煤矿井下4G+5G融合调度通信网络设计及应用研究

煤矿井下4G+5G融合调度通信网络设计及应用研究

王鹏

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内蒙古丹蒙得煤业有限责任公司

摘要：随着我国矿井开采规模和深度的逐步增加，井 下作业的难度越来越大，矿井通信网络在煤矿生产、 安全的重要性也愈加凸显。矿井通信网络承载着 矿井内电话、远距离监控信号等各种信息的传输，在 安全生产、调度等方面发挥着重要作用。

关键词：煤矿井下；4G+5G融合调度通信网络设计；应用

引言

煤炭生产是我国能源生产的支柱产业之一，煤炭 产量约占世界总量的50%，但其生产过程时常伴有爆 炸、瓦斯突出、冒顶、透水等危险环境。2010—2019年 全国共发生煤矿生产安全事故868起，因此，瓦斯、冒 顶、水灾事故仍为今后防治的重点，煤矿事故的快速救 援亦是重要技术 。煤矿应急救援无线通信系统作为 煤矿救援任务开展的数据通信重要保证，在建立应急 通信系统的基础上，实时监测应急无线通信状态成为 重要基础。

1基于5G通信技术的煤矿智能化总框架设计

基于 5G 通信技术的煤矿智能化总框架设计可以被规 划为数据层、应用层以及网络层，数据层包括传感器节点、 数据采集、数据存储以及数据处理等模块，应用层包括实 时监控、数据分析以及预测预警等模块，网络层包括 5G 通信技术、云计算技术以及区块链技术等模块。基于 5G 通信技术的煤矿智能化总框架具有许多优 势，5G 通信技术可以实现更高的数据传输速度和更低的 通信延迟，从而能够更快地响应煤矿的实时监控和预测 预警需求 。5G 通信技术可以提供更大的网络容量和 更高的可靠性，满足煤矿复杂环境下数据传输和处理的 需要，而且还提供了更强的安全性和保密性，可以更好 地保障煤矿的数据隐私和信息安全 。数据层需要使用各 种传感器节点采集煤矿中的各种数据，包括温度、湿度、 氧气浓度以及瓦斯浓度等，然后对数据进行存储和处理， 从而为应用层提供数据支持 。应用层需要利用数据处理 和分析技术实现煤矿的实时监控、数据分析和预测预警 等功能，以提高煤矿的安全性和生产效率。网络层需要 通过 5G 通信技术、云计算技术和区块链技术等先进技术 实现数据的高速传输、安全存储和可靠交换等功能，从 而为整个煤矿智能化系统奠定坚实的基础。同时，需要 针对煤矿的实际需求对网络拓扑、网络安全等方面进行 优化和升级。

2煤矿井下4G+5G融合调度通信网络设计难点

第一，由于煤矿井下巷道的结构错综复杂，环境特 殊多变，所以系统的载频不能太低，如果系统载频过 低，在传输信息的过程感应电路承载的负荷将会过重。 第二，煤矿井下巷道有较多转弯，会对信号传输产 生影响，所以煤矿井下无线应急通信系统应当有多跳 结构，基于中间桥梁将信号逐层放大，保证信号的畅通 和良好的通信。在此过程中，须考虑系统的自组织性， 对于通信能否良好畅通起到至关重要的作用。 第三，煤矿井下巷道中的空间非常有限，且其内部 结构地势相当复杂，所以应当考虑救援设备的体积与 便携性、能耗，确保无论发生任何情况系统都能够正常 运作。

3煤矿井下4G+5G融合调度通信网络设计及应用

3.1智能管控

应用5G技术实现煤矿智能管控，能够实现无人 高效巡察、故障精准定位、电缆高温预警等功能，并 通过与防火系统联动等加强设备运行、环境安全等各 方面管理。如在矿井通风方面，通过5G网络在实现 各区域通风状态感知的基础上，应用智能通风软件 完成在线监测，在判断个别区域通风无法达到安全 规程要求的情况下，能够自动启动井下通风设施，并 通过实现局域风量、风速等指标监测、调控保证作 业安全。利用5G网络汇聚大数据，实现应急联动、 灾害预警等各项功能，能够达到煤矿综合运营管理 目标。

