煤礦井下無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究

宋海鷹

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦,太原 030053)

煤礦井下無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究

宋海鷹

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦,太原 030053)

分析了目前煤礦主流無線通信系統(tǒng)的技術(shù)特性和無線通信系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用前景,論述了煤礦無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向,為煤礦井下無線通信系統(tǒng)的研究提供了借鑒。

無線通信系統(tǒng);安全生產(chǎn);智慧煤礦

隨著通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,煤炭生產(chǎn)企業(yè)正在朝著安全化、信息化、智慧化的道路不斷前行。不斷完善及發(fā)展的煤礦井下無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為高效、安全、智能的現(xiàn)代化礦井的重要組成部分。

1 我國煤礦井下無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前我國煤礦井下使用的無線通信系統(tǒng)主要有PHS(Personal Handy-phone System)無線通信系統(tǒng),3G通信系統(tǒng),WIFI通信系統(tǒng),4G通信系統(tǒng)。

1)PHS無線通信系統(tǒng)：一種成熟的無線本地電話技術(shù),PHS技術(shù)采用微蜂窩通信技術(shù),本質(zhì)上屬于第二代數(shù)字移動通信技術(shù)。該系統(tǒng)由基站、局端接入設(shè)備、線路延伸器、基站控制器、線路復(fù)用器、本安型手機(jī)、控制計算機(jī)等組成,基站與手機(jī)之間采用時分雙工模式TDD,其無線信道基于時分多址TDMA結(jié)構(gòu),聲音傳送編碼采用32kbps ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation,自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制)方式,利用微蜂窩和信道動態(tài)分配技術(shù),可以有效地提高頻率利用率和通信容量[1]。PHS無線通信系統(tǒng)主要用于語音通信及人員定位,由于核心供應(yīng)商UT斯達(dá)康及中興已不再生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備,以及面臨非法使用頻段的問題,PHS無線通信系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用前景不容樂觀。

2) 3G通信系統(tǒng)：無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的第三代移動通信系統(tǒng)。目前國際通行的三個無線接口標(biāo)準(zhǔn)分別為美國CDMA2000,歐洲WCDMA,中國TD-SCDMA。我國煤礦井下采用的3G技術(shù)大多為TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。TD-SCDMA采用AMR(Adaptive Multi-Rate,自適應(yīng)多速率)語音編碼方式,使用1.28 Mcps的低碼片速率,擴(kuò)頻帶寬為1.6 MHz(在1.6 MHz帶寬上理論峰值速率可達(dá)到2.8 Mbps),同時采用了動態(tài)信道分配、上行同步、接力切換、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù),使其具有零活的上下行時隙配置,以及能夠克服呼吸效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)的特點(diǎn)。

3) WIFI(Wireless-Fidelity)通信系統(tǒng)：由網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò),WIFI無線通信系統(tǒng)采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用)技術(shù),其優(yōu)勢在于具有較高的數(shù)據(jù)帶寬和低廉的設(shè)備成本。目前WIFI無線通信系統(tǒng)工作頻段為2.4GHz,基站與手機(jī)發(fā)射功率為50mW,單臺基站通信信道為12個,調(diào)制方式為DSSS/OFDM,通信協(xié)議支持CSMA/CA、TCP/IP,由于WIFI系統(tǒng)采用短碼擴(kuò)頻技術(shù),只適合視距無遮擋點(diǎn)對點(diǎn)直線通信,煤礦井下的復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu),WIFI的通信距離將大大縮短[2]。

4) 4G通信系統(tǒng)：第4代數(shù)字移動通信技術(shù)的簡稱,能夠進(jìn)行高質(zhì)量的語音通信也能快速且高質(zhì)量地傳輸多媒體文件。4G無線通信技術(shù)采用OFDM、多重輸入和MIMO(多重輸出)技術(shù),使4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度有了大幅度的提高,同時4G網(wǎng)絡(luò)擁有的智慧型天線技術(shù)能夠充分利用信號的空間方向性,在傳輸數(shù)據(jù)時消除其他信號的干擾,使數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定,在煤礦井下這樣障礙物較多的環(huán)境也能穩(wěn)定快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

2 煤礦井下無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析

2.1煤礦井下安全生產(chǎn)監(jiān)管體系

隨著煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管體系的逐步完善,煤炭生產(chǎn)企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平的不斷提高,我國煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)形勢逐年好轉(zhuǎn),但與世界發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距。高效的煤炭生產(chǎn)企業(yè)安全管理與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的先進(jìn)與完善密切相關(guān)[4]。不斷推進(jìn)的采掘工作面以及井下流動的作業(yè)人員,使得煤礦井下無線通信系統(tǒng)必不可少。

1) 瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控：煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)通常包括傳感系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)等,傳感系統(tǒng)通常包括瓦斯?jié)舛燃す馓綔y傳感器、風(fēng)速流量傳感器、一氧化碳濃度傳感器及負(fù)壓傳感器等,無線通信系統(tǒng)會將采集到的傳感器信號傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。地面控制中心會對監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,一旦數(shù)據(jù)超過閾值,濃度監(jiān)控系統(tǒng)會通過無線通信系統(tǒng)發(fā)出警告,通知相關(guān)人員進(jìn)行進(jìn)一步處理,保證煤礦生產(chǎn)過程中瓦斯?jié)舛忍幵诎踩健?/p>

