基于5G 技術(shù)的煤礦井下水文參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

趙 亮，陳繼福，許 麗，趙慶珍

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西 大同 037003；3.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037003；4.山西能源學(xué)院，山西 太原 030600）

1 煤礦井下水文參數(shù)監(jiān)測的現(xiàn)狀

礦井水害作為煤礦五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。對于礦井水害的防治與研究，取決于對煤礦井下水文地質(zhì)條件的全面了解和掌握，通過礦井水文參數(shù)監(jiān)測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)階段煤礦井下水文參數(shù)的監(jiān)測主要是基于單個微型計(jì)算機(jī)的煤礦水情監(jiān)測系統(tǒng)、基于集散控制系統(tǒng)（DCS） 的煤礦水情監(jiān)測系統(tǒng)和基于CAN 總線技術(shù)的煤礦水情監(jiān)測系統(tǒng)，基于5G 技術(shù)的煤礦井下水文地質(zhì)參數(shù)實(shí)時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)也得到了初步的運(yùn)用。

單個微型計(jì)算機(jī)的煤礦水情監(jiān)測系統(tǒng)存在著諸多不足，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)傳輸速度慢，技術(shù)條件有欠缺，實(shí)時性、穩(wěn)定性及觀測區(qū)域范圍受到很大的限制，投資大，誤差也大，不能對多個水文測點(diǎn)進(jìn)行多參數(shù)同步跟蹤、動態(tài)監(jiān)測，效果不甚理想[3-4]。

基于集散控制系統(tǒng)（DCS） 的煤礦水情監(jiān)控系統(tǒng)存在兩個大的問題，即控制功能不集中和操作管理太分散[5-9]。原因在于不同的制造商生產(chǎn)的DCS系統(tǒng)的通信方法有差異，建立網(wǎng)絡(luò)連接時，在DCS和DCS 系統(tǒng)、DCS 和頂級Internet/Intranet 網(wǎng)絡(luò)之間難以實(shí)現(xiàn)信息交換。整合信息的能力不強(qiáng)，CIMS 系統(tǒng)不能滿足以下數(shù)據(jù)的要求。可靠性不易持續(xù)，并且很難執(zhí)行參數(shù)化功能，比如設(shè)置遠(yuǎn)程參數(shù)和更改現(xiàn)場設(shè)備，這必然會影響到系統(tǒng)維護(hù)。

由于基于CAN 總線技術(shù)的煤礦控制系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不一致，因此CAN 總線中常常出現(xiàn)最后一位錯誤[10-14]。CAN 總線節(jié)點(diǎn)有3 種不同狀態(tài)，即主動故障、被動故障和總線關(guān)閉，這3 種狀態(tài)在某些條件下有可能出現(xiàn)一些不可預(yù)知的現(xiàn)象，并且變得相互關(guān)聯(lián)。節(jié)點(diǎn)被發(fā)送到不同的狀態(tài)下，延遲也會不同。如果信道中發(fā)生擁塞，由于受別的方面原因或是受干擾，該節(jié)點(diǎn)可能會產(chǎn)生故障，導(dǎo)致永久或暫時失效，從而使得CAN 收發(fā)器接收到故障主機(jī)指示時，會接連不斷地發(fā)送消息，這被稱為Babbling ldiot 錯誤。

而5G 控制系統(tǒng)具有超大帶寬、超低時延技術(shù)、高可靠性和準(zhǔn)確性、施工與維護(hù)方便的特點(diǎn)，相較于其它的監(jiān)測系統(tǒng)，有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，是智慧礦山建設(shè)不可或缺的重要設(shè)備，為創(chuàng)建一個新的煤礦井下水文參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，保障煤礦井下的安全生產(chǎn)，降低礦井水害威脅開辟了新的途徑。

2 總體方案

5G 作為第五代移動通信技術(shù)，具有比4G 更高的效率、更短的等待時間和更大的連接等技術(shù)特征[15]，能夠滿足20 Gbps 的訪問速度。5G 技術(shù)設(shè)備的連接容量、超高的流量、連接數(shù)密度以及數(shù)百倍的網(wǎng)絡(luò)效率提高了對性能指標(biāo)的要求。

5G 技術(shù)的發(fā)展為智慧礦山的建設(shè)提供了有效的手段，在地下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的盡頭，傳統(tǒng)方式是敷設(shè)大量復(fù)雜的通信線纜，而通過5G 無線傳輸，可以減少設(shè)備的通信電纜鋪設(shè)、維護(hù)和維修通信電纜的工作量[16-20]。

