煤礦物聯網單兵智能裝備系統研發與應用

張傳江，殷 鵬，姚 磊，周 泉，張明泉，張朝平

(1.淮北礦業(集團)有限責任公司，安徽省淮北市，235006;2.上海山源電子科技股份有限公司，上海市松江區，201600)

1 研發背景

近年來，隨著淮北礦業集團自動化、信息化、智能化建設的不斷深入，煤礦井下自動控制、環境監測、工業視頻等系統數據大量增加，因此井下網絡結構復雜、網絡不穩定等問題日益凸顯；同時，因淮北礦區井下存在地質構造復雜、巷道多、截面小、作業地點分散等特點，導致生產管理難度大、調度指揮效率低，從而制約了智能化礦山建設。為了提升煤礦綜合管控水平，提高生產效率，推動新一代信息化技術與煤礦傳統裝備融合，淮北礦業集團提出煤礦物聯網平臺與單兵智能裝備研發與應用的科研課題，主要在以下幾個方面進行突破。

(1)針對目前淮北礦區煤礦井下數據傳輸量大、網絡結構復雜、多網重復建設、標準不統一、終端無法管理等問題，利用無線Wi-Fi、網絡工程等技術，研制適用于井下復雜工況的Wi-Fi物聯網綜合基站，結合萬兆工業控制環網，形成井上下“一張網”，為環境監測、人員定位、工業視頻、生產控制等系統提供統一、快速、可靠的數據傳輸通道，為智能礦井建設提供基礎網絡。

(2)針對煤礦已建成的應急廣播、人員定位、調度電話等多個信息化系統，存在系統間相互獨立、人員投入多、管理困難等問題，利用計算機編程、數據轉換等技術，開發面向煤礦的融合調度平臺，集成調度通信、人員定位、應急廣播等功能，提高作業現場實時調度指揮能力，為智能礦山建設提供基礎平臺。

(3)針對煤礦井下作業地點多、人員分散、調度管理困難等問題，利用智能數據通信、模具制造、電路設計等技術，研發礦用本安型智能礦燈、智能手機等單兵智能裝備，結合井上下“一張網”及融合調度平臺，實現井上下人員音視頻通信、錄像、拍照等功能，提高調度應急指揮水平、增強作業人員協同工作能力、提高生產效率，拓寬安全監察手段。

(4)深入研究分析Wi-Fi底層協議、Wi-Fi定位技術，利用數學建模、算法設計等技術，研發基于Wi-Fi的人員定位算法，實現無線通信與定位的融合，達到“有通訊就有定位”的目標。

2 系統架構

為了實現融合智能調度，煤礦物聯網單兵智能裝備系統采用“以人為本”的調度理念，將所有調度終端作為尋找到人的技術保障手段，系統通過人員位置信息查找周邊語音設備信息，包括周邊攜帶語音設備的其他人，大幅提高調度指揮效率。煤礦物聯網單兵智能裝備系統總體架構如圖1所示。

圖1 煤礦物聯網單兵智能裝備系統總體架構

2.1 軟件部分

煤礦物聯網單兵智能裝備系統軟件部分主要包括融合調度平臺、Wi-Fi定位算法、VOIP音視頻通信3個方面。

(1)融合調度平臺。該平臺基于主流的IP技術，采用模塊化設計，C/S與B/S模式相結合，實現調度電話、擴播、無線通信、人員定位等多系統的統一調度、統一管理、統一維護[1-2]。

(2)Wi-Fi定位算法。通過Wi-Fi定位技術，實現在Wi-Fi無線基站和智能終端上不借助第三方定位技術進行自主定位，達到“有通信就有定位”的目標，簡化井下設備配置，降低系統建設成本[3]。

(3)VOIP音視頻通信。采用基于標準的SIP音視頻通信協議，實現調度臺、智能礦燈、本安智能手機、廣播等設備音視頻對講[4]。

2.2 硬件部分

煤礦物聯網單兵智能裝備系統硬件部分主要包括物聯網綜合基站和智能終端。

(1)物聯網綜合基站。該基站作為井下萬兆工業環網補充，形成礦井“一張網”平臺，為自動化控制、人員定位、監測監控、Wi-Fi通信、無線視頻、物聯網終端等煤礦井下各監控系統提供統一的數據交互通道[5]。