2)礦井礦壓的監(jiān)測：礦壓的監(jiān)測通常通過井下關(guān)鍵區(qū)域液壓支架壓力情況的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)。通常煤礦要在一個采區(qū)的關(guān)鍵位置設(shè)置多個礦壓傳感器,無線通信系統(tǒng)會將液壓支架上的壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?當(dāng)?shù)V壓信號的實(shí)時數(shù)據(jù)超過設(shè)置的臨界值時,控制系統(tǒng)會將報警信號實(shí)時傳遞到井下工作人員,避免造成不必要的傷害。

3)實(shí)時語音、視頻監(jiān)測：無線通信系統(tǒng)將會使井下工作人員的語音通信更加方便快捷,人員和設(shè)備定位信息數(shù)據(jù)實(shí)時獲取,安裝在井下各個區(qū)域的視頻監(jiān)控信號也將實(shí)時發(fā)送至地面,地面監(jiān)控中心發(fā)送的風(fēng)險信息提示也會被井下工作人員及時接收,提高了煤礦井下的安全生產(chǎn)管理水平。

2.2智慧煤礦的數(shù)據(jù)傳播載體

我國煤炭工業(yè)在新中國成立后,以機(jī)械化、信息化、自動化為手段,經(jīng)歷了普通機(jī)械化、綜合機(jī)械化、生產(chǎn)集約化、安全高效化4個階段,生產(chǎn)方式以原始生產(chǎn)、機(jī)械生產(chǎn)向自動化生產(chǎn)發(fā)展。智慧煤礦將成為未來煤礦生產(chǎn)的發(fā)展趨勢,推動煤礦安全生產(chǎn)、高效開發(fā)、綠色開發(fā)、和諧開發(fā)。智慧煤礦的核心是以透徹感知、深度互聯(lián)為載體,建立廣泛而可靠的智能應(yīng)用,用以優(yōu)化煤炭生產(chǎn)企業(yè)物質(zhì)流、信息流、控制流、價值流,從而覆蓋礦山生產(chǎn)和經(jīng)營管理的各個環(huán)節(jié)。

智慧煤礦同樣擁有廣泛的能夠感知機(jī)電、環(huán)境、溫度等實(shí)時狀態(tài)的傳感設(shè)備,諸如掘進(jìn)機(jī)截割減速器油溫油位傳感器、錨桿定位傳感器、主運(yùn)皮帶故障傳感器等,這些傳感器植入各類機(jī)械設(shè)備及自然對象來獲取感知對象的靜態(tài)及動態(tài)特性。煤礦井下無線通信系統(tǒng)正是將這些復(fù)雜而又繁多的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V山智能應(yīng)用系統(tǒng),礦山智能應(yīng)用系統(tǒng)通過建立智能控制及智能管理的應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備“監(jiān)測、管理、控制”智慧化的運(yùn)行。通過與虛擬現(xiàn)實(shí)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合,智慧煤礦能夠真正實(shí)現(xiàn)無人值守的現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)運(yùn)行機(jī)制,最大限度地提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,幫助煤炭生產(chǎn)企業(yè)對煤炭生產(chǎn)中的“采、掘、運(yùn)、風(fēng)、水、電、安全”等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化管理。

3 煤礦井下無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向

3G、4G無線通信技術(shù)都已在煤礦井下獲得實(shí)際應(yīng)用,煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)以及智慧煤礦的發(fā)展對無線通信技術(shù)有了更高的要求。5G通信技術(shù),即第五代移動電話通信標(biāo)準(zhǔn)的研究正在加速推進(jìn)。根據(jù)目前的研究顯示,5G技術(shù)相比目前4G技術(shù),其峰值速率將提升數(shù)十倍,從4G的100Mb/s提高到10Gb/s,端到端延時將從4G的十幾毫秒減少到5G的幾毫秒。雖然5G網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)目前暫未發(fā)布,但可以預(yù)見的是,5G技術(shù)一旦投入應(yīng)用,將極大地提高煤礦井下無線通信系統(tǒng)的實(shí)用性及可靠性,使智能采煤、智能運(yùn)輸,無人煤礦等智慧煤礦的概念成為現(xiàn)實(shí)。

4 結(jié)束語

目前我國大多數(shù)煤炭生產(chǎn)企業(yè)的無線通信系統(tǒng)仍然僅僅處在初級利用的水平,伴隨著社會的不斷發(fā)展以及科技水平的不斷提高,礦用無線通信技術(shù)也將會得到不斷發(fā)展以適應(yīng)煤礦現(xiàn)代化、信息化、智慧化的發(fā)展要求。隨著5G通信時代的到來,巷道數(shù)據(jù)自動采集、生產(chǎn)設(shè)備自動運(yùn)行控制,主動式安全保障預(yù)警提示等無線業(yè)務(wù)將是未來智慧煤礦的重要標(biāo)志,無線通信系統(tǒng)必將會為我國煤礦信息化建設(shè)發(fā)揮更加重要的作用。

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(編輯:薄小玲)

ApplicationofWirelessCommunicationSysteminMines

SONGHaiying
(GuandiMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Taiyuan030053,China)

The paper analyzes the technological characteristics and its potential application of wireless communication system in mines and proposes its development direction, which could provide some reference for the study of the wireless communication system in mines.

wireless communication system; safety production; smart mine

TD655

A

1672-5050(2017)03-0074-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.021

2017-04-11

宋海鷹(1970-),男,山西平遙人,大學(xué)本科,助理工程師,從事煤礦通信設(shè)備的管理及維護(hù)工作。