基于5G通信技術的礦井開采工作面環境監測系統

張辰宇

(國家能源集團烏海能源公司，內蒙古 烏海 016000)

礦井下綜合機械設備回采作業區域統稱開采工作面，在該區域內由不同型號的采煤機、煤炭運輸傳送設備、區域支護設備等組成[1-2]，該區域設備種類復雜且位于礦井下使其安全管控難度較大。煤炭在開采過程中往往存在坍塌、瓦斯泄漏、滲水等多種風險[3]，為規避煤炭開采過程中的風險，對其開采工作面環境監測意義重大。馬旭東等[4]從礦井坍塌角度設計了工作面支架姿態監測系統，該系統通過監測礦井工作面液壓支架形變數值和彎曲角度，判斷工作面坍塌風險，實現其狀態監測，但該系統應用角度不廣。賀耀宜等[5]設計了可融合性煤礦監控系統，該系統利用多傳感器采集礦井內部數據后，使用多源數據融合方法融合數據后，利用分析挖掘算法計算當前礦井開采工作面環境信息，達到監測目的，但該系統受礦井工作面環境信息維度影響，其分析挖掘結果不夠準確，導致其監測效果不佳。

5G通信技術是第五代通信技術[6]，該技術通信傳輸時的峰值速率最高可達到50 Gbit/s，在無線通信傳輸時空中接口延遲僅為1 ms，且其信號覆蓋能力較強。本文利用5G通信技術，設計基于5G通信技術的礦井開采工作面環境監測系統，以提升礦井開采工作面環境監測效果。

1 環境監測系統

1.1 系統總體結構

設計基于5G通信技術的礦井開采工作面環境監測系統總體結構如圖1所示。該環境監測系統將溫濕度傳感器、瓦斯濃度傳感器安置于礦井開采工作面內，同時在該開采工作面內設置若干個定位基站，以獲取傳感器、和監測位置數據和當前區域溫濕度、瓦斯濃度數據，然后利用5G無線通信網絡連接協調器將上述數據傳輸到交換機內，交換機將溫濕度、瓦斯濃度數據等數據進行過濾后，將其打包發送到服務器內。服務器負責存儲礦井開采工作面溫濕度、瓦斯濃度等數據并驅動工作面環境監測模型應用程序完成該工作面監測后，將監測結果傳輸到顯示器上呈現給用戶。

圖1 環境監測系統總體結構Fig.1 Overall structure of environmental monitoring system

1.2 5G無線通信組網架構設計

工作面內部環境復雜，因此在礦井開采工作面內數據傳輸使用5G無線通信方式。SDN網絡交互協議是5G組網的基礎，依據網絡交互協議方可實現數據之間的通信傳輸[7-8]。SDN網絡交互協議的5G組網架構如圖2所示。在5G無線通信組網架構中，由接入云、分布式核心局域云和集中式核心本地云構成，其中接入云由若干個接入點、交換機、路由器、本地疏導以及本地SDN控制器構成。在通信傳輸時，接入點通過路由器的無線端口將傳輸網幀發送給交換機，利用本地SDN控制器管理交換機網幀傳輸。本地疏導與另一臺接入路由器相連，其負責控制漫游狀態下的網絡接入點的網幀傳輸，此時網幀可不經過網關直接發送到與分布式核心局域云相連的交換機內。分布式核心局域云由若干個路由和分布式多媒體、移動式實體構成。路由器是該局域云的網關，負責對分布式多媒體和移動式實體通信傳輸進行疏導，分布式多媒體和移動式實體則負責管控局域網移動性能。分布式核心局域云主要架設在礦井開采工作面區域。集中式核心本地云假設在地面某一集中區域，由路由器本地服務器、移動式實體、無線接入網和分布式IP多媒體組成。其中移動式實體負責跟蹤區域列表，管理網絡節點傳輸，分布式IP多媒體負責將若干個IP多媒體流量集中控制，服務器負責存儲管理相關網絡通信協議、通信日志等。無線接入網負責整個區域的無線網絡覆蓋，以無線形式實現設備間的無線通信傳輸。

圖2 5G無線通信組網架構示意Fig.2 Schematic diagram of 5G wireless communication networking architecture

