煤礦井下4G+5G融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及應(yīng)用研究

孫長春

（北京華電力拓能源科技有限公司，北京 100035）

自20世紀80年代起，我國煤礦行業(yè)先后研制并應(yīng)用了相應(yīng)的通信系統(tǒng)。隨著通信技術(shù)的快速崛起，煤礦井下行業(yè)備受一定條件的制約，致使煤礦井下事業(yè)無法得到快速的發(fā)展，針對這些要求，研究科研人員和通信公司經(jīng)過堅持不懈的努力和探索，先后對煤礦井下研制出Wi-Fi、4G、5G等先進的技術(shù)，成為近年來煤礦井下行業(yè)的首選，其性能滿足井下行業(yè)的需求。然而，煤礦行業(yè)對于先進通信技術(shù)的要求非常嚴格和苛刻。因此，通信技術(shù)要通過分期建設(shè)，實現(xiàn)煤礦井下網(wǎng)絡(luò)上下行寬帶比例的分配，不斷滿足井下工作對網(wǎng)絡(luò)的需求。充分將5G技術(shù)應(yīng)用在礦井下的方方面面，進一步增強礦井工作的環(huán)境的安全性和穩(wěn)定性，最大程度地實現(xiàn)井下傳感器的無線使用，解決傳統(tǒng)技術(shù)中存在的缺點和不足，提高整個煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和拓展性。

1 建設(shè)智能化煤礦總構(gòu)架的要求

“高效、綠色、安全”是實現(xiàn)煤礦智能化的總目標，將先進智能化的技術(shù)手段運用在煤礦建設(shè)中，例如以移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等將煤礦建設(shè)過程中的信息資料全面整合，實現(xiàn)無人監(jiān)控等信息全面融合和感知，有效地預(yù)測和控制智能系統(tǒng)的流轉(zhuǎn)。實現(xiàn)煤礦井下生產(chǎn)需要的高效運作。通過先機的科學技術(shù)手段，讓企業(yè)和相關(guān)部門對礦井下的環(huán)境、施工等情況可以更加準確、全面地獲取到實時信息，及時解決問題；運用先機的技術(shù)手段實現(xiàn)人和物之間的信息交換和縱橫向互通。目前，我國煤礦行業(yè)正處于智能化建設(shè)的階段，是從單一系統(tǒng)到多個系統(tǒng)的過渡階段，讓工作環(huán)節(jié)智能化是煤礦工作的重點。目前，煤礦行業(yè)的重中之重就是將挖、運和通等方面實現(xiàn)全面智能化，構(gòu)建智能化煤礦行業(yè)的總體建設(shè)框架以及打造國際領(lǐng)先的煤礦技術(shù)，是擺在我國煤礦建設(shè)的首要目標[1]。

2 煤礦井下4G+5G建設(shè)的目標

煤礦智能化的主要建設(shè)目標就是打造煤礦井下4G+5G高科技的應(yīng)用，采煤工作實現(xiàn)智能化，相關(guān)的先進設(shè)備和技術(shù)能夠?qū)氯S空間實現(xiàn)高度的位置精準定位和監(jiān)測，能夠?qū)鲁霈F(xiàn)的故障做出診斷并自動矯正，通過遠程控制，實現(xiàn)集所有流程于一體。煤礦巷道的安全掘進，需要具備精準定位與自動導(dǎo)航等其他功能，實現(xiàn)多程序相互協(xié)同等核心技術(shù)與功能的同步使用，保證礦井下工作的有效完成。4G+5G技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)煤礦井下主導(dǎo)運輸和輔導(dǎo)運輸智能化的前提和基礎(chǔ)，在運輸過程中可利用先進的智能技術(shù)調(diào)整工作狀態(tài)，并實現(xiàn)無人看守等功能，使煤礦井下運用高度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，實現(xiàn)物資的實時調(diào)度功能并及時地傳輸給礦井下的工作人員，體現(xiàn)標準化和自動化的物質(zhì)運輸技術(shù)。礦井下的智能通風系統(tǒng)可以在線觀測到通風機的運行參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和查詢，加強井下風機的調(diào)速和運轉(zhuǎn)功能，保障井下工作的正常開展和運行[2]。

