煤礦井下4G通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李超

摘 要：為滿足煤礦井下復(fù)雜條件下的無線通信需求，設(shè)計(jì)了一套煤礦井下4G通信系統(tǒng)，首先介紹了平煤八礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，然后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于4G的移動(dòng)通信、調(diào)度、控制及信息采集功能，對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)及智能化建設(shè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：4G通信;無線通信;智能化;安全生產(chǎn);工業(yè)環(huán)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0048-03

Abstract： In order to ensure the wireless communication requirements under complex conditions in coal mines， a set of underground 4G communication systems in coal mines were designed. First， the industrial ring network structure and current status of communication systems in Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.， Ltd. No. 8 Mine were introduced， and then the system design scheme was introduced in detail. The practical application shows that the system realizes the functions of mobile communication， scheduling， control and information collection based on 4G， which is of great significance to the safety production and intelligent construction of coal mine.

Keywords： 4G communication;wireless communication;intelligence;safe production;industrial ring network

煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，瓦斯、煤塵、水、火、頂板等自然災(zāi)害嚴(yán)重，管理工作極其復(fù)雜、繁重，因此，努力提升安全生產(chǎn)技術(shù)水平，一直是煤礦企業(yè)追求的主要目標(biāo)。井下通信系統(tǒng)是保障礦井安全生產(chǎn)管理必不可少的設(shè)施，主要包括有線通信、泄漏通信、小靈通通信和無線對(duì)講通信系統(tǒng)[1]。其中，有線通信只能在固定地點(diǎn);泄漏通信距離短，需要單獨(dú)組建網(wǎng)絡(luò)，只能應(yīng)用于機(jī)車調(diào)度通信;小靈通通信和無線對(duì)講通信系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，需要單獨(dú)布線，并且受頻段限制，不能進(jìn)入采掘工作面。針對(duì)這些問題，本文結(jié)合平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦（以下簡稱“平煤股份八礦”）的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套適用于煤礦井下環(huán)境的4G通信系統(tǒng)。

1 平煤股份八礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

平煤股份八礦已建成井上、井下萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用主干網(wǎng)萬兆、分支網(wǎng)千兆，大環(huán)套小環(huán)的環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，井下安裝了5臺(tái)萬兆工業(yè)交換機(jī)和8臺(tái)千兆工業(yè)交換機(jī)，地面中心機(jī)房安裝了2臺(tái)萬兆工業(yè)核心交換機(jī)，地面煤樓、新副井、主井共安裝了3臺(tái)千兆工業(yè)交換機(jī)，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的礦井通信傳輸系統(tǒng)，為4G通信系統(tǒng)建設(shè)提供了網(wǎng)絡(luò)傳輸基礎(chǔ)。

2 平煤股份八礦通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

平煤股份八礦已建成數(shù)字程控電話系統(tǒng)、小靈通系統(tǒng)、擴(kuò)音電話系統(tǒng)。在調(diào)度室安裝有數(shù)字程控電話調(diào)度通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有兩臺(tái)程控電話調(diào)度通信平臺(tái)，用于指揮日常的生產(chǎn)活動(dòng)。小靈通系統(tǒng)采用微蜂窩技術(shù)，將用戶端以無線的方式接入程控電話網(wǎng)，可在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)自由移動(dòng)使用，隨時(shí)隨地接聽，是程控電話的有效延伸和補(bǔ)充。井下擴(kuò)音電話系統(tǒng)主要分布在軌道斜巷、主煤流皮帶巷、掘進(jìn)巷道、采煤工作面、大巷人車等候點(diǎn)、上下井口等地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急擴(kuò)播和井上、井下對(duì)講。由于已經(jīng)建立的各通信系統(tǒng)建設(shè)廠家不同、建設(shè)時(shí)間不同，導(dǎo)致各自相互獨(dú)立，線路重復(fù)鋪設(shè)，系統(tǒng)可靠性極差，系統(tǒng)維護(hù)量大且不能滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)需要，系統(tǒng)集成的綜合效益低下。

