智能化煤矿对通信网络的需求

 智能化煤矿对通信网络的需求

胡诗强

中煤科工集团重庆研究院有限公司  重庆市 400039

摘要：煤炭矿智能化是转变煤炭生产方式和实现煤行业高质量发展的重要保障。目前，煤矿智能化发展仍处于示范培育阶段，通信系统存在控制时延高、系统协同差、数据利用率低、决策依据少、智能终端匮乏等一系列难题。本文主要对智能化煤矿建设对通信网络的需求进行简单分析，以期为智能化煤矿建设发展提供帮助。

关键词：煤矿；智能化；通信网络

1.煤矿智能化建设及存在问题

通过运用物联网、人工智能和大数据等新技术实现煤矿智能化建设的目标，重点任务体现在:构建煤矿井下安全监控系统，实现对采煤机、运输机和提升机等井下各种设备的自动化、智能化控制，达到远程定位与监控的目的，对可能发生的事故进行预警和防范，在不影响煤炭生产效率的情况下提高下生产安全。截止目前，我国煤矿智能化建设仍然存在以下方面问题：

1.1工业以太网的传输带宽不够

目前，煤矿企业基本上都是采用千兆工业以太网来实现井下与地面的通信和数据传输，然而，井下生产作业中所需要的带宽不是单一的千兆网所能承载的。因此，为解决带宽缺乏难题，往往选择建设多个工业以太环网，这样做的同时也使得网络结构变得复杂，可靠性降低。

1.2信息孤岛

传统的信息化建设使得各个智能系统模块之间不能进行有效的信息共享，所使用的设施标准、规范规格也各有不同，不能实现良好的信息互通，不利于煤矿安全智能一体化建设。

1.3网络线路错综复杂

井下的设备和传感器众多，需要更多的线路将设备接入工业以太环网中，造成各种线路交织缠绕在一起，给井下的网络建设和线路维护带来困难，同时也会增加发生事故的风险。

1.4数据处理不及时

井下各种信息通过光纤等传输媒介源源不断地传到地面控制中心，传统数据库技术在数据处理方面多存在延迟滞后，会造成井下信息掌互通不及时，计算机不能及时做出相应指令，如果遇到危险情况，会增大事故发生几率。

2. 智能化煤矿对通信网络的需求

2.1 WiFi通信技术

WiFi通信技术是近年来应用较多的矿用无线通信技术之一，与其他矿用无线通信技术相比，具有以下特点：①组网灵活，网络扩展性好。WiFi是一种无线连网技术，支持标准TCP/IP协议，组网灵活，并具有很强的网络扩展能力。②融合性好。基于WiFi通信技术的矿用WiFi无线通信系统可与矿井的安全监控、图像监控等系统共用１个传输通道，实现语音、数据、图像传输。③兼容性高。WiFi是WLAN（无线局域网）的主流技术，任何符合WiFi协议标准的设备可方便地通过WiFi建立通信连接，实现无线数据传输。④支持脱网通信。矿用WiFi无线通信系统可不依赖地面交换设备，为系统网络覆盖范围内的设备提供语音通信功能。⑤布网成本低。矿用WiFi无线通信系统可接入矿井工业以太网，不需要单独铺设通信网络，建设成本较低。

WiFi通信技术在市场上取得了巨大成功，已经成为智能手机、便携式智能终端的标准配置。智能手机、便携式智能终端目前已在矿井大量配置、使用，利用智能终端及WiFi直连技术，可建立点对点文件共享传输通道，实现煤矿井下设备数据采集或控制命令传输。

矿用WiFi无线通信系统具有强插、强接、监听、群呼、录音等调度功能，满足煤矿移动语音调度通信应用需要，可通过网关设备与调度通信系统无缝连接，实现与调度电话互通。通过对系统中调度通信平台、AP及WiFi手机终端等设备进行集成及软件优化，一定程度上克服了WiFi手机终端跨基站断话、语音通话滞后和无线信道带宽不稳定的技术弊端。但由于AP传输距离通常为100～300ｍ，所以在移动通话过程中，手机终端经常会在AP之间不断漫游切换，而WiFi通信技术缺少针对移动语音通话的漫游切换机制，造成漫游切换时延很大、移动语音通话效果较差。因此，矿用WiFi无线通信系统在煤矿的应用主要定位于矿井局部无线调度通信，满足井下部分作业人员的小范围移动通信需求。