1.3 供電電源設計

供電電源是安裝在礦井開采工作面區域內，其負責為傳感器、定位基站和路由器提供穩定電源，是保障傳感器采集礦井開采工作面環境數據的基礎。為保障電源供電電壓穩定且小巧便捷[9-11]，以5 V鋰電池作為供電電源，其連接SPX3819M5穩壓芯片后，利用壓力轉換器將5 V電壓轉換為3.3 V持續為傳感器和定位基站。供電電源電路圖如圖3所示。將5 V鋰電池輸出端與SPX3819M5穩壓芯片的輸入端相連，并在其旁路設置2組電容，電容數值分別設置0.1 μF，同時將旁路與SPX3819M5穩壓芯片的公共端相連。5 V鋰電池輸出的電流經過SPX3819M5穩壓芯片輸入端和公共端后，由輸出端輸出穩定3.3 V電流。

圖3 供電電源電路Fig.3 Power supply circuit diagram

1.4 傳感器選取

傳感器是采集礦井開采工作面環境信息設備。溫濕度傳感器型號為MX-WD-07G，該型號溫濕度傳感器可接入電流和溫濕度測量元件和信號輸出元件完全分離[12-13]，具備較強的抗震效果和通信傳輸安全性，其熱感和濕感較為靈敏，容易安裝的同時斷電使用時間較長。瓦斯傳感器型號為低濃度GJ4型，該型號瓦斯傳感器輸出瓦斯濃度信號變化量不高于0.04%，其采集礦井開采工作面環境內瓦斯濃度精度極高，且其具備二極管聲光報警裝置，可人為設置其超限閾值[14]，當礦井開采工作面內瓦斯濃度較高時，則自動觸發報警裝置。依據礦井開采工作面區域大小，在不同位置分別安置若干個溫濕度傳感器和瓦斯傳感器，以5G無線通信形式將傳感器傳輸芯片與地面服務器內置芯片相連后，利用A/D轉換器將溫濕度傳感器輸出信號轉換為二進制數值型離散信號[15]，傳送到服務器管理芯片內。而瓦斯傳感器則可將氣體濃度物理量轉換為電信號，傳送到服務器管理芯片內，至此完成礦井開采工作面環境數據采集。

1.5 系統監測軟件設計

礦井開采工作面環境監測軟件是人機交互的核心，在此使用VB(Visual Basic)編程開發工具編寫系統應用程序。VB編程語言自有圖形用戶界面(GUI)且可利用DAO、RDO、ADO等控件創建數據庫連接，是目前應用最廣泛的編程語言[16-17]。利用SQLite3數據庫開發程序建立數據存儲倉庫，通過調取數據存儲倉庫內的傳感器采集的礦井開采工作面環境數據，實現實時監測。利用上述工具，設計礦井開采工作面環境監測軟件結構，如圖4所示。礦井開采工作面環境監測軟件結構具有查詢功能和監測功能，查詢功能主要負責查詢工作面環境相關歷史數據、實時數據查詢、告警記錄查詢，監測功能負責為用戶實時呈現瓦斯超標位置、濕度異常位置以及當前環境溫濕度和瓦斯濃度變化情況。

圖4 礦井開采工作面環境監測軟件結構示意Fig.4 Structure diagram of environmental monitoring software for coal mining face

1.6 工作面環境監測模型構建

工作面環境監測模型構建是礦井開采工作面環境監測系統的核心。由于傳感器采集到的工作面環境溫濕度數據和瓦斯濃度數據內的量綱特征不統一[18-19]，需對其預處理。使用MinMaxScaler函數將工作面環境溫濕度數據和瓦斯濃度數據縮放到區間0～1內，實現其量綱特征統一。然后將歸一化后的環境溫濕度數據和瓦斯濃度數據作為輸入，使用門控循環單元神經網絡監測模型實現礦井開采工作面環境監測。門控循環單元神經網絡監測模型運行流程如圖5所示。工作面環境監測模型的輸入層接收到歸一化后的工作面環境數據后，該數據進行初步劃分，然后將其輸入到隱含層內，隱含層利用Adam一階優化算法優化工作面環境監測模型參數后，使用統計算法計算工作面環境監測模型Loss值，當該值符合條件后，利用PSO(粒子群)算法獲取隱含層迭代全局最優解。然后將其輸入到輸出層內。輸出層對全局最優解進行數據逆變換后，輸出當前礦井開采工作面環境監測結果。將上述工作面環境監測模型以自編程形式寫入到服務器控制芯片內，通過服務器驅動程序啟動工作面環境監測模型代碼后，即可實現工作面環境監測。