3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想是在保證基本4G通信功能的前提下，實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)與現(xiàn)有程控電話、小靈通、擴(kuò)音電話系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，并通過安全生產(chǎn)信息共享平臺(tái)移動(dòng)終端應(yīng)用軟件將現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、皮帶集控系統(tǒng)、泵房排水自動(dòng)化系統(tǒng)等自動(dòng)化子系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)各自動(dòng)化系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。同時(shí)，在移動(dòng)終端可以實(shí)時(shí)顯示各系統(tǒng)的運(yùn)行工況，接收各類故障報(bào)警等信息，實(shí)現(xiàn)井上、井下集控?cái)?shù)據(jù)、音頻、視頻與其他系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)遠(yuǎn)程集中控制。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以4G無線通信網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP通信協(xié)議為基本架構(gòu)[2]，以井上、井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)作為整個(gè)系統(tǒng)的主干傳輸通道，形成有線主干和無線終端相連接的方式，覆蓋地面工業(yè)廣場、大巷、斜巷、采煤工作面等主要工作場所。系統(tǒng)包括地面和井下兩部分：地面設(shè)備主要有4G核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、綜合業(yè)務(wù)交換調(diào)度機(jī)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、地面用4G基站等;井下設(shè)備主要有礦用本安型4G基站及配套電源、本安手機(jī)等。4G核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與井下本安型基站之間采用萬兆以太網(wǎng)傳輸，基站可以就近接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)主要設(shè)備功能設(shè)計(jì)

3.2.1 地面設(shè)備設(shè)計(jì)。由上述內(nèi)容可知，地面設(shè)備主要有4G核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、綜合業(yè)務(wù)交換調(diào)度機(jī)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、地面用4G基站等?，F(xiàn)對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分析。

4G核心網(wǎng)設(shè)備安裝在地面調(diào)度室機(jī)房，接入萬兆核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)無線手機(jī)用戶的交換調(diào)度、與外部語音數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通等功能。

綜合業(yè)務(wù)交換機(jī)具備冗余功能，主機(jī)和副機(jī)具備相同的靜態(tài)數(shù)據(jù)，保持基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)一致，同時(shí)副機(jī)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)增量同步功能。

網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器是檢視網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)如何執(zhí)行命令的計(jì)算機(jī)，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備相連接，是系統(tǒng)的操作和維護(hù)面板，提供系統(tǒng)的性能、安全、配置、告警、軟件和網(wǎng)絡(luò)健康等管理功能。

多媒體調(diào)度機(jī)采用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)、電信級(jí)的設(shè)計(jì)，保證了設(shè)備的高可靠性。為調(diào)度室值班人員提供可視化交互界面，支持主分調(diào)度臺(tái)模式，可為分調(diào)度臺(tái)分配權(quán)限，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮的統(tǒng)一管理和分級(jí)調(diào)度。

地面信息傳輸接口主要包括主控傳輸板、基帶處理板、電源與環(huán)境監(jiān)控單位等功能單板，提供4G基站與核心網(wǎng)設(shè)備的物理連接，處理數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

3.2.2 井下設(shè)備設(shè)計(jì)。由上述內(nèi)容可知，井下設(shè)備主要有礦用本安型4G基站及配套電源、本安手機(jī)等?，F(xiàn)對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分析。

基站集成BBU+RRU功能，滿足礦用本安設(shè)計(jì)要求，支持與井下工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接;信號(hào)覆蓋半徑為300～500 m;基站安裝位置及數(shù)量根據(jù)人員密度、話務(wù)量等具體情況采用分區(qū)設(shè)計(jì)，在長且直的主巷道安裝基站;在巷道的拐彎位置、坡度的拐點(diǎn)以及石門位置附近可以通過增加天線的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)方向的信號(hào)全覆蓋。

手機(jī)采用本安型礦用4G三防手機(jī)，支持對(duì)講專用按鍵，可適配多平臺(tái)集群調(diào)用系統(tǒng)，用于集群調(diào)度應(yīng)用。支持專網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)電話的互通、內(nèi)網(wǎng)移動(dòng)電話與固定電話的互通、專網(wǎng)與公網(wǎng)的互通;具有中繼匯接功能;提供開放的接口，可擴(kuò)展與礦山業(yè)務(wù)相關(guān)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能。

開發(fā)了智能礦山及安全生產(chǎn)信息共享一體化平臺(tái)移動(dòng)終端應(yīng)用軟件，利用4G更高的數(shù)據(jù)帶寬，實(shí)現(xiàn)話音、視頻通話;視頻監(jiān)控;多媒體調(diào)度;多方語音、視頻會(huì)議;數(shù)據(jù)傳輸;井下移動(dòng)安全生產(chǎn)管理。

