煤矿井下无线通信系统的应用

煤矿井下无线通信系统的应用

张浩

新汶矿业集团孙村煤矿信息中心 

摘要：分析了目前煤矿主流无线通信系统的技术特性和无线通信系统在煤矿的应用前景，论述了煤矿无线通信系统的发展方向，为煤矿井下无线通信系统的研究提供了借鉴。

关键词：无线通信系统；安全生产；智慧煤矿

随着通信技术、计算机技术、传感器技术的不断发展，煤炭生产企业正在朝着安全化、信息化、智慧化的道路不断前行。不断完善及发展的煤矿井下无线通信系统已经成为高效、安全、智能的现代化矿井的重要组成部分。

１我国煤矿井下无线通信系统的现状目前我国煤矿井下使用的无线通信系统主要有ＰＨＳ无线通信系统，３Ｇ通信系统，ＷＩＦＩ通信系统，４Ｇ通信系统。

１）ＰＨＳ无线通信系统：一种成熟的无线本地电话技术，ＰＨＳ技术采用微蜂窝通信技术，本质上属于第二代数字移动通信技术。该系统由基站、局端接入设备、线路延伸器、基站控制器、线路复用器、本安型手机、控制计算机等组成，基站与手机之间采用时分双工模式ＴＤＤ，其无线信道基于时分多址ＴＤ－ＭＡ结构，声音传送编码采用３２ｋｂｐｓＡＤＰＣＭ（自适应脉冲编码调制）方式，利用微蜂窝和信道动态分配技术，可以有效地提高频率利用率和通信容量［１］。ＰＨＳ无线通信系统主要用于语音通信及人员定位，由于核心供应商ＵＴ斯达康及中兴已不再生产相关设备，以及面临非法使用频段的问题，ＰＨＳ无线通信系统在煤矿的应用前景不容乐观。

２）３Ｇ通信系统：无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的第三代移动通信系统。目前国际通行的三个无线接口标准分别为美国ＣＤＭＡ２０００，欧洲ＷＣＤＭＡ，中国ＴＤ－ＳＣＤＭＡ。我国煤矿井下采用的３Ｇ技术大多为ＴＤ－ＳＣＤＭＡ标准。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ采用ＡＭＲ（自适应多速率）语音编码方式，使用１．２８Ｍｃｐｓ的低码片速率，扩频带宽为１．６ＭＨｚ（在１．６ＭＨｚ带宽上理论峰值速率可达到２．８Ｍｂｐｓ），同时采用了动态信道分配、上行同步、接力切换、可变扩频系统等先进技术，使其具有零活的上下行时隙配置，以及能够克服呼吸效应和远近效应的特点。

３）ＷＩＦＩ通信系统：由网络接入点和无线网卡组成的无线网络，ＷＩＦＩ无线通信系统采用ＯＦＤＭ（正交频分复用）技术，其优势在于具有较高的数据带宽和低廉的设备成本。目前ＷＩＦＩ无线通信系统工作频段为２．４ＧＨｚ，基站与手机发射功率为５０ｍＷ，单台基站通信信道为１２个，调制方式为ＤＳＳＳ／ＯＦＤＭ，通信协议支持ＣＳＭＡ／ＣＡ、ＴＣＰ／ＩＰ，由于ＷＩＦＩ系统采用短码扩频技术，只适合视距无遮挡点对点直线通信，煤矿井下的复杂地质结构，ＷＩＦＩ的通信距离将大大缩短［２］。

４）４Ｇ通信系统：第４代数字移动通信技术的简称，能够进行高质量的语音通信也能快速且高质量地传输多媒体文件。４Ｇ无线通信技术采用ＯＦＤＭ、多重输入和ＭＩＭＯ（多重输出）技术，使４Ｇ网络的数据传输速度有了大幅度的提高，同时４Ｇ网络拥有的智慧型天线技术能够充分利用信号的空间方向性，在传输数据时消除其他信号的干扰，使数据传输更加稳定，在煤矿井下这样障碍物较多的环境也能稳定快速地进行数据传输［３］。

２煤矿井下无线通信系统的应用前景分析

２．１煤矿井下安全生产监管体系随着煤炭行业安全生产监管体系的逐步完善，煤炭生产企业安全生产管理水平的不断提高，我国煤炭行业安全生产形势逐年好转，但与世界发达国家相比仍有较大差距。高效的煤炭生产企业安全管理与安全监测监控系统的先进与完善密切相关［４］。不断推进的采掘工作面以及井下流动的作业人员，使得煤矿井下无线通信系统必不可少。

