开放式Wi-Fi无线通讯系统在井下的超融合应用

田 骞

（陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井，陕西 韩城 715407）

0 引言

矿山安全是煤炭行业管理的难题，也是全社会安全生产中的重中之重。我国煤炭储存环境复杂，地质条件较差，开采成本高；缺乏及时有效的预警系统；百万吨死亡率依然较高，安全问题十分突出，矿山生产迫切需要提升开采和监管方式。物联网是物物相联的互联网，以互联网为支撑，以协议为保障打破了原有矿业开采中物理设施和信息基础设施分离的积弊，及时通过网络把各种信息传递给地面工作人员，进行信息交换，使人员、机器、设备融为一个整体，为大规模无人化作业和安全生产提供了系统性保障［1-3］。

1 矿山信息化发展现状及形势

我国从2008年后逐渐提出建设信息化矿井，以信息化带动煤炭工业化，走新型工业化道路，建设新型现代化矿井，是二十一世纪煤炭企业提高矿井安全程度、实现高产高效、增强核心竞争力的必然途径，是煤炭科技发展的方向。伴随着信息技术的成熟与发展、煤炭市场的持续好转、企业经济效益的大幅提高，全国各大煤矿企业以“创建国内一流信息化矿井”为目标，拉开了信息化自动化建设的序幕。

随后，各个生产矿井陆续建设了瓦斯监测、工业环网、人员定位、井下视频监控、应急广播、无线通讯、无轨胶轮车监控、瓦斯钻场视频监控、各种工业自动化控制等系统，甚至于目前比较先进的无人巡检视频监控信息系统，有些高效智能矿井还使用智能机器人作为辅助。然而，系统繁多且大都不同时建设（除新建矿井外），每种系统各自独立、线缆繁多、故障率高发、维护人员疲于应付，各系统该发挥功能时反而达不到想要效果；加之这些信息系统的数据不能共享、信息量单一，与实现智慧矿山的目标相距甚远［4-6］。

2 桑树坪二号井信息化建设概述

2.1 信息化建设发展现状

桑树坪二号井自2015年6月后陆续建设了安全监测系统、有线调度通信系统、无线通信系统、人员定位系统、应急广播系统、视频监控系统、工业传输环网、主煤流集控、水泵房自动控制、局扇监控等子系统。这些系统厂家不同、数据协议不同、设备线缆独立重复，维护不便，随着系统的增加和时间的推移，系统的维护量和维护成本呈几何倍数的增长，且系统数据利用率不高，投入产出比相对低下。系统之间成为信息“孤岛”难以联动，缺乏统一的调度指挥平台，很难实现数据共享融合联通的智慧化矿山。

2.2 信息化建设过程

桑树坪二号井近期增设了无轨胶轮车监控系统，按照总体规划和本着硬件共享、底层互通、传输共用、平台互动的子系统深度融合理念，将矿井上述系统逐步向“一站”多系统接入、“一线”多系统连接、“一网”综合传输、“一平台”混合应用的高效融合智慧化矿山靠近，从而为大数据分析提供了可能。

现有的无线融合基站，自带有Wi-Fi通讯、精确定位、百兆光缆网络传输等模块，可以实现手机通信、人员精确定位、车辆精确定位与测速、车载调度通信、无线视频、应急广播等系统的接入，甚至于安全监测监控系统和调度电话的接入［7-9］。多个系统，一站式解决，也就是常说的“一站”；分站提供以太网接口，通过以太网线缆直接接入环网，多个系统，一线传输，也就是常说的“一线”；所有的分站，统一通过规划的工业环网到地面，也就是常说的“一网”。以互联网为支撑，以协议为保障，利用多种传感器和自动识别设备，融合精确定位系统、红外感应、无线射频技术，智能地识别和定位关联物品，实现远程监控和管理。Wi-Fi式无线通讯技术成熟可靠，其最大优点就是传输速度较高，可以达到11 Mbps。另外它的有效距离也很长，在开放性区域，通讯距离可达305 m，在封闭性区域，通讯距离为76～122 m，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。基于Wi-Fi信号的车载调度系统，车辆与调度号固定对应，无法更改，保证调度、通信无障碍，提升了车辆的使用效率，提高了车辆的运行安全，同时结合人员精确定位的技术方案，实现车辆的精确定位与测速。同时也与已有的各种802.11的DSSS设备兼容属于开放式信号，可以为今后各个系统传输数据扫除协议壁垒，达成数据共享。