3 4G+5G建設(shè)的總體構(gòu)架

按照煤礦建設(shè)的標準，應(yīng)構(gòu)建“四縱四橫”的智能化煤礦總體布局。“四橫”是指在煤礦智能化建設(shè)平臺中，實現(xiàn)智能化系統(tǒng)生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)和傳輸，將煤礦井下的系統(tǒng)和平臺通過智能化技術(shù)和設(shè)備有效協(xié)助起來，“四縱”是指智能建設(shè)的體系和機制始終貫穿在煤礦井下，使整個工作環(huán)境實現(xiàn)可靠安全的運轉(zhuǎn)體制，嚴謹規(guī)范的標準體系，實用的產(chǎn)學研用機制和統(tǒng)一的完備工作機制。

4 煤礦井下4G+5G融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)

4.1 4G+5G生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)

由于煤礦井下采挖技術(shù)的全面開展和生產(chǎn)任務(wù)重且過程復(fù)雜。由于井下工作環(huán)境惡劣，部分企業(yè)設(shè)備裝置相對落后，所以在自動化開采的基礎(chǔ)上，應(yīng)該對4G+5G技術(shù)實行進一步的推廣，要不斷創(chuàng)新和試驗智能化關(guān)鍵技術(shù)的運用和裝備的研究。在智能化挖掘方面，使用巷道超前臨時支護等功能，實現(xiàn)礦井下工作的多掘一錨，快速實現(xiàn)機械化掘進工作，主要實現(xiàn)“以集中遠控技術(shù)為輔，自動化機械操作為主”的工作模式探討和研究，從而實現(xiàn)挖掘工作自能化，減少人員成本，為煤礦井下快速高效的挖掘技術(shù)提供物質(zhì)基礎(chǔ)和保障[3]。4G+5G的主運輸，主要采用“全礦單軌和齒軌一體化”2種方案，確保煤礦工作的有序進行和生產(chǎn)，這2種方案以逐步推進和保證生產(chǎn)為重點，分階段實現(xiàn)礦井下的智能改造。加速實現(xiàn)從地面工業(yè)操作到井下無人操作的智能轉(zhuǎn)變，初步實現(xiàn)減少人員，保證運輸成本和運輸質(zhì)量，盡早實現(xiàn)一站式的運輸化服務(wù)。與此同時，還可以將運輸機車不斷地進行改造以實現(xiàn)電氣化升級及智能運輸化的升級，從而使無人操作早日實現(xiàn)。在煤礦井下挖掘技術(shù)的不斷發(fā)現(xiàn)和進步，越來越多的企業(yè)使用煤礦特種機器人，為井下施工人員配置巡檢機器人，水泵巡檢機器人以及變電所機器人的投入使用，實現(xiàn)井下工作的智能化，機器人代替工人，減少了工作人數(shù)，節(jié)約人員成本，保證了人身安全，提高了工作質(zhì)量和工作效率。