１）瓦斯浓度的监控：煤矿瓦斯浓度监控系统通常包括传感系统、无线通信系统、地面控制系统等，传感系统通常包括瓦斯浓度激光探测传感器、风速流量传感器、一氧化碳浓度传感器及负压传感器等，无线通信系统会将采集到的传感器信号传输到地面控制中心。地面控制中心会对监控参数进行数据分析，一旦数据超过阈值，浓度监控系统会通过无线通信系统发出警告，通知相关人员进行进一步处理，保证煤矿生产过程中瓦斯浓度处在安全水平。

２）矿井矿压的监测：矿压的监测通常通过井下关键区域液压支架压力情况的监测来实现。通常煤矿要在一个采区的关键位置设置多个矿压传感器，无线通信系统会将液压支架上的压力数据传输到地面控制中心，当矿压信号的实时数据超过设置的临界值时，控制系统会将报警信号实时传递到井下工作人员，避免造成不必要的伤害。

３）实时语音、视频监测：无线通信系统将会使井下工作人员的语音通信更加方便快捷，人员和设备定位信息数据实时获取，安装在井下各个区域的视频监控信号也将实时发送至地面，地面监控中心发送的风险信息提示也会被井下工作人员及时接收，提高了煤矿井下的安全生产管理水平。

３．２智慧煤矿的数据传播载体我国煤炭工业在新中国成立后，以机械化、信息化、自动化为手段，经历了普通机械化、综合机械化、生产集约化、安全高效化４个阶段，生产方式以原始生产、机械生产向自动化生产发展。智慧煤矿将成为未来煤矿生产的发展趋势，推动煤矿安全生产、高效开发、绿色开发、和谐开发。智慧煤矿的核心是以透彻感知、深度互联为载体，建立广泛而可靠的智能应用，用以优化煤炭生产企业物质流、信息流、控制流、价值流，从而覆盖矿山生产和经营管理的各个环节。智慧煤矿同样拥有广泛的能够感知机电、环境、温度等实时状态的传感设备，诸如掘进机截割减速器油温油位传感器、锚杆定位传感器、主运皮带故障传感器等，这些传感器植入各类机械设备及自然对象来获取感知对象的静态及动态特性。煤矿井下无线通信系统正是将这些复杂而又繁多的数据传输到矿山智能应用系统，矿山智能应用系统通过建立智能控制及智能管理的应用，从而实现煤矿生产相关设备“监测、管理、控制”智慧化的运行。通过与虚拟现实、云计算等互联网技术的深度融合，智慧煤矿能够真正实现无人值守的现代化煤矿生产运行机制，最大限度地提高生产效率，降低生产成本，帮助煤炭生产企业对煤炭生产中的“采、掘、运、风、水、电、安全”等各个生产环节优化管理。

３煤矿井下无线通信系统的发展方向３Ｇ、４Ｇ无线通信技术都已在煤矿井下获得实际应用，煤矿安全监测系统以及智慧煤矿的发展对无线通信技术有了更高的要求。５Ｇ通信技术，即第五代移动电话通信标准的研究正在加速推进。根据目前的研究显示，５Ｇ技术相比目前４Ｇ技术，其峰值速率将提升数十倍，从４Ｇ的１００Ｍｂ／ｓ提高到１０Ｇｂ／ｓ，端到端延时将从４Ｇ的十几毫秒减少到５Ｇ的几毫秒。虽然５Ｇ网络通信标准目前暂未发布，但可以预见的是，５Ｇ技术一旦投入应用，将极大地提高煤矿井下无线通信系统的实用性及可靠性，使智能采煤、智能运输，无人煤矿等智慧煤矿的概念成为现实。

４结束语目前我国大多数煤炭生产企业的无线通信系统仍然仅仅处在初级利用的水平，伴随着社会的不断发展以及科技水平的不断提高，矿用无线通信技术也将会得到不断发展以适应煤矿现代化、信息化、智慧化的发展要求。随着５Ｇ通信时代的到来，巷道数据自动采集、生产设备自动运行控制，主动式安全保障预警提示等无线业务将是未来智慧煤矿的重要标志，无线通信系统必将会为我国煤矿信息化建设发挥更加重要的作用。

参考文献：

［１］陈湘源．煤矿无线通信系统的现状与发展［Ｊ］．工矿自动化，２００９（１）：６２－６５．

［２］徐寿泉，徐宝平，张阳太，等．煤矿井下无线通信技术的现状与发展［Ｊ］．工矿自动化，２０１４，４０（９）：１１１－１１４．