(2)智能終端。在不改變礦燈產品形態的基礎上，集成智能處理芯片、攝像頭、通話裝置等模塊，在礦燈上實現音視頻通話、人員定位、語音報警等功能。

3 系統功能

煤礦一直存在著井下調度和井下人員溝通困難的情況，部分緊急情況很難及時傳達給目標的井下工人。傳統的煤礦單兵裝備往往功能簡單、應對場景單一，無法同時應對多種應急情況。而煤礦物聯網單兵智能裝備可以實現一鍵呼叫調度，及時地與調度人員進行信息交換，遇到通話無法準確描述的信息，還可以和調度人員進行視頻通話，通過視頻方式進行信息傳遞。在非緊急情況下的信息傳遞，單兵智能裝備還可以進行高清拍照和錄像，對需要記錄的設備信息進行圖片視頻存檔，或是對“三違”操作進行留證。

3.1 融合調度平臺

融合調度平臺集成有/無線調度通信、人員定位、應急廣播、網絡管理、智能終端管理、傳感器數據監測等系統，實現多系統融合統一、互聯互通，通過授權可在集團公司網絡環境下任何一臺電腦上安裝使用，實現集團/基層多級的分級調度管理[6-7]。

3.2 物聯網綜合基站

通過對比Wi-Fi、4G/5G等無線通信技術，Wi-Fi設備具備價格低、協議通用性強、升級費用低的特點，結合淮北礦區井下地質條件復雜以及巷道距離短、截面小、拐彎多的特點，系統選用Wi-Fi技術實現井下無線覆蓋，通過對三極化基站天線的研究設計和協議的優化設計，一是解決復雜工礦環境下Wi-Fi無線傳輸距離短、穩定性不足的問題(單基站無線信號覆蓋半徑最大可達到200 m)；二是實現數據傳輸跨基站無線漫游等功能，避免移動用戶在不同的基站之間切換時，造成網絡通信中斷的情況；三是實現Wi-Fi數據終端用戶并發接入及傳輸，單基站接入數據終端用戶最大可達64個，帶寬最大150 M，定位終端不低于1 024個；四是采用低功耗、本安化的集成設計，實現多功能高度集成，具備有線以太環網、Wi-Fi、CAN、RS485、I/O等多種功能及接口[8-9]。

3.3 井下單兵智能裝備

智能礦燈在硬件上集成Wi-Fi、藍牙、麥克、喇叭、快捷鍵，功能上支持“軟件定義”，能夠根據實際應用及時調整。智能礦燈結合井下無線網絡，實現音視頻實時通話、拍照、錄像、定位等功能。

(1)定位功能。與Wi-Fi基站聯合定位，將檢測的Wi-Fi基站的信號強度和數據到達時間等信息傳輸到定位服務器進行精確定位計算。

(2)群組對講。將井下人員分成若干組，同一組內的人員能夠利用智能礦燈進行對講，地面調度臺能夠動態變更人員分組。分組對講分為有主對講和無主對講這2模式，有主對講是井下網絡與調度服務器在正常連接的情況下，地面人員通過手機、調度電話等直接撥打群組號碼，參與群組對講，方便工作指示和指導；在井下網絡與服務器連接中斷情況下，系統自動轉入無主對講模式，在局部網絡覆蓋范圍內，按下礦燈對講鍵可發起組內對講，無主對講功能既增加了對講的可靠性，也增加了靈活性，特別是能夠適應臨時工作場所的對講溝通。

(3)Sip通話。智能礦燈具備一鍵呼叫調度功能，通過調度接聽、轉接等功能，可實現井下人員與其他人員的聯絡；Sip通話需在調度服務器(Sip服務器)參與下實現，調度服務器設計為軟交換服務器，通過在已注冊的Sip終端之間建立軟會話連接，實現終端之間的通話；同時，調度服務器通過E1數字中繼器與程控交換機進行對接，實現有線電話、手機、應急廣播等與智能礦燈互聯互通。

(4)拍照上傳。智能礦燈支持一鍵拍照，照片本地存儲，有網絡時自動上傳到數據服務器，并且支持斷點續傳。

(5)錄像上傳。智能礦燈支持一鍵錄像，錄像時間支持軟件設定，錄像文件本地存儲，有網絡時自動上傳到數據服務器，并且支持斷點續傳。

(6)語音廣播。智能礦燈收到調度發來的語音或預案語音時，能夠直接播報，實現通知快速傳達，達到高效應急聯絡的目的。

(7)遠程操作。一是地面調度能夠隨時控制井下智能礦燈進行錄音、錄像，實時了解現場情況，有效解決井下人員無回應情況；二是通過軟件定義智能礦燈功能，滿足不同崗位、不同區域、不同人群應用需求。

(8)藍牙傳輸。主要用于連接藍牙外設，能夠用于連接具有藍牙功能的甲烷檢測報警儀、藍牙智能手環等，智能礦燈同時可以建立多連接，連接多個藍牙設備，采用分時請求數據的模式，實現藍牙設備的數據采集、中繼傳輸。