3.3研发动态震、电、磁监测面内层析成像及 围岩多源灾害条件的监控平台

利用多维、多参量地球物理及煤岩识别技术， 对工作面采前、采中进行地质勘探与监测，获取的 地质数据具有复杂性、异构性、海量性、孤立性， 但有一定相关性，研发动态震、电、磁监测面内层 析成像及围岩多灾害源条件监控平台，开展多场多 源数据融合研究，提高地球物理探测及煤岩识别分 辨率，进一步优化插值算法，为构建三维工作面动 态透明化模型提供高精度基础数据支撑；基于割煤 机切割震波源的频率、能量断面扫描预测，重建高 精度三维工作面动态透明化模型，制作“电子地质 导航图”，实施透明地质模型和采煤工作程序间的实 时共享联动，实现对工作面煤厚及围岩一定范围内 多源灾害体的精准、实时监测预警，多源灾害预警 平台。

3.3智能调度

通过综合运用各种有线和无线通信技术，建立 煤矿日常指挥调度和应急指挥调度系统，能够利用 5G技术完成海量音视频文件传输，为实现煤矿电 力、通信、设备、人员等各方面调度提供支持。如在综 采作业面物资指挥调度方面，通过5G 环网将各种视频上传至云平台，并利用边缘服务器实 现数据处理，生成全景拼接视频发送至远程工作站， 可以结合巷道占用情况、辅助车辆位置等合理调度 运输车辆，加强井下运输管控。通过5G网络同时承载 视频、广播等各种设备通信，使各分站相互补充和协 同，能够实现煤矿多级智能调度功能。

3.4状态监测系统设计

该文面向上述 Wi-Fi 应急无线通信系统，设计监 测平台实现实时获取Wi-Fi 的信号强度，通过信号强 度推演信息的传输速度。首先，用设计获取 shell 程 序；其次，通过在 shell 中执行 Linux 下的工具 nm-tools 来获取周边的Wi-Fi的全部信息；再通过shell来解析 Wi-Fi 的状态信息，将其按照逐行排列显示；再次，利 用程序逐行分解其字符串，找到匹配行，获取对应应急 Wi-Fi的名称及其相应信号强度；最后，将获取的信息 在上位机显示。

3.5远程网络故障诊断

传统工业环网日常运维报表 (如光功率、丢包 率、带宽占有率等) 需人为观察后手动记录，需要人 员有较强的专业能力。井下光缆维护需技术人员多 次下井并使用专业工具来维护，日常运维量大。 F5G 工业光环网搭配 eSight 智能网管，设备一站 式管理，通过大屏管理、性能管理可快速了解网络 KPI，通过报表一键导出，专业门槛低。通过数字化 ODN、DQ ODN 技术管理传统无源光缆，断纤诊断精 准可靠，可在 5～10 min 内判断出主干线路故障点， 诊断精度达 m 级，减少维护人员 90％的下井排障时 间，相较于传统工业环网 6～8 h 的排障时间，运维效 率大幅提升。通过内置的 ORE 管理模块对 ORE 下 属业务数据流进行实时监测，维护人员可通过分析 数据流量，研判网络传输质量进行网络优化，从而减 少网络故障。

结束语

通过精细重构透明工作面条件，形成监测平台， 做好与智能割煤机械装备融合配套，才能保障井下 生产的正常化，同时需要进行三维地质模型动态重 构，实现随采波场环境检测、震波 CT 数据采集成 像、电子地质图件导航，保障割煤机械装备的安全 高效行走。煤矿生产企业和科研院所，需要加大对 透明地质重构技术与装备研发的投入，培养一批年 轻技术骨干，以承接智能化煤矿建设事业的发展。

参考文献

[1]郭天成. 基于无线传感器网络的矿井应急救援通信系统的研究[D].长沙理工大学,2020.

[2]赵国刚. 基于通信技术的煤矿安全监测监控系统研究与应用[J]. 内蒙古石油化工,2020,46(03):102-104.

[3]丛爽. 4G无线通信技术在煤矿井下的应用[J]. 内蒙古煤炭经济,2020,(05):172-173.

[4]霍振龙,张袁浩. 5G通信技术及其在煤矿的应用构想[J]. 工矿自动化,2020,46(03):1-5.

[5]何瑛,肖军. 基于ARM和无线通信技术的煤矿智能视频监控系统的研究[J]. 工业仪表与自动化装置,2019,(05):30-32+36.