井下4G業(yè)務(wù)廣普融合現(xiàn)狀及關(guān)鍵性問題分析

康紅明 賈春鳳 李偉 劉志軍 李興偉 金珠鵬

摘?要：為滿足“兩化融合”高質(zhì)量建設(shè)，在闡述井下4G 業(yè)務(wù)廣普融合現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析了井下4G 業(yè)務(wù)廣普融合的問題與不足，指出了4G業(yè)務(wù)與礦井融合的本質(zhì)性障礙，給出了井下4G 業(yè)務(wù)融合的發(fā)展策略，提出了4G業(yè)務(wù)與礦井工業(yè)化融合所需解決的關(guān)鍵性問題。致力于提高4G業(yè)務(wù)服務(wù)范圍和傳輸靈活性的適應(yīng)性路徑建設(shè)，為智慧化礦井發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智慧化礦井;4G;廣普融合;適應(yīng)性路徑

引言

4G業(yè)務(wù)具有傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、智能性高、兼容性平滑、可提供各種增值服務(wù)等優(yōu)越性，是井下信息資源規(guī)劃和信息集成的優(yōu)越平臺，由此實現(xiàn)多元異構(gòu)信息資源的復(fù)雜交互與共享，進(jìn)行井下多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的信息化建設(shè)，確保信息資源的高效存儲、科學(xué)加工和無縫流轉(zhuǎn)。井下4G業(yè)務(wù)可為智慧化礦井建設(shè)提供安全、穩(wěn)定和高效的保障平臺。但受到井下特殊環(huán)境和信息傳輸路徑限制，4G通信系統(tǒng)與井下大范圍生產(chǎn)運營尚不能很好地融合，如何建立適應(yīng)井下動態(tài)環(huán)境的4G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸路徑，全井下范圍融合4G移動業(yè)務(wù)是兩種業(yè)內(nèi)人士探索的重要課題。

1融合現(xiàn)狀

截止2020年初，煤礦智能化建設(shè)成效凸顯，采煤工作面機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、選矸機(jī)器人和巡檢機(jī)器人已在煤礦井下應(yīng)用[3]，全國已建成200余個智能化采煤工作面。多數(shù)智能化采煤工作面配備了移動通信系統(tǒng)，同時完成了從3G向4G轉(zhuǎn)變，其中以TD-LTE制式最為代表性，典型案例如下。

程潮礦業(yè)井下4G移動通信系統(tǒng)覆蓋了礦井-430米、-447米、-500米三個平層作業(yè)面主巷道，覆蓋總面積達(dá)12萬平方米，覆蓋深度及廣度全國罕見，為礦井日常通信聯(lián)絡(luò)、生產(chǎn)作業(yè)與搶險救援、助力礦山信息化、建設(shè)綠色高效智慧化礦山提供了有力保障。

山東新云鵬煤礦井下使用了KT393礦用4G無線通訊系統(tǒng)，率行了4G網(wǎng)絡(luò)融入煤礦工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)集成。KT393礦用4G通信系統(tǒng)是集無線通信、人員定位、視頻監(jiān)控、語音擴(kuò)播、調(diào)度指揮等多系統(tǒng)統(tǒng)一接入、統(tǒng)一承載、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一聯(lián)動的“一網(wǎng)一站”無線通信系統(tǒng)。執(zhí)行自組網(wǎng)絡(luò)，雙備份保護(hù)機(jī)制。KT393煤礦井下4G通信系統(tǒng)同時也在神東煤礦大柳塔礦、上灣礦成功應(yīng)用，“一網(wǎng)一站”模式很好地實現(xiàn)了煤礦指揮調(diào)度一體化、遠(yuǎn)程監(jiān)控、多種調(diào)度終端與視頻聯(lián)動等功能。

2 需解決的關(guān)鍵性問題

井下環(huán)境復(fù)雜，在限定空間的巷道系統(tǒng)中無線傳輸受到了很大限制。無線傳輸分布是建立在有線系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的，井下移動通信傳統(tǒng)的做法是通過增設(shè)微基站，擴(kuò)大有線分布系統(tǒng)來補(bǔ)償無線傳輸距離受限的缺陷，但這并不適合井下動態(tài)的生產(chǎn)環(huán)境。敷設(shè)搬遷困難，故障率高，維護(hù)量大，成本高，最終對礦井安全生產(chǎn)促進(jìn)有限，普通煤企難以承受。多水平、多采區(qū)大型礦井中，通常所需要的通信服務(wù)范圍較大，由此需要建立簡單靈活、可廣域分布的通信系統(tǒng)，確定井下4G業(yè)務(wù)廣普信息化適應(yīng)性路徑，從而解決井下4G業(yè)務(wù)廣普融合的問題。要實現(xiàn)廣域無線傳輸，就離不開無線信號的中繼，圍繞井下4G信號的廣普分布和無線中繼，需解決了以下關(guān)鍵問題：