(9)休眠與喚醒。智能礦燈在打開狀態下，若長時間沒有操作指令，設備自動進入休眠狀態，僅保留照明、Wi-Fi定位及接收信息功能，減小功耗；在休眠狀態下按任意按鍵一次，設備立即被喚醒。

4 關鍵技術及其創新

4.1 關鍵技術

4.1.1 Wi-Fi定位模式與算法設計[10]

通過深入研究Wi-Fi底層傳輸協議(802.11x)，利用Wi-Fi探針、信號處理等技術，通過Wi-Fi底層傳輸協議中的信號強度(RSSI)、數據傳輸時間(ToF)信息，開發完善Wi-Fi定位算法，實現人員連續定位。

Wi-Fi探針是基于Wi-Fi探測技術識別附近已開啟的Wi-Fi設備。移動終端接入Wi-Fi網絡時，發出數據幀(Frame)，其中包含探針數據包(Probe request)，數據包中具有該終端之前接入過的SSID名稱以及終端的MAC地址信息，Wi-Fi探針截獲數據幀后，分析探針數據中的MAC層和物理層信息。

接收信號強度指示RSSI(Receive Signal Strength Indicator)是指已知發射節點信號功率，通過檢測接收節點的接收功率以及信號強度，計算得到被測目標與基站間的距離，結合信息傳播造成的損耗，經過信號傳播衰減模型計算得到節點間的距離，確定被測目標位置。

由于井下巷道尺寸、粗糙度、側壁傾斜度以及四周材料的介電常數不同，電波在巷道傳播特性較為復雜，定位精度較差，且存在位置跳變現象，需研究建立基于其它定位原理的數學模型配合，提高定位精度，實現人員連續定位；通過對基于信號到達時間(TOA)、時間差(TDOA)以及卡爾曼濾波、高斯濾波、小波濾波等算法的多次試驗比對，利用卡爾曼濾波和基于信號到達時間差(TDOA)算法配合RSSI算法效果較好，對時間的誤差要求較小，定位穩定。

信號到達時間差算法是通過測量不同基站接收被測目標所發信號的時間差或同一基站接收同一被測目標所發不同速度信號的時間差，計算各基站與被測目標距離。

結合以上技術，Wi-Fi基站不斷地掃描探測信號覆蓋范圍內的Wi-Fi終端，實現終端探測，類似RFID區域定位；利用Wi-Fi基站的探測特性快速探測Wi-Fi終端，通過RSSI算法、卡爾曼濾波、TDOA算法進行距離計算，實現人員的連續定位，達到通信與定位融合，簡化井下設備配置，降低系統復雜度。

4.1.2 智能裝備模具以及通信部件的設計

為了提高作業人員工具集成度，保障智能化裝備在煤礦井下得到更好的管理和應用，突破礦燈傳統設計思路，將智能芯片、喇叭、麥克、按鍵、攝像頭等部件集成至礦燈燈頭部位，利用三維機械建模，經過多次設計、打磨、完善，研制出智能礦燈燈頭模具，實現部件的高度集成，同時滿足防水、防塵、抗撞擊要求；通過元件選型、本安電路設計、測試，研發出能夠安裝在礦燈內部的集成電路，集成ARM9處理器，具有穩定強勁的無線信號、CODEC語音編解碼、MIC接口、音頻輸出功放電路等功能，同時滿足ia級本安、抗電壓波動以及低功耗要求，實現礦燈部件高度集成、低功耗、本安，為智能礦燈的成功研制打下基礎。

4.1.3 IP語音通話以及回音抑制與降噪技術

利用標準的SIP音視頻通信協議，開發調度融合通信平臺，實現智能礦燈、本安智能手機、應急廣播等設備音視頻互通，提高調度效率和礦井安全管理水平；利用回音抑制、降噪技術，優化語音通信算法，加強回音抑制，有效解決因麥克、喇叭相距較近，易產生嘯叫的問題，實現調度臺與礦燈音視頻全雙工對講，做到距礦燈0.5 m處，喇叭播放聲音80 db，且系統無嘯叫，同時根據井下不同地點噪音，系統能夠自動調整，降低底噪。

4.1.4 實時視頻編解碼、碼率幀率自適應網絡技術

為了保證視頻圖像在低速率的無線信道上穩定傳輸且視覺質量不降低，利用實時視頻編解碼、碼率幀率自適應技術，優化底層算法，根據井下應用環境的實際情況，通過模擬算法對網絡帶寬進行估算。根據估算帶寬對實時視頻編解碼、碼率幀率進行動態調整，使實際的編碼輸出速率與信道速率相匹配，最大限度地利用網絡帶寬，獲得盡可能高的重建視頻圖像質量。