圖5 工作面環境監測模型流程Fig.5 Flow of working face environmental monitoring model

2 實例分析

以某煤礦礦井開采工作面為實驗對象，工作面面積為38.24萬km2，地質構造為斜向，區域煤層較厚，瓦斯含量相對較高。該工作面長度約為1 823 m，寬度約為155 m。使用Matlab仿真軟件搭建該礦井開采工作面環境，使用本文系統對其環境展開監測。系統運行環境為酷睿i5內核，主頻為3.1 GHz，運行內存為4 GB。

2.1 系統壓力測試

由于煤礦礦井開采工作面范圍較大，本文系統面臨多開情況。模擬多個用戶同時訪問系統情況，并以系統啟動反應時間為指標，設置其反應時間不得高于1.5 s。測試結果如圖6所示。分析圖6可知，本文系統啟動反應時間隨著訪問用戶人數的增加而增加。在訪問用戶人數為250人之前時，其反應時間增加趨勢極為緩慢，當訪問用戶人數超過250人后，其反應時間增加幅度加大。在訪問用戶人數為500人時，本文系統反應時間為900 ms左右，該數值較1.5 s低600 ms左右。該結果說明本文方法在訪問用戶人數較多時反應時間較為迅速，系統抗壓力性能較強。

圖6 系統壓力測試結果Fig.6 Test results of system pressure

2.2 可靠性測試

以Loss值作為衡量本文系統監測礦井開采工作面環境可靠性指標，測試在不同環境數據樣本情況下，本文系統監測礦井開采工作面時的Loss值，結果如圖7所示。分析圖7可知，本文系統在監測礦井開采工作面環境時的Loss值與環境數據量成正比例關系，在數據量為8 000個時，本文系統監測礦井開采工作面環境時的Loss值為0.17左右，其說明本文方法監測礦井開采工作面環境精度高達0.983。綜上結果，本文系統監測礦井開采工作面環境精度較高，具備良好的可靠性。

圖7 系統可靠性測試結果Fig.7 Test results of system reliability

2.3 5G無線通信測試

測試本文無線通信功能，以信息通信發射功率為指標，測試在不同通訊距離情況下本系統發送數據包丟失情況，數據包發送量為2 000，結果見表1。分析表1可知，本文系統架設的5G無線通信距離越遠，其數據包接收與發送數量之間的差值越大。其中在通信距離為100 m之前時，本文系統數據包發送量和接收量完全相同，其數據包丟失率為0。當通信距離超過100 m后，本文系統數據包發送量和接收量之間開始出現差值，且差值呈現增加趨勢。在通信距離為200 m時，本文系統數據包發送量與接收量之間差值為9個，其數據包丟失率僅為0.45%。上述結果表明，本文系統具備較強的數據通信能力，且數據在傳輸過程中丟包率較低，數據通信安全性較好。

表1 5G無線通信測試結果Tab.1 Test results of 5G wireless communication

2.4 環境監測能力測試

以礦井開采工作面環境溫度為測量指標，使用本文系統對其展開監測，監測結果如圖8所示。

圖8 礦井開采工作面環境溫度監測結果Fig.8 Monitoring results of ambient temperature of mining face

分析圖8可知，在本文系統環境溫度監測界面內可為用戶呈現當前溫度幅值變化情況，且有溫度計量表顯示當前環境溫度，從溫度監測列表內也可看出當前溫濕度傳感器數量和編號以及該傳感器采集的礦井開采工作面環境溫度數值和時間。也可在該溫度監測界面內查看傳感器配置，返回主頁面和查詢溫度監測歷史信息等。綜上所述，本文系統不僅可有效監測礦井開采工作面環境溫度，且其監測界面內功能較全面，可為用戶充分呈現當前礦井開采工作面環境溫度情況，具備較好的應用性。

3 結論

本文設計了基于5G通信技術的礦井開采工作面環境監測系統，并以某礦井開采工作面為實驗對象，應用本系統對其環境進行了監測。從實驗結果可得知：本文系統在運行過程中具備良好的抗壓性和無線通信能力，且其監測結果精度較高，可有效監測礦井開采工作面環境溫度，為用戶呈現不同傳感器采集的溫度數據和時間。