本系統(tǒng)監(jiān)測的主要水文參數(shù)為水質(zhì)、水位、水壓、水量和水溫等，可根據(jù)煤礦井下水文地質(zhì)條件的變化增減相應(yīng)的傳感器。5G 網(wǎng)絡(luò)連接相關(guān)線路均采用一主一備的連接方式，提高網(wǎng)絡(luò)抗災(zāi)性，考慮到煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特性，一主一備的連接線路可以更好的實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)那袚Q，最大程度保障井下網(wǎng)絡(luò)通信能力。通過各種有關(guān)水文地質(zhì)傳感器測得模擬數(shù)據(jù)，并將測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過無線傳輸給井下5G 基站，再由井下無線傳輸?shù)降孛婊荆孛婊緜魉徒o管理平臺和數(shù)據(jù)中心時，電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將這些數(shù)字信號以圖和表等形式的可視化數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來。系統(tǒng)通過對這些數(shù)據(jù)分析和處理，把有可能出現(xiàn)風(fēng)險和故障的數(shù)據(jù)反饋到井下傳感器，并發(fā)起警報(bào)，以提醒井下人員注意作業(yè)安全。基于5G 技術(shù)的煤礦井下水文地質(zhì)參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 煤礦井下水文地質(zhì)參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Network topology of real-time monitoring system for hydrogeological parameters in coal mine

3 監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)處理

該系統(tǒng)軟件使用Oracle 作為管理后臺數(shù)據(jù)的平臺，其優(yōu)點(diǎn)是：可移植性好、實(shí)用性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，適用于大、中、小、微不同類型的計(jì)算機(jī)環(huán)境，是一種可靠、高效的數(shù)據(jù)庫方案。該系統(tǒng)針對分布式數(shù)據(jù)庫，采用了B/S 或C/S 體系結(jié)構(gòu)，提供了系列相關(guān)軟件產(chǎn)品。作為一種具有分布式處理功能的數(shù)據(jù)庫，只要具備了Oracle 的模型知識，便可在不同類型的機(jī)器上來使用它。

Oracle 使用并行服務(wù)器模型。Oracle 在對稱多處理器處理過程中的性能非常好，因?yàn)樗茉趯ΨQ多CPU 中進(jìn)行并行處理。Oracle 使用基于服務(wù)器的自動2PC（兩階段提交） 進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和分發(fā)[21]。Oracle 邏輯結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Oracle 邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Oracle logic structure

數(shù)據(jù)中心采用數(shù)據(jù)處理軟件對各個傳感器進(jìn)行監(jiān)測并傳輸，對異常數(shù)據(jù)采用跟蹤監(jiān)測，系統(tǒng)可設(shè)置閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，發(fā)出預(yù)警信號。也可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢檢索并統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)據(jù)模擬技術(shù)分析，能夠形象、直觀、全面地顯示被測物理量狀態(tài)。系統(tǒng)可以根據(jù)相應(yīng)的物理量數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分析，為礦井水害防治工作提供決策依據(jù)。

3.2 信息傳輸

煤礦井下5G 基站主要功能是為井下5G 無線信號提供覆蓋，由基帶控制（BBU）、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)匯聚（RHUB） 和微型射頻拉遠(yuǎn)（pRRU） 3 個單元構(gòu)成。其中，基帶控制單元（BBU） 的主要功能是完成基本信號范圍的處理，提供傳輸管理和接口，管理無線資源。遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)匯聚單元（RHUB） 是將收到的數(shù)據(jù)雙向傳輸。微型射頻拉遠(yuǎn)單元（pRRU）是將接收到的傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理傳給RHUB。受煤礦井下條件所限，井下5G 基站小，可以掛在煤壁上，基站上有2 個天線，接收信號和發(fā)送信號，基站的接收信號有限，基站的放置應(yīng)在它能接收信號不發(fā)生中斷的地方。通過5G 基站發(fā)送無線信號和各種傳感器設(shè)備相連。5G 無線架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 5G無線架構(gòu)Fig.3 5G wireless architecture

基帶控制單元（BBU） 的功能原理：無線電信號經(jīng)過放大和處理后，到達(dá)饋送單元，之后到達(dá)分配單元，最后通過3D 饋送將其發(fā)送到覆蓋單元。覆蓋單元通過單片機(jī)自動調(diào)節(jié)內(nèi)部參數(shù)后，對覆蓋區(qū)域進(jìn)行無線資源管理。BBU 的工作原理如圖4所示。