4.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

目前，我國煤礦行業(yè)在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面還存在著缺點和不足，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量小、覆蓋面不全和傳輸率低等特點，在建設(shè)井上和井下全面高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋等工作時，應(yīng)該結(jié)合4G+5G的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、Wi-Fi和專業(yè)數(shù)學群集等技術(shù)的有效結(jié)合，綜合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等手段，實現(xiàn)井下全區(qū)域覆蓋，全方位貫通，解決井下子系統(tǒng)相關(guān)信息的傳輸問題。在煤礦井下始終堅持“一張網(wǎng)”傳輸平臺的做法。井下光纖的建立是通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理，通過井下光纖的建立實現(xiàn)運營和生產(chǎn)各個區(qū)域的相互貫通，將礦井工作附近的工業(yè)場地，行政辦公室等實現(xiàn)全方位的統(tǒng)一和傳輸，鏈路設(shè)計采用千兆匯聚、萬兆骨干等實現(xiàn)井上Wi-Fi的全面覆蓋；解決子系統(tǒng)傳輸?shù)奈锢硗ǖ乐饕峭ㄟ^工業(yè)控制網(wǎng)，將礦井下的實時信息傳遞到礦井調(diào)度指揮中心，對礦井下的掘進、運輸和采煤等各環(huán)節(jié)系統(tǒng)進行實現(xiàn)有效的監(jiān)測，把生產(chǎn)信息、安全信息及設(shè)備的工作狀態(tài)實時傳遞到礦井生產(chǎn)安全調(diào)度中心，為礦井的安全高效運轉(zhuǎn)提供一個可靠的傳輸平臺。井下4G+5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的建設(shè)，對于煤礦開采起到了一定的幫助，施工人員可利用4G+5G技術(shù)實現(xiàn)無線寬帶專網(wǎng)通信平臺的建立，對礦井下的網(wǎng)絡(luò)通信有一定的保障，可以滿足實現(xiàn)企業(yè)對井下數(shù)據(jù)、語音和圖片等的有效轉(zhuǎn)換，控制多種實時傳輸?shù)囊螅撩爰壍木W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及每平方公里數(shù)十的流量密度，解決了企業(yè)對井下遠程監(jiān)測的要求，將無人駕駛齒軌車和智能掘進等工作發(fā)揮到極致，實現(xiàn)全網(wǎng)無線、有線調(diào)度功能的有效運轉(zhuǎn)，讓井下辦公盡早實現(xiàn)智能化的多媒體通信功能，并實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取能力和無障礙傳達能力[4]。

4.3 4G+5G平臺支撐建設(shè)

當今技術(shù)無法滿足井下對煤礦數(shù)據(jù)的處理功能和應(yīng)用支撐功能，因此要以煤礦云化大數(shù)據(jù)為建設(shè)中心，提供強大的云資源服務(wù)能力以及計算能力；構(gòu)建海量資源治理實現(xiàn)資源全網(wǎng)絡(luò)、全方位匯聚。為煤礦行業(yè)建立相應(yīng)的支撐平臺，實現(xiàn)全方位的統(tǒng)一。井下煤礦的開采應(yīng)該采用先進的設(shè)計理念和設(shè)計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)三維一體的信息化服務(wù)框架的構(gòu)架即“云—邊—端”，為煤礦工作提供有效的技術(shù)支持和決策支持，實現(xiàn)煤礦工作智能感知和智能交互。對運輸資源能力有效的掌控，實現(xiàn)運輸數(shù)據(jù)推理和分析智能化，及時地對管理站點和分支進行分配，實時響應(yīng)高效化、精準化的邊緣計算，對于井下的計算功能要實現(xiàn)數(shù)據(jù)精準化，減輕云端計算的壓力，將實時采集到的數(shù)據(jù)及時進行傳輸和運轉(zhuǎn)。企業(yè)應(yīng)建立煤礦應(yīng)用的服務(wù)支撐平臺，報表工具的組成是由三維GIS、智能網(wǎng)關(guān)、后端服務(wù)和設(shè)計協(xié)同等平臺組成，以此來實現(xiàn)煤礦各系統(tǒng)的全面統(tǒng)一。數(shù)據(jù)的接入標準和定義在煤礦各個系統(tǒng)是由智能網(wǎng)管決定的，“一張圖”展示主要是應(yīng)用于組態(tài)化平臺和安全信息綜合，這兩者的結(jié)合為礦井下的生產(chǎn)提供了強有力的基礎(chǔ)和保障[5]。所有感知來源于實時數(shù)據(jù)綜合服務(wù)對數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計并提供數(shù)據(jù)接口相關(guān)功能，并及時進行推送和訂閱，要想將內(nèi)框內(nèi)部之間的不同專業(yè)和科室進行打通就要運用設(shè)計協(xié)同平臺并加強合作，運用后端服務(wù)為上層應(yīng)用統(tǒng)一提供服務(wù)支撐，工作所需要的報表可通過BI等工具進行匯總。

4.4 4G+5G管控系統(tǒng)建設(shè)