（1）信號源的引入。4G網(wǎng)中的BTS距井口通常有一定的距離，從井口到井下各個工作面作業(yè)地點又有很長的一段距離，尤其是服務(wù)年限較長的大型礦井，巷道掘進(jìn)會延伸的更遠(yuǎn)，采掘工作面距井口的距離會更遠(yuǎn)，如何將地面BTS的4G網(wǎng)信號遠(yuǎn)距離“遷移”到井下各個作業(yè)地點是首要解決的關(guān)鍵問題。采用光多鏈路光纖直放系統(tǒng)耦合礦山地面井口附近基站的信號，通過波分復(fù)用技術(shù)，以多路傳輸形式將BTS信號遠(yuǎn)距離引入到井下各不同生產(chǎn)作業(yè)采區(qū)，以無線中繼、延伸方式覆蓋巷道空間，該方法很好地解決了4G信號遠(yuǎn)距離傳輸問題，并為無線廣域分布建立了基礎(chǔ)框架。

（2）對于無線信號在井下廣域分布而言，要掌握4G信號在巷道中的傳播特性，明確信號衰落的基本規(guī)律，找出衰落、傳輸距離和各影響因子間的聯(lián)系，建立數(shù)學(xué)衰減模型，為信號有效傳輸提供理論依據(jù)。

（3）依巷道的不同空間形態(tài)，確定對應(yīng)的無線中繼方式。確定無線中繼的邊界條件，明確多級中繼后信號降噪的有效方法。

（4）結(jié)合信號傳輸特點及現(xiàn)有發(fā)射設(shè)備性能，要滿足4G無線信號在巷道中有效分布，須用巷道專用的高增益定向天線，增加4G信號在巷道軸向傳輸?shù)挠行Ь嚯x，且體積小型化以滿足巷道狹小空間要求。

（5）采用最優(yōu)的有線系統(tǒng)配置。巷道中無線信號覆蓋需以定向天線和射頻泄漏電纜相結(jié)合的方式來實現(xiàn)，遇拐點和彎曲巷道，信號中繼以泄漏電纜過度，末端再沿巷道軸向無線中繼。

3 結(jié)束語

井下4G業(yè)務(wù)與智慧化礦井融合建設(shè)已取得了較好的成果，并積累了相關(guān)經(jīng)驗。從實踐中得知，4G業(yè)務(wù)與礦井工業(yè)化的“兩化融合”，最大的難點和關(guān)鍵性問題不在于通信系統(tǒng)本身和兩種業(yè)務(wù)的功能性融合，而是移動通信系統(tǒng)與井下特殊環(huán)境的適應(yīng)性融合，確立了井下4G業(yè)務(wù)廣普信息化適應(yīng)性路徑，即解決了井下4G業(yè)務(wù)廣普融合的關(guān)鍵性問題。井下移動通信系統(tǒng)需向簡單化、靈活化方向發(fā)展，以適應(yīng)井下動態(tài)生產(chǎn)環(huán)境需求。無線中繼需依托于具體巷道環(huán)境敷設(shè)有線系統(tǒng)，充分增加巷道軸向無線傳輸距離從而減少有線通信系統(tǒng)分布。加強(qiáng)井下4G業(yè)務(wù)廣普信息化適應(yīng)性路徑建設(shè)，滿足4G業(yè)務(wù)與井下安全生產(chǎn)融合要求，為新一代通信業(yè)務(wù)（5G）融合奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]?朱賽虎. 基于4G通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)研究[J]. 電子世界，2014，（17）：85-86.

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[3]?葛世榮. 煤礦機(jī)器人現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 中國煤炭，2019，45（7）：18-27.

[4]?倪翔. 井下有限空間2.4GHz無線信號測試及傳播規(guī)律的研究[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2014.

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（E2016061）

作者簡介：康紅明（1979-），男，遼寧興城人，講師，主要從事電力電子方面的研究與教學(xué)工作。