2.2 ZigBee无线通信

众所周知，煤矿井下环境复杂恶劣、作业空间狭小，通风条件较差，几乎煤矿生产过程中的每个环节都存在着瓦斯隐患。随着开采体量及采掘深度的不断扩大，瓦斯隐患也越发明显，开采过程中随时可能引发重大瓦斯伤亡事故，因此，实现瓦斯气体的科学有效监控和治理非常重要。通过ZigBee通信网络的自动组网功能、多跳功能、自搜索功能，能够实现对矿井瓦斯气体全方位覆盖，进一步提升瓦斯监控的现代化水平。

ZigBee无线通信网络属于系统的数据汇聚层，整个无线网络由三部分构成，分别为协调器、路由器、终端节点，设备之间通过星型网状拓扑进行数据传输，大量终端节点通过自组织方式便可构成网络，通过逐级跳跃及多个节点的相互处理，汇集到路由器节点，最后通过协调器节点完成与上位机监控系统的数据管理。结合Zigbee无线传感器网络技术，实现了矿井瓦斯浓度的无线远程实时监测。系统可通过分布在矿井各个区域的终端采集节点，以自组网多跳的形式无线传输瓦斯监测数据，整个监测系统安装方便，功耗低，可靠性高，提高了系统的监测能力及监测范围，在煤矿安全监测中具有非常广阔的应用前景。

2.3 5G通信技术

5G，即第五代移动通信技术，它的出现意味着一个万物互联的社会即将成为可能，5G可以为用户提供更大的容量、更高的数据传输速率以及更低的延迟。它极大地增加了移动互联网用户的上网体验，同时还可以满足工业监控、远程医疗和自动驾驶等对时延有高要求的应用需求，此外还可以满足智慧城市、智能家居等的应用需求。

远程控制是保障井下安全的重要手段，是加快构建无人矿井的关键措施，能够有效提高机电设备的稳定性。安装在井下的传感器能够采集井下机电设备等需要远程操控的装置的各种信息，将设备接入工业以太环网后，信息就会被传输到地面控制室，控制中心对信息进行分析处理后，发出各种控制指令并传给各设备，从而实现远程控制的目的。网络传输带宽的大小和传输速率的稳定将直接决定控制系统的可靠性，工业以太网虽具有宽带宽的优点，但灵活性不高，煤矿都远离市区，环境复杂，对于有线网络的部署有一定的困难，因此无线网络更适合作为煤矿的通信网络。

将5G基站部署于煤矿，依托5G网络低时延和宽带宽的特点，能够有效提高数据传输的能力，大幅度增加控制系统的可靠性，结合多种类型的传感器，实现对井下机电设备的监控和保护，实现对井下排水、变电、煤炭输送等各方面的远程控制。

近来年，无人驾驶的算法日趋完善，技术也越来越成熟，但煤矿的环境复杂多变，因此想要实现矿车无人驾驶，必然要求性能优异的网络环境。就目前而言，只有5G网络，才能为矿车的无人驾驶提供较低的延迟和精准的定位以及闪避障碍物的能力。图1为无人驾驶矿车控制系统的原理图。

图1无人驾驶矿车控制系统的原理图

结 语：

智能化是煤炭工业的发展方向，也是煤炭工业必须解决的重大课题。目前煤矿智能化建设过程中，通信问题愈发凸显，为了保证智能化建设水平，必须要解决通信问题，应用当前先进的通信技术，提高信息传输质量。不难发现，5G技术的出现，极大地提高了煤矿智能化生产，更实现了无人驾驶，必须要对5G通信技术深入研究，并将其积极应用到煤矿生产中。

参考文献：

[1]刘晓嫣.5G技术下的智能煤矿及智能感知系统[J].广播电视网络,2020(10):71-73.

[2]陈亮，李敬兆．基于ZigBee技术的矿井监控系统设计[J]．山东农业工程学院学报，2017，34(09):30－33．

[3]石发强．基于WiFi技术的煤矿井下通讯系统的设计[J]．矿业安全与环保，2013,40（4）：50-52.