4G+5G管控系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容為“1+5+1”等綜合門戶業(yè)務(wù)+5大區(qū)域業(yè)務(wù)+1個平臺管控。4G+5G分別是由感知監(jiān)測業(yè)務(wù)區(qū)域、綜合門戶區(qū)域、生產(chǎn)經(jīng)營業(yè)務(wù)區(qū)域和安全保障區(qū)域等組成。向用戶提供統(tǒng)一登陸口就是綜合門戶區(qū)域，便于用戶可以一站式訪問整個系統(tǒng)，方便用戶查詢。感知業(yè)務(wù)能力是對生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)測，不僅可以全方位掌握生產(chǎn)單位的生產(chǎn)情況，還可以有效避免違規(guī)操作；電子化、信息化是對整個礦井生產(chǎn)經(jīng)營管理過程進行及時管控，實現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營業(yè)務(wù)的區(qū)域化發(fā)展。不斷提升企業(yè)的管理水平，為領(lǐng)導(dǎo)提供有力的決策和方案，實現(xiàn)煤礦井下工作精細化管理。4G+5G可以及時地對煤礦井下安全態(tài)勢進行分析，對災(zāi)害風險進行有效的評估，降低安全隱患和事故的發(fā)生，保證礦井安全，提升了煤礦井下風險預(yù)估的能力及應(yīng)對能力。為生產(chǎn)過程中“機器、人員、環(huán)境、管理”的安全水平提供了保障。4G+5G為基礎(chǔ)的地理空間提供準確、實時的服務(wù)支撐，平臺將礦井下的安全狀況、生產(chǎn)狀況和資源狀況等各種信息及時進行對接并投入在煤礦應(yīng)用中，為安全生產(chǎn)提供了有力的保障，加強了礦井的綜合分析能力和應(yīng)急能力，從而為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供強有效的保證，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供有力的支撐。

5 煤礦通信網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)

5.1 實現(xiàn)安全的運輸保障體系

安全的防護體系和科學智能的運維管理體系對于煤礦井下工作來說是十分重要的，要實現(xiàn)對人員、設(shè)備和煤礦信息智能化的多層次、多維度安全防護，部署智能化的管理運用體系，建立健全通信網(wǎng)絡(luò)管理機制，以確保煤礦地下工作的高效，安全運行。要想實現(xiàn)煤礦井下工作的安全高效運行就要通過通信網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)協(xié)同管控中心進行自動決策，全面保障煤礦工作安全，并通過主動反饋信息，再對信息整合優(yōu)化。主要通過以下手段加強通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的建設(shè)：有效地保障人員安全、信息系統(tǒng)安全、機電設(shè)備安全、環(huán)境安全和管理安全等；與此同時，加強企業(yè)信息化安全規(guī)范建設(shè)和煤礦化標準企業(yè)建設(shè)，就要不斷優(yōu)化信息安全的保障工作，完善安全保障系統(tǒng)，確保信息和網(wǎng)絡(luò)安全。企業(yè)應(yīng)該加強對系統(tǒng)個體防護的探索和研究，為工作人員提供實時的參數(shù)，配備無線語音通話設(shè)備，并及時地對礦井下的工作狀態(tài)進行遠程監(jiān)控，及時應(yīng)用危險狀態(tài)逃生信息等功能，加強人員對自身安全的防護意識，提高企業(yè)的工作效率，促進企業(yè)經(jīng)濟效益的增長。企業(yè)應(yīng)該及時檢查智能化設(shè)備的運轉(zhuǎn)能力和功能使用，及時地為設(shè)備提供在線點檢、提高對損耗性部件的周期性更換、對設(shè)備的功能狀態(tài)實行實時性評估。降低對機器損害的自動制定能力及危險狀態(tài)下的報警功能。