圖4 pRRU內(nèi)部框架Fig.4 Internal framework of pRRU

微型射頻拉遠(yuǎn)單元（pRRU） 基本工作原理：調(diào)制基帶信號，濾波并放大到傳輸頻帶上，然后通過天線進(jìn)行傳輸。在接收到來自天線的射頻信號后，經(jīng)過濾波和放大，射頻信號被向下轉(zhuǎn)換，并發(fā)送到BBU 以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。pRRU 內(nèi)部框架如圖5 所示。

圖5 RHUB的工作原理Fig.5 Working principle of RHUB

遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)匯聚單元（RHUB） 的工作原理：作為信息獲取點(diǎn)，將接收的BBU 下行數(shù)據(jù)發(fā)送給各個pRRU，并且將上行數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)給每個BBU，集成的直流電源電路將被供電以提供pRRU。RHUB的工作原理如圖6 所示。

圖6 BBU的工作原理Fig.6 Working principle diagram of BBU

3.3 信息采集

煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)困難，潛在危險因素高。就礦井防治水而言，監(jiān)測水文參數(shù)的各類傳感器的廣泛使用，實(shí)時監(jiān)測水位、水壓、流量、水溫、水質(zhì)，為預(yù)測潛在水患風(fēng)險、爭取寶貴時間、進(jìn)行隱患排查與處理創(chuàng)造了條件。數(shù)的關(guān)鍵產(chǎn)品。

上述傳感器的開發(fā)和應(yīng)用基本滿足水文地質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的要求，但在使用壽命、校驗(yàn)周期和穩(wěn)定性方面，仍與用戶的要求有一定差距。由于傳感器還受礦井下的環(huán)境影響，可能會導(dǎo)致傳感器失靈，這就需要有專業(yè)人員能夠正常使用、維護(hù)所裝備的系統(tǒng)，不然就會因傳感器不調(diào)校而造成煤礦水文地質(zhì)參數(shù)監(jiān)測監(jiān)控水平下降，導(dǎo)致不必要的風(fēng)險。

綜上所述，在煤礦水情監(jiān)測控制系統(tǒng)中，應(yīng)選擇不同類型的水文地質(zhì)參數(shù)傳感器，這些傳感器應(yīng)具有很高的智能性，可以克服井下的不良環(huán)境，減少調(diào)校量，提高煤礦水文地質(zhì)安全監(jiān)測水平。

4 結(jié) 論

與采用其他的煤礦水情監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相比，基于5G 技術(shù)的煤礦水文地質(zhì)參數(shù)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1） 整個系統(tǒng)采用5G 結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，從井下到地面是通過基站無線傳輸，施工與維護(hù)比較方便。

（2） 提高了信號的可靠性和準(zhǔn)確性。有線傳輸出現(xiàn)衰減現(xiàn)象時，工作煩瑣，需要耗費(fèi)大量的資源，而無線傳輸不會發(fā)生衰減，信號穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)。

（3） 可擴(kuò)展性好。有線傳輸?shù)臄U(kuò)展較弱，出于某些原因，僅保留原始電纜的端口是不夠的，敷設(shè)電纜很麻煩，并且施工時間長，而無線傳輸擴(kuò)展性較強(qiáng)，只需加上發(fā)射設(shè)備和接受設(shè)備即可。

（4） 超大帶寬是5G 網(wǎng)絡(luò)中最基本的性能指標(biāo)，也是支撐海量傳感器等新技術(shù)的基礎(chǔ)，超低時延技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)控水文地質(zhì)條件變化，實(shí)時傳遞數(shù)據(jù)，保障井下安全。

面臨日趨嚴(yán)重的煤礦水害問題，基于5G 技術(shù)的煤礦井下水文參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對煤礦井下水文地質(zhì)條件動態(tài)實(shí)時監(jiān)控，系統(tǒng)自帶報(bào)警功能，在水文要素異常時有預(yù)警作用，降低了煤礦井下水患危害。實(shí)時傳輸、數(shù)據(jù)處理的配套系統(tǒng)還需要結(jié)合使用，讓傳感器監(jiān)測到的水文參數(shù)更加直觀、系統(tǒng)。與此同時，需要強(qiáng)化信息處理能力，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫智能分析功能，盡可能使礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)與其他監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合。