井下單兵智能裝備能夠實現根據網絡情況對實時視頻編解碼、碼率幀率進行處理，在網絡狀況一般時，維持常用的的狀況，不做特殊復雜的處理；網絡狀況不好時，采用降低碼率方案，如降低源頭幀率、降低目標分辨率、降低幅度，根據網絡狀況決定，確定是否采用連續階梯降碼率。

4.1.5 網絡漫游技術

為了避免智能裝備在不同AP(無線訪問接入點)之間切換時通信中斷，利用信號掃描、滑動濾波技術，實現智能礦燈自動判斷各基站信號強度，開發網絡漫游算法，實現自動快速切換基站，保障在跨基站移動中數據通信不中斷，實現方式為：假設終端STA連接在AP1基站上，能同時檢測到AP1的RSSI1和AP2基站的RSSI2。當RSSI1≥-70 db時，保持連接在AP1基站；當RSSI1<-70 db時，檢測AP2的信號強度，當RSSI2<-60 db時，仍連接在AP1基站上，當RSSI2≥-60 db時，立刻連接AP2，同時斷開AP1。

4.1.6 節電技術

在智能礦燈工作時，為了提高設備的電池使用效率，通過軟件算法判斷，在智能裝備“空閑”或者“非滿負荷”時，控制智能礦燈進入休眠狀態，同時具備隨時喚醒功能，最大限度地降低設備功耗，滿足煤礦井下對礦燈使用時長的需求。

4.2 創新點

(1)復雜工礦條件下高可靠無線傳輸?；幢钡V區井下巷道大多距離短、截面小、設備多，工礦環境復雜，在無線物聯網應用過程中會發生多徑效應及電磁噪聲干擾等問題，本項目通過對三極化基站天線的研究設計，解決復雜工礦環境下Wi-Fi無線傳輸距離短、穩定性不足的問題，并實現數據傳輸跨基站無線漫游等功能。

(2)小型化、多功能、實用性裝備設計。一是采用低功耗、本安化的集成設計，將有線以太環網、Wi-Fi、CAN、RS485、I/O等硬件設備集成至小型化礦用本安型基站中，打通井下各系統數據接入通道“最后一米”；二是在不改變礦燈產品形態的基礎上，集成超低功耗智能處理芯片、攝像頭、通話裝置等模塊，在礦燈上實現音視頻通信、人員定位、語音報警等功能，并通過藍牙模塊為瓦檢儀、智能手環等裝備提供數據傳輸通道，實現“一機多能”。

(3)多種算法及協議深度優化設計。一是實現Wi-Fi數據終端用戶并發接入及傳輸；二是實現基于Wi-Fi協議的連續、精準人員定位；三是在井下惡劣環境下實現低帶寬、高質量、穩定的IP音視頻通話。

(4)通用、融合、共享的平臺開發。一是實現在一個平臺上對語音調度、定位、通信、應急廣播等多個系統一體化調度管理；二是無需專用調度臺，實現局/礦兩級分級調度管理。

5 應用效果

2020年12月，該研究成果在淮北礦業集團信湖礦、袁店一礦全面應用，通過在井下部署無線綜合基站、開發融合通信平臺以及研制智能礦燈、智能手機等智能裝備，取得了一定成效。

5.1 社會效益

(1)該項目研究是煤炭行業主動應用信息化先進技術的具體表現，符合國家提出的數字化發展創新理念，具有很高的示范價值，為煤礦智能化建設提供一些可借鑒經驗。

(2)融合平臺及智能終端的開發應用，顯著提高調度指揮及應急救援能力，不僅能夠提升井下人員安全防護水平，而且拓展了安全監管的渠道和范圍，提高安全生產保障能力。

(3)該研究成果成功應用后，規范井下網絡結構，打通煤礦井下數據通信“最后一米”，提升礦井生產調度管理效率和水平，提高生產效率，技術人員能夠遠程指導現場職工排除設備故障，提升職工協同工作能力，為智能化礦山建設提供堅實的基礎。

5.2 經濟效益

(1)提高工作效率產生效益。項目應用提高調度指揮效率，增強井下職工協同工作能力，部分系統實現無人值守。該研究成果應用期間，累計減少人力成本共計200萬元。

(2)節約成本。項目實現煤礦井下“有線+無線”網絡覆蓋，提供統一的數據傳輸通道，避免各系統通訊網絡重復建設，節約系統建設費用及維護成本；融合調度平臺的應用，避免開發人員定位、調度管理等多系統的建設投資；該研究成果節約投資成本共計320萬元。