黃陵二號(hào)煤礦多網(wǎng)融合通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹哲哲,王江龍

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷延伸,安全問(wèn)題日益嚴(yán)重。目前許多煤礦存在通信技術(shù)不完善、應(yīng)急設(shè)備資源配置不完善、技術(shù)落后的問(wèn)題[1-3]。這些問(wèn)題導(dǎo)致通信不暢。隨著計(jì)算機(jī)功能的提高,人工智能得到了快速發(fā)展[4-6]。近些年,人工智能技術(shù)被應(yīng)用到包括煤礦行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。然而受到通訊技術(shù)的限制,人工智能技術(shù)在煤礦井下的發(fā)展受到了制約。人工智能等AI技術(shù)十分依賴通信技術(shù),落后的通信技術(shù)影響人工智能作用的發(fā)揮[7-10]。隨著通訊技術(shù)迅速發(fā)展,通訊在各種場(chǎng)合中得到應(yīng)用并取得較大成功[11-13]。以黃陵煤礦為背景,介紹多網(wǎng)融合通信系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

1.1 解決的難題

系統(tǒng)主要解決“高清視頻回傳、數(shù)據(jù)量大、時(shí)延較高”、傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)承載能力低下”“地面與井下之間調(diào)度難”“傳統(tǒng)技術(shù)下井下人員/車輛位置信息獲取難”、井下無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的冗余連接這5大問(wèn)題,并促進(jìn)井下交通“從人工走向智能”的形態(tài)轉(zhuǎn)換。

5G技術(shù)的大帶寬、低延時(shí)和廣連接能夠解決煤礦智能化開(kāi)采中的數(shù)據(jù)同步傳輸、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制和多傳感器集中接入的難題,云計(jì)算、AI和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合能夠充分調(diào)動(dòng)計(jì)算資源,高效挖掘和利用數(shù)據(jù),綜合智能優(yōu)化決策,實(shí)現(xiàn)煤炭智能化開(kāi)采各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)高效運(yùn)行,推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)服務(wù),從而達(dá)到工作面減人增效的目的。

在分組傳送網(wǎng)中,業(yè)務(wù)類型主要包括TDM業(yè)務(wù)和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。通過(guò)PWE3(端到端偽線仿真)實(shí)現(xiàn)TDM等業(yè)務(wù)的綜合承載,在PSN(分組交換網(wǎng))中為多種業(yè)務(wù)提供透明傳輸通道。在通道中,用戶業(yè)務(wù)相互隔離,傳輸過(guò)程中業(yè)務(wù)屬性不發(fā)生改變。

PWE3集成原有的接入模式和現(xiàn)有的IP骨干網(wǎng),減少CAPEX和OPEX。系統(tǒng)支持FlexE技術(shù),該技術(shù)是在IEEE802.3的協(xié)議棧的RS(Regenerator Section)和PCS(Physical Coding Sublayer)層之間增加一個(gè)FlexE Shim層,將業(yè)務(wù)邏輯層和物理層隔開(kāi),通過(guò)綁定多條PHY鏈路來(lái)傳輸大流量的以太網(wǎng)業(yè)務(wù),這樣邏輯層面可以實(shí)現(xiàn)鏈路捆綁、子速率、通道化等功能,同時(shí)可以方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片。

系統(tǒng)支持基于靈活以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing)技術(shù),傳輸網(wǎng)絡(luò)切片利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滟Y源(如內(nèi)部資源的鏈路,節(jié)點(diǎn),端口和網(wǎng)元)虛擬化,按需組織,形成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)VNet(即切片網(wǎng)絡(luò))。整體結(jié)構(gòu)分為客戶租戶層,業(yè)務(wù)層,虛擬網(wǎng)絡(luò)層和物理網(wǎng)絡(luò)層。虛擬網(wǎng)絡(luò)(VNet)具有類似物理網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),包括獨(dú)立的管理平面,控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面。每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)(VNet)可以獨(dú)立支持各種服務(wù),例如EPL/EVPL,EPLAN/EVPLAN和其他部署。該服務(wù)在虛擬網(wǎng)絡(luò)上承載,物理網(wǎng)絡(luò)不知道該服務(wù)——實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)資源的解耦。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)礦井的集群調(diào)度功能。4G無(wú)線通信系統(tǒng)不僅能支持專業(yè)的語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)集群等調(diào)度業(yè)務(wù),而且能將視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的進(jìn)行回傳和分發(fā),并且能夠?qū)崿F(xiàn)會(huì)議、錄音、強(qiáng)插、監(jiān)聽(tīng)、一鍵緊急呼叫等功能。

