煤矿井下4G+5G融合调度通信网络设计及应用研究

孙长春

（北京华电力拓能源科技有限公司，北京 100035）

自20世纪80年代起，我国煤矿行业先后研制并应用了相应的通信系统。随着通信技术的快速崛起，煤矿井下行业备受一定条件的制约，致使煤矿井下事业无法得到快速的发展，针对这些要求，研究科研人员和通信公司经过坚持不懈的努力和探索，先后对煤矿井下研制出Wi-Fi、4G、5G等先进的技术，成为近年来煤矿井下行业的首选，其性能满足井下行业的需求。然而，煤矿行业对于先进通信技术的要求非常严格和苛刻。因此，通信技术要通过分期建设，实现煤矿井下网络上下行宽带比例的分配，不断满足井下工作对网络的需求。充分将5G技术应用在矿井下的方方面面，进一步增强矿井工作的环境的安全性和稳定性，最大程度地实现井下传感器的无线使用，解决传统技术中存在的缺点和不足，提高整个煤矿井下监测系统的可行性和拓展性。

1 建设智能化煤矿总构架的要求

“高效、绿色、安全”是实现煤矿智能化的总目标，将先进智能化的技术手段运用在煤矿建设中，例如以移动互联网、大数据和云计算等将煤矿建设过程中的信息资料全面整合，实现无人监控等信息全面融合和感知，有效地预测和控制智能系统的流转。实现煤矿井下生产需要的高效运作。通过先机的科学技术手段，让企业和相关部门对矿井下的环境、施工等情况可以更加准确、全面地获取到实时信息，及时解决问题；运用先机的技术手段实现人和物之间的信息交换和纵横向互通。目前，我国煤矿行业正处于智能化建设的阶段，是从单一系统到多个系统的过渡阶段，让工作环节智能化是煤矿工作的重点。目前，煤矿行业的重中之重就是将挖、运和通等方面实现全面智能化，构建智能化煤矿行业的总体建设框架以及打造国际领先的煤矿技术，是摆在我国煤矿建设的首要目标[1]。

2 煤矿井下4G+5G建设的目标

煤矿智能化的主要建设目标就是打造煤矿井下4G+5G高科技的应用，采煤工作实现智能化，相关的先进设备和技术能够对井下三维空间实现高度的位置精准定位和监测，能够对井下出现的故障做出诊断并自动矫正，通过远程控制，实现集所有流程于一体。煤矿巷道的安全掘进，需要具备精准定位与自动导航等其他功能，实现多程序相互协同等核心技术与功能的同步使用，保证矿井下工作的有效完成。4G+5G技术的应用是实现煤矿井下主导运输和辅导运输智能化的前提和基础，在运输过程中可利用先进的智能技术调整工作状态，并实现无人看守等功能，使煤矿井下运用高度的导航定位系统，实现物资的实时调度功能并及时地传输给矿井下的工作人员，体现标准化和自动化的物质运输技术。矿井下的智能通风系统可以在线观测到通风机的运行参数和相关数据的存储和查询，加强井下风机的调速和运转功能，保障井下工作的正常开展和运行[2]。

3 4G+5G建设的总体构架

按照煤矿建设的标准，应构建“四纵四横”的智能化煤矿总体布局。“四横”是指在煤矿智能化建设平台中，实现智能化系统生产和网络系统高速运转和传输，将煤矿井下的系统和平台通过智能化技术和设备有效协助起来，“四纵”是指智能建设的体系和机制始终贯穿在煤矿井下，使整个工作环境实现可靠安全的运转体制，严谨规范的标准体系，实用的产学研用机制和统一的完备工作机制。

4 煤矿井下4G+5G融合调度通信网络生态系统建设

4.1 4G+5G生态系统建设

由于煤矿井下采挖技术的全面开展和生产任务重且过程复杂。由于井下工作环境恶劣，部分企业设备装置相对落后，所以在自动化开采的基础上，应该对4G+5G技术实行进一步的推广，要不断创新和试验智能化关键技术的运用和装备的研究。在智能化挖掘方面，使用巷道超前临时支护等功能，实现矿井下工作的多掘一锚，快速实现机械化掘进工作，主要实现“以集中远控技术为辅，自动化机械操作为主”的工作模式探讨和研究，从而实现挖掘工作自能化，减少人员成本，为煤矿井下快速高效的挖掘技术提供物质基础和保障[3]。4G+5G的主运输，主要采用“全矿单轨和齿轨一体化”2种方案，确保煤矿工作的有序进行和生产，这2种方案以逐步推进和保证生产为重点，分阶段实现矿井下的智能改造。加速实现从地面工业操作到井下无人操作的智能转变，初步实现减少人员，保证运输成本和运输质量，尽早实现一站式的运输化服务。与此同时，还可以将运输机车不断地进行改造以实现电气化升级及智能运输化的升级，从而使无人操作早日实现。在煤矿井下挖掘技术的不断发现和进步，越来越多的企业使用煤矿特种机器人，为井下施工人员配置巡检机器人，水泵巡检机器人以及变电所机器人的投入使用，实现井下工作的智能化，机器人代替工人，减少了工作人数，节约人员成本，保证了人身安全，提高了工作质量和工作效率。