3.3 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

技術(shù)制式：4G LTE;工作頻段：1.8 G（1 785～1 805 MHz）;具有寬帶集群（B-TurnC）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟頒發(fā)的寬帶集群B-trunc產(chǎn)品認(rèn)證證書;基本業(yè)務(wù)需求：語音、專業(yè)數(shù)字集群業(yè)務(wù)為主，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為輔[3-5]。

3.3.1 4G核心網(wǎng)設(shè)備。核心網(wǎng)需要支持ATCA架構(gòu);具有容災(zāi)備份能力，兩套相同的核心網(wǎng)可組建主備功能的網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)倒換的中斷時(shí)間≤5 min;最大基站用戶數(shù)不低于100;最大用戶數(shù)不低于8 000;最大并發(fā)群組數(shù)不低于512;最大并發(fā)語音數(shù)不低于1 024個(gè);數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)帶寬不低于2 Gbps;網(wǎng)管系統(tǒng)要求能夠在圖形化拓?fù)浣缑嫔巷@示網(wǎng)元的狀態(tài)，能夠測量網(wǎng)絡(luò)性能和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，能夠向標(biāo)準(zhǔn)Office應(yīng)用程序輸出QoS數(shù)據(jù)，要求支持基站自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能并且歸入管理網(wǎng)元，要求支持在線監(jiān)控系統(tǒng)性能狀態(tài);能夠管理終端型號(hào)、放置位置等信息，監(jiān)視終端在線狀態(tài);嵌入硬盤支持RAID1冗余配置，磁盤陣列支持RAID5+熱點(diǎn)冗余配置。

3.3.2 地面用射頻拉遠(yuǎn)單元。提供相應(yīng)的工信部型號(hào)核準(zhǔn)證;所投LTE射頻單元，需要提供工信部無線電管理局核發(fā)的無線電發(fā)射設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)證;RRU單級(jí)拉遠(yuǎn)距離≥10 km;最低覆蓋半徑≥2 km;天線增益≥15 dBi;天線發(fā)射角度≥120°;設(shè)備MTBF>100 000 h;4通道RRU;基站級(jí)聯(lián)：最大不低于6級(jí)級(jí)聯(lián);工作電壓為直流48 V;提供24個(gè)千兆光口，2～4個(gè)模塊接口，支持光口、電口。

3.3.3 礦用隔爆兼本安型基站。提供相應(yīng)的工信部型號(hào)核準(zhǔn)證;所投LTE射頻單元，需提供工信部無線電管理局核發(fā)的無線電發(fā)射設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)證;RRU單級(jí)拉遠(yuǎn)距離≥10 km;天線增益≥15 dBi;直線覆蓋半徑不小于800 m;設(shè)備MTBF>100 000 h;雙通道RRU;基站級(jí)聯(lián)：最大不低于6級(jí)級(jí)聯(lián)，且各基站之間切換穩(wěn)定平穩(wěn)。工作電壓為直流48 V;提供24個(gè)千兆光口，2～4個(gè)模塊接口，支持光口、電口。

3.3.4 礦用本安型手機(jī)。防震等級(jí)：IP67;內(nèi)存不小于4 G+64 G;Android 操作系統(tǒng)不低于6.0;屏幕不低于127 mm;藍(lán)牙4.1;支持快速充電功能;支持GPS和北斗導(dǎo)航功能;前置攝像頭不低于800萬像素，后置攝像頭像素不低于1 200萬像素。重力感應(yīng)器，光感應(yīng)器，支持802.11b/g/n無線通信協(xié)議;專用PTT對(duì)講鍵;支持1 447～1 467 MHz，1 785～1 805 MHz。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)已在平煤股份八礦進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井上、井下4G信號(hào)全覆蓋，能滿足礦井的采煤、掘進(jìn)、調(diào)度、安全、機(jī)電、運(yùn)輸、監(jiān)測、排水、通風(fēng)等井下各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的通信聯(lián)絡(luò)需求，并且支持語音、視頻、數(shù)據(jù)三大業(yè)務(wù)的全面承載，為建設(shè)現(xiàn)代化安全、高效礦井提供有力支撐，在煤炭行業(yè)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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