系統(tǒng)包括人員/車輛位置信息監(jiān)測(cè)功能為行業(yè)內(nèi)最新一代的UWB精確定位技術(shù),核心是UWB(ULTRA-WIDE BAND)超帶寬無(wú)線沖激脈沖調(diào)制技術(shù)。UWB作為一種新興的無(wú)線技術(shù),憑借眾多優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注,是因?yàn)閁WB采用納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行信息的傳輸,主要應(yīng)用于短距離通信領(lǐng)域。針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)在通信過(guò)程中存在的種種問(wèn)題,如信道窄、容量小、易受干擾等,超寬帶技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有超大容量的新型無(wú)線信道。基于以上技術(shù)支持,UWB具有超高信號(hào)帶寬、對(duì)信道衰落高度免疫、時(shí)間分辨率極高、穿透力強(qiáng)、功耗小、測(cè)距精度高、系統(tǒng)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),使其對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng),相比于其他無(wú)線定位技術(shù)更適合應(yīng)用于煤礦井下限員作業(yè)特殊封閉區(qū)域的精確定位,更能夠給煤礦井下高精度定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

系統(tǒng)利用井下先進(jìn)的WiFi無(wú)線傳輸通信技術(shù),將地面超融合調(diào)度通信平臺(tái)、礦用本安手機(jī)以及礦方其他的終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行緊密的連接,井下建設(shè)的融合型分站KT552-F內(nèi)包含WiFi無(wú)線通信功能板卡,只需要安裝若干個(gè)融合分站。

為了減少井下運(yùn)輸事故的發(fā)生,提高井下運(yùn)輸?shù)男?同時(shí)滿足煤礦的安全生產(chǎn)需求,車輛輔助運(yùn)輸管理系統(tǒng)基于UWB精確定位及4G無(wú)線通信技術(shù)的智能車輛輔助運(yùn)輸管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)井下車輛的位置、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行用車調(diào)度,紅綠燈區(qū)間閉鎖控制,同時(shí)車內(nèi)后續(xù)可擴(kuò)展安裝智能車載終端和對(duì)應(yīng)的前后車載攝像頭,以采集車前/車后的視頻信息。

1.2 系統(tǒng)目標(biāo)

建設(shè)一套基于“5G+4G+WiFi”多網(wǎng)融合通信及UWB精確定位系統(tǒng),覆蓋井下必要巷道和區(qū)域,其中2個(gè)綜采工作面和2個(gè)掘進(jìn)工作面采用5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),其他區(qū)域采用4G+WiFi無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)一套10萬(wàn)兆工業(yè)環(huán)網(wǎng),作為整體系統(tǒng)的中樞“硬核”傳輸通道;建設(shè)一套無(wú)軌膠輪車管理系統(tǒng);本項(xiàng)目所需的軟硬件、傳輸線纜等采購(gòu)、施工、安裝、調(diào)試。

整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)完成后,將實(shí)現(xiàn)以下建設(shè)目標(biāo):井下重點(diǎn)區(qū)域覆蓋5G信號(hào),其余必要的巷道覆蓋4G、WiFi和UWB信號(hào),與地面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,做到井上、下各系統(tǒng)互聯(lián)互通。2個(gè)綜采工作面和2個(gè)掘進(jìn)工作面覆蓋5G信號(hào),實(shí)現(xiàn)端到端的5G遠(yuǎn)程控制;工作面實(shí)現(xiàn)5G超大帶寬上傳及工作面4G通信、UWB精確定位等功能。井下膠帶大巷、輔運(yùn)大巷及關(guān)鍵硐室4G+WiFi+UWB信號(hào)的全覆蓋,實(shí)現(xiàn)井下人員、車輛的精確定位、語(yǔ)音通信等功能,并且靜態(tài)的定位精度在0.3 m以內(nèi),動(dòng)態(tài)精度在1 m以內(nèi)。井下特殊崗位人員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、生命體征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整合現(xiàn)有的有線調(diào)度系統(tǒng)、廣播系統(tǒng),各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度,并且開(kāi)放系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口和協(xié)議。

2 整體設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)包括:一套5G無(wú)線通信系統(tǒng)、一套4G無(wú)線通信系統(tǒng)、一套UWB精確定位系統(tǒng)、一套10萬(wàn)兆全光網(wǎng)絡(luò)F5G環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、一套車輛輔運(yùn)管理系統(tǒng)、一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)和一套超融合集中管控系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意

2.1 整體設(shè)計(jì)理念

系統(tǒng)基于“4+3+N”的系統(tǒng)框架,以及“多網(wǎng)多融合”的智能化礦山的設(shè)計(jì)理念。

“4+3+N”的系統(tǒng)架構(gòu)之“4”個(gè)上層平臺(tái):十萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、5G大數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)、統(tǒng)一通信調(diào)度平臺(tái)和智能綜合管理平臺(tái)。

“4+3+N”的系統(tǒng)架構(gòu)之“3”個(gè)核心設(shè)備:十萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)核心設(shè)備、5G基站核心設(shè)備和融合型基站。

“4+3+N”的系統(tǒng)架構(gòu)之“N”個(gè)終端設(shè)備:定位礦燈、智能礦燈、智能手機(jī)、智能車載終端、智能手環(huán)、智能攝像儀等,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架示意

