用為豹子溝煤業(yè)創(chuàng)造了經濟效益。