4.2 传输网络系统建设

目前，我国煤矿行业在网络传输方面还存在着缺点和不足，网络传输数据量小、覆盖面不全和传输率低等特点，在建设井上和井下全面高速网络覆盖等工作时，应该结合4G+5G的无线网络通信技术、Wi-Fi和专业数学群集等技术的有效结合，综合互联网、物联网等手段，实现井下全区域覆盖，全方位贯通，解决井下子系统相关信息的传输问题。在煤矿井下始终坚持“一张网”传输平台的做法。井下光纤的建立是通过企业网络管理，通过井下光纤的建立实现运营和生产各个区域的相互贯通，将矿井工作附近的工业场地，行政办公室等实现全方位的统一和传输，链路设计采用千兆汇聚、万兆骨干等实现井上Wi-Fi的全面覆盖；解决子系统传输的物理通道主要是通过工业控制网，将矿井下的实时信息传递到矿井调度指挥中心，对矿井下的掘进、运输和采煤等各环节系统进行实现有效的监测，把生产信息、安全信息及设备的工作状态实时传递到矿井生产安全调度中心，为矿井的安全高效运转提供一个可靠的传输平台。井下4G+5G网络通信技术的建设，对于煤矿开采起到了一定的帮助，施工人员可利用4G+5G技术实现无线宽带专网通信平台的建立，对矿井下的网络通信有一定的保障，可以满足实现企业对井下数据、语音和图片等的有效转换，控制多种实时传输的要求，毫秒级的网络质量及每平方公里数十的流量密度，解决了企业对井下远程监测的要求，将无人驾驶齿轨车和智能掘进等工作发挥到极致，实现全网无线、有线调度功能的有效运转，让井下办公尽早实现智能化的多媒体通信功能，并实现全网数据的获取能力和无障碍传达能力[4]。

4.3 4G+5G平台支撑建设

当今技术无法满足井下对煤矿数据的处理功能和应用支撑功能，因此要以煤矿云化大数据为建设中心，提供强大的云资源服务能力以及计算能力；构建海量资源治理实现资源全网络、全方位汇聚。为煤矿行业建立相应的支撑平台，实现全方位的统一。井下煤矿的开采应该采用先进的设计理念和设计环节，实现三维一体的信息化服务框架的构架即“云—边—端”，为煤矿工作提供有效的技术支持和决策支持，实现煤矿工作智能感知和智能交互。对运输资源能力有效的掌控，实现运输数据推理和分析智能化，及时地对管理站点和分支进行分配，实时响应高效化、精准化的边缘计算，对于井下的计算功能要实现数据精准化，减轻云端计算的压力，将实时采集到的数据及时进行传输和运转。企业应建立煤矿应用的服务支撑平台，报表工具的组成是由三维GIS、智能网关、后端服务和设计协同等平台组成，以此来实现煤矿各系统的全面统一。数据的接入标准和定义在煤矿各个系统是由智能网管决定的，“一张图”展示主要是应用于组态化平台和安全信息综合，这两者的结合为矿井下的生产提供了强有力的基础和保障[5]。所有感知来源于实时数据综合服务对数据的采集和统计并提供数据接口相关功能，并及时进行推送和订阅，要想将内框内部之间的不同专业和科室进行打通就要运用设计协同平台并加强合作，运用后端服务为上层应用统一提供服务支撑，工作所需要的报表可通过BI等工具进行汇总。

4.4 4G+5G管控系统建设

4G+5G管控系统建设的主要内容为“1+5+1”等综合门户业务+5大区域业务+1个平台管控。4G+5G分别是由感知监测业务区域、综合门户区域、生产经营业务区域和安全保障区域等组成。向用户提供统一登陆口就是综合门户区域，便于用户可以一站式访问整个系统，方便用户查询。感知业务能力是对生产现场进行实时监测，不仅可以全方位掌握生产单位的生产情况，还可以有效避免违规操作；电子化、信息化是对整个矿井生产经营管理过程进行及时管控，实现生产经营业务的区域化发展。不断提升企业的管理水平，为领导提供有力的决策和方案，实现煤矿井下工作精细化管理。4G+5G可以及时地对煤矿井下安全态势进行分析，对灾害风险进行有效的评估，降低安全隐患和事故的发生，保证矿井安全，提升了煤矿井下风险预估的能力及应对能力。为生产过程中“机器、人员、环境、管理”的安全水平提供了保障。4G+5G为基础的地理空间提供准确、实时的服务支撑，平台将矿井下的安全状况、生产状况和资源状况等各种信息及时进行对接并投入在煤矿应用中，为安全生产提供了有力的保障，加强了矿井的综合分析能力和应急能力，从而为企业的安全生产提供强有效的保证，为领导决策提供有力的支撑。