“多網(wǎng)多融合”的理念,即井下采用一臺(tái)4G+WiFi+UWB+網(wǎng)絡(luò)接口的多功能型基站,實(shí)現(xiàn)4G無(wú)線信號(hào)覆蓋、WiFi無(wú)線信號(hào)覆蓋、UWB精確定位信號(hào)和開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入功能,如圖3所示。

圖3 多網(wǎng)多系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)理念

2.2 設(shè)備感知層

設(shè)備感知層是以物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為核心,主要通過(guò)移動(dòng)設(shè)備、多功能分站將礦井前端感知到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管控?cái)?shù)據(jù)、人員和車輛的地理位置數(shù)據(jù)、智能化應(yīng)用和成果數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集,是智能礦山的支撐體系。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層也稱網(wǎng)絡(luò)傳輸層,是設(shè)備感知層和數(shù)據(jù)支撐層的橋梁,主要是利用井下視頻有線專網(wǎng)和有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(5G、4G、WiFi、UWB)等將設(shè)備感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

2.4 數(shù)據(jù)支撐層

數(shù)據(jù)支撐層是由煤炭企業(yè)基礎(chǔ)信息、共享交換信息、業(yè)務(wù)信息、物聯(lián)網(wǎng)信息、互聯(lián)網(wǎng)信息建立的數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用融合。

2.5 應(yīng)用決策層

應(yīng)用決策層面向不同業(yè)務(wù)部門實(shí)現(xiàn)按需服務(wù),通過(guò)智能安全監(jiān)測(cè)、智能視頻分析、車輛智能運(yùn)輸、智能接入網(wǎng)關(guān)、智能調(diào)度管理來(lái)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)閉環(huán)管理、智慧決策支持和深度應(yīng)用,并通過(guò)PC應(yīng)用端、移動(dòng)APP、調(diào)度大屏(可利舊現(xiàn)有)、門戶網(wǎng)站多種方式進(jìn)行展示,實(shí)現(xiàn)企業(yè)不同用戶需求。

響應(yīng)招標(biāo)要求并結(jié)合實(shí)際情況,設(shè)計(jì)為二號(hào)煤礦企業(yè)打造智能礦山的6大系統(tǒng)。主要包括5G無(wú)線傳輸系統(tǒng)(含5G智能應(yīng)用終端)、4G無(wú)線通信系統(tǒng)、井下“4G+WiFi+UWB”一站接入式融合平臺(tái)、UWB人員與車輛精確定位系統(tǒng)(含人員單兵智能裝備和二/三維切換展示功能)、車輛輔助運(yùn)輸及管理系統(tǒng)(含車載調(diào)度終端、智能紅綠燈和井口智能放行功能)和10萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)承載傳輸系統(tǒng)。

3 預(yù)期效益

3.1 預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益

系統(tǒng)整體應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)煤炭行業(yè)技術(shù)融合創(chuàng)新,構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理、功能完整、安全穩(wěn)定、管控有效、服務(wù)全面的智慧運(yùn)行體系。通過(guò)建設(shè)這套煤礦智能化系統(tǒng),新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)煤炭行業(yè)技術(shù)融合創(chuàng)新可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)賦能升級(jí),推動(dòng)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3.2 預(yù)期社會(huì)效益

系統(tǒng)整體結(jié)合企業(yè)實(shí)際,以“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念為引領(lǐng),適應(yīng)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)、能源發(fā)展新格局和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的新要求。以提質(zhì)、增效為中心,以改革創(chuàng)新為動(dòng)力,以升級(jí)轉(zhuǎn)型為主線。數(shù)字化和信息化技術(shù)日益發(fā)展,促使人類生產(chǎn)和生活邁向新的階段。隨著礦山技術(shù)和市場(chǎng)的不斷轉(zhuǎn)型升級(jí),礦山競(jìng)爭(zhēng)的核心已經(jīng)由傳統(tǒng)的資源競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)化為高度信息化、集成化的科技競(jìng)爭(zhēng),智能化礦山建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。

項(xiàng)目實(shí)施完成后,最終將能夠節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本,提升生產(chǎn)效率,對(duì)實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理具有十分重要的意義,對(duì)促進(jìn)企業(yè)戰(zhàn)略管理和兩化融合體系管理在煤礦行業(yè)的應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。

4 結(jié)論

(1)解決高清視頻回傳、數(shù)據(jù)量大、時(shí)延較高、數(shù)據(jù)承載能力低下、地面與井下之間調(diào)度難、傳統(tǒng)技術(shù)下井下人員/車輛位置信息獲取難、井下無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的冗余連接問(wèn)題,促進(jìn)井下交通“從人工走向智能”的形態(tài)轉(zhuǎn)換。

(2)通過(guò)井下1臺(tái)4G+WiFi+UWB+網(wǎng)絡(luò)接口的多功能型基站,實(shí)現(xiàn)4G無(wú)線信號(hào)覆蓋、WiFi無(wú)線信號(hào)覆蓋、UWB精確定位信號(hào)和開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入功能。

(3)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)賦能升級(jí),節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本,提升生產(chǎn)效率,推動(dòng)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。