5.2 統(tǒng)一完備的工作體制

企業(yè)應(yīng)該建立完善的運轉(zhuǎn)體制，各級部門應(yīng)該加強各部門之間工作的配合，協(xié)調(diào)聯(lián)動制度機制、項目關(guān)聯(lián)機制等，完善建設(shè)項目的全過程，不斷提升項目制度的管理，加強工作人員的考核體系，提高工作質(zhì)量和工作效率，促進智能化煤礦的形成。領(lǐng)導(dǎo)要加強對各部門工作的組織工作，建立系統(tǒng)的煤礦企業(yè)通信負責制并成立專門的負責小組，統(tǒng)籌建設(shè)煤礦智能化工作的有效開展；各部門之間應(yīng)該各司其職，充分發(fā)揮各部門的業(yè)務(wù)能力，在煤礦通信網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)中應(yīng)用發(fā)揮主體作用，做好對平臺基礎(chǔ)的建設(shè)，提高技術(shù)支持的保障。政府和企業(yè)應(yīng)該完善法律法規(guī)建設(shè)，建立健全企業(yè)的管理制度，為項目的組織機構(gòu)提供良好的建設(shè)，制定完備的項目計劃、加強對風險的預(yù)估能力和管控能力，保證整個工作流程都在管控范圍內(nèi)，對工程質(zhì)量進行嚴格的把關(guān)。加強對驗收成果的審查和監(jiān)測，強化第三方的評估能力。相關(guān)部門應(yīng)該制定嚴格的考核標準和考核體系，將綜合評價和工作績效正式納入考核范疇。實現(xiàn)評估機制常態(tài)化，各部門領(lǐng)導(dǎo)要加強對工作的指導(dǎo)和監(jiān)督，對重大事件要加大通報力度，不斷完善工作中的缺點和不足，不斷總結(jié)，不斷進步。

5.3 創(chuàng)新實用的產(chǎn)學研用機制

企業(yè)要想長遠的發(fā)展，就必須培養(yǎng)專業(yè)化的技術(shù)團隊并為煤礦建設(shè)打造專業(yè)型技術(shù)人才，加強對先進設(shè)備和技術(shù)的投資和使用，集成創(chuàng)新，加強融合，不斷完善企業(yè)的發(fā)展機制，充分調(diào)動社會各界人員的積極參與和發(fā)展，為我國煤礦事業(yè)增添自己的一份力量。企業(yè)應(yīng)該不斷加強技術(shù)整合能力，推進科研教學力量、為技術(shù)支撐提供強有力的保障，深化與國內(nèi)外知名高校的交流合作，要和科研院所及先進的信息技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)進行深度的探索，保持密切的聯(lián)系，形成長期穩(wěn)定的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)自身問題并彌補缺點和不足。企業(yè)應(yīng)該加強對先進技術(shù)的探索，實現(xiàn)全面智能化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并與煤礦網(wǎng)絡(luò)建設(shè)深度融合，開展新技術(shù)的研發(fā)，促進民軍企業(yè)的融合。與此同時，企業(yè)始終要把培養(yǎng)專業(yè)人才放在首要位置，不斷培養(yǎng)企業(yè)員工對設(shè)備的使用能力和數(shù)據(jù)的分析能力，加強員工的專業(yè)技術(shù)和素養(yǎng)，提高解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型和復(fù)合型人才，為我國煤礦技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展貢獻力量。對于技術(shù)方面的問題，企業(yè)應(yīng)該加強技術(shù)人員的能力培養(yǎng)，不斷挖掘和攻克相關(guān)技術(shù)的能力。與此同時，企業(yè)應(yīng)該與智能化信息技術(shù)不斷融合，營造創(chuàng)新氛圍，支持應(yīng)用成果的轉(zhuǎn)型。

6 結(jié)束語

礦井下4G+5G融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展意義深遠，前景廣闊。政府和企業(yè)應(yīng)該加強宣傳，推進高質(zhì)量煤炭行業(yè)的發(fā)展，不斷提升企業(yè)競爭力，為煤礦資源的可持續(xù)發(fā)展提供保障。4G+5G通信技術(shù)具備優(yōu)越的性能，是煤礦發(fā)展的趨勢，但是就目前社會發(fā)展來看，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還不夠完善，存在一定的缺陷。政府和企業(yè)針對4G+5G技術(shù)進行場景式應(yīng)用，結(jié)合自身發(fā)展狀況，為4G+5G技術(shù)建設(shè)創(chuàng)造更大的價值和可能。不斷滿足人們對煤炭的需要，推動我國國民經(jīng)濟又好又快地發(fā)展，將先進的人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)有效地融合在一起，實現(xiàn)不同應(yīng)用場景之間信息的高效互通，推進數(shù)字化的高效轉(zhuǎn)型，推進煤炭智能化發(fā)展。