5 煤矿通信网络体系建设

5.1 实现安全的运输保障体系

安全的防护体系和科学智能的运维管理体系对于煤矿井下工作来说是十分重要的，要实现对人员、设备和煤矿信息智能化的多层次、多维度安全防护，部署智能化的管理运用体系，建立健全通信网络管理机制，以确保煤矿地下工作的高效，安全运行。要想实现煤矿井下工作的安全高效运行就要通过通信网络体系的建设协同管控中心进行自动决策，全面保障煤矿工作安全，并通过主动反馈信息，再对信息整合优化。主要通过以下手段加强通信网络技术的建设：有效地保障人员安全、信息系统安全、机电设备安全、环境安全和管理安全等；与此同时，加强企业信息化安全规范建设和煤矿化标准企业建设，就要不断优化信息安全的保障工作，完善安全保障系统，确保信息和网络安全。企业应该加强对系统个体防护的探索和研究，为工作人员提供实时的参数，配备无线语音通话设备，并及时地对矿井下的工作状态进行远程监控，及时应用危险状态逃生信息等功能，加强人员对自身安全的防护意识，提高企业的工作效率，促进企业经济效益的增长。企业应该及时检查智能化设备的运转能力和功能使用，及时地为设备提供在线点检、提高对损耗性部件的周期性更换、对设备的功能状态实行实时性评估。降低对机器损害的自动制定能力及危险状态下的报警功能。

5.2 统一完备的工作体制

企业应该建立完善的运转体制，各级部门应该加强各部门之间工作的配合，协调联动制度机制、项目关联机制等，完善建设项目的全过程，不断提升项目制度的管理，加强工作人员的考核体系，提高工作质量和工作效率，促进智能化煤矿的形成。领导要加强对各部门工作的组织工作，建立系统的煤矿企业通信负责制并成立专门的负责小组，统筹建设煤矿智能化工作的有效开展；各部门之间应该各司其职，充分发挥各部门的业务能力，在煤矿通信网络体系建设中应用发挥主体作用，做好对平台基础的建设，提高技术支持的保障。政府和企业应该完善法律法规建设，建立健全企业的管理制度，为项目的组织机构提供良好的建设，制定完备的项目计划、加强对风险的预估能力和管控能力，保证整个工作流程都在管控范围内，对工程质量进行严格的把关。加强对验收成果的审查和监测，强化第三方的评估能力。相关部门应该制定严格的考核标准和考核体系，将综合评价和工作绩效正式纳入考核范畴。实现评估机制常态化，各部门领导要加强对工作的指导和监督，对重大事件要加大通报力度，不断完善工作中的缺点和不足，不断总结，不断进步。

5.3 创新实用的产学研用机制

企业要想长远的发展，就必须培养专业化的技术团队并为煤矿建设打造专业型技术人才，加强对先进设备和技术的投资和使用，集成创新，加强融合，不断完善企业的发展机制，充分调动社会各界人员的积极参与和发展，为我国煤矿事业增添自己的一份力量。企业应该不断加强技术整合能力，推进科研教学力量、为技术支撑提供强有力的保障，深化与国内外知名高校的交流合作，要和科研院所及先进的信息技术领军企业进行深度的探索，保持密切的联系，形成长期稳定的发展，发现自身问题并弥补缺点和不足。企业应该加强对先进技术的探索，实现全面智能化的网络技术并与煤矿网络建设深度融合，开展新技术的研发，促进民军企业的融合。与此同时，企业始终要把培养专业人才放在首要位置，不断培养企业员工对设备的使用能力和数据的分析能力，加强员工的专业技术和素养，提高解决问题的能力，培养创新型和复合型人才，为我国煤矿技术领域的发展贡献力量。对于技术方面的问题，企业应该加强技术人员的能力培养，不断挖掘和攻克相关技术的能力。与此同时，企业应该与智能化信息技术不断融合，营造创新氛围，支持应用成果的转型。

6 结束语

矿井下4G+5G融合调度通信网络的发展意义深远，前景广阔。政府和企业应该加强宣传，推进高质量煤炭行业的发展，不断提升企业竞争力，为煤矿资源的可持续发展提供保障。4G+5G通信技术具备优越的性能，是煤矿发展的趋势，但是就目前社会发展来看，相关产业链还不够完善，存在一定的缺陷。政府和企业针对4G+5G技术进行场景式应用，结合自身发展状况，为4G+5G技术建设创造更大的价值和可能。不断满足人们对煤炭的需要，推动我国国民经济又好又快地发展，将先进的人工智能和大数据等技术有效地融合在一起，实现不同应用场景之间信息的高效互通，推进数字化的高效转型，推进煤炭智能化发展。