采煤和掘进工作面是煤矿生产过程中处于动态变化的环境，除放置了大量生产性设备以外，现场还必须放置许多辅助安全信息系统设备。工作面作为一个高危生产环境，本身就存在设备多、人员多、环境危的特点，是煤矿安全生产管理的核心所在。多系统融合“一站式”就是为了解决大多数矿井因所建设的系统在工作面独立工作所造成的效率不高、联动性不强等问题，积极采用现代化矿井通信技术来解决安全生产管理中的“死角”、保证人员安全及生产安全；通过现代化融合通信技术，为现场的安全指挥及时性减少时间上的延迟，避免事故的突发性。再结合矿井目前现状需求分析，本项技术应用研究可以大大提高煤矿安全生产程度及工作效率、降低煤矿工人劳动强度。根据最新技术水平、煤矿特殊工作环境和管理模式，通过将井下各系统的本安或者隔爆分站进行硬件上的融合，能够解决目前安装设备多、走线复杂、维护成本高、多系统关联的紧迫需求，使其具备多个井下分站才能完成的功能融为一体。同时在地面上对不同平台进行融合，实现不同系统之间的协同应用，提高煤矿生产及应急指挥效率，便于工作人员根据需要快速进行调度、协调指挥，这样将产生不可估量的间接和直接经济效益。

3 经济效益分析

3.1 节约资金

本次井下共计融合了无线通信、车载通信、人员定位、车辆调度、无线数字视频、Wi-Fi网络数传等6个系统总投资145万元，分别是无线通讯基站45万元，150部智能防爆手机30万元，无轨胶轮车监控系统70万元（含18台融合精确人员定位基站）。未考虑后期全部升级为精确人员定位还需55万元。无线通讯基站和智能防爆手机是为井下无死角“双重预控”系统而投入，无轨胶轮车监控系统是本次必须建设的。然而分别建设这些系统估算约553万元，无轨胶轮车监控系统93万元（本次还利用了其他系统的部分设备节省23万元），“双重预控”系统（服务器软硬件、智能手机及APP）60万元，井下无死角全覆盖无线通讯系统115万元，全矿井1 m精度人员定位系统200万元，钻场视频监控（有线）系统70万元。这样算下来可节省资金353万元，产生的直接经济效益由此可见一斑。

3.2 节约人力成本

按照每条采掘巷道1 000 m计算，系统建设成功后巷道中的设备从原来的10台减少到5台，线缆由3根减少到1根电源线。如果再加上应急广播系统和调度通讯系统的设备维护量，按照“一井一面四掘进”共需专职维护人员6名。采用集中供电和集中网管的方式，快速定位系统故障，降低了故障排查难度也使维护人员减少到2人，每年可节约人力成本24万元。

3.3 系统安全可靠

融合通信系统采用多频无线，覆盖了全部的胶运、辅运大巷以及掘进工作面、综采工作面、硐室等场所。通过网络把各种信息及时传递给地面工作人员以进行信息交换，使人员、机器、设备融为一个整体，为将来大规模无人化作业和安全生产提供了基础。就目前而言，基于全井无线信号覆盖的人员定位系统实现了大容量（1 500张）、高速不漏卡（60 km/s，200张卡）、抗干扰能力强（不受信号强度制约）、稳定性好、精确定位（1.0 m）等优点，为井下人员求救报警、紧急撤离提供了强力保障，为井下人员的生命安全贴上一张保护符。实现“无人则安，少人则安”，从本质上达到了防范和遏制重特大事故的目的。

3.4 消灭信息孤岛

融合通信系统消灭了系统间的信息孤岛，实现了物理底层和上层应用的双重结合。就调度而言，提升了调度指挥效率，尤其是区域应急指挥水平；就融合平台而言，关键信息快速掌握；就联动告警平台而言，实现了系统间的智能互动，自动发布。此外，解决了等距多网络的全覆盖，人员、车辆的精确定位，设备及电源，线缆合一等关键技术难题；为矿山的信息化、智能化、自动化建设奠定了坚实的基础。

4 结语

结合煤炭行业信息化的发展趋势，根据矿井的情况提出信息融合与一体化管理的理念，以开放式Wi-Fi无线通讯为基础，对现有的无线通信系统、人员定位系统、车辆管理系统、视频监控系统以及后台管理进行了技术底层融合升级改造，实现了无线通信、人员定位、车辆调度、视频监控的一体化信号传输。初步实现底层硬件设备的共享、共用，解决了井下信息化设备多、线缆多、维护量大的问题，提升了设备的利用率，也为后续井下所有设备的万物互联提供了经验。通过进一步的改造和技术升级就可轻松将广播系统的声音传递到有线和无线通信系统中并进行双向通话，同时能将所有的有线和无线终端（手机、固话）作为广播系统的发布终端。将来再随着软件技术的不断更新升级，在地面上通过融合的调度指挥平台、智能化综合系统应用平台，对矿井进行综合数据联动分析以及调度指挥，可全面地展现煤矿生产、安全、物资、设备等全方位信息，实现上层应用的互通，消灭信息孤岛，发挥系统的集约效应，进而为科学、及时的生产经营决策提供依据。