黄陵二号煤矿多网融合通信系统设计

2023-09-18曹哲哲王江龙

陕西煤炭 2023年5期

曹哲哲,王江龙

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西延安 727307)

0 引言

随着煤矿开采深度的不断延伸,安全问题日益严重。目前许多煤矿存在通信技术不完善、应急设备资源配置不完善、技术落后的问题[1-3]。这些问题导致通信不畅。随着计算机功能的提高,人工智能得到了快速发展[4-6]。近些年,人工智能技术被应用到包括煤矿行业的各个领域。然而受到通讯技术的限制,人工智能技术在煤矿井下的发展受到了制约。人工智能等AI技术十分依赖通信技术,落后的通信技术影响人工智能作用的发挥[7-10]。随着通讯技术迅速发展,通讯在各种场合中得到应用并取得较大成功[11-13]。以黄陵煤矿为背景,介绍多网融合通信系统在煤矿的应用情况。

1 系统建设目标

1.1 解决的难题

系统主要解决“高清视频回传、数据量大、时延较高”、传统的“数据承载能力低下”“地面与井下之间调度难”“传统技术下井下人员/车辆位置信息获取难”、井下无线传输网络的冗余连接这5大问题,并促进井下交通“从人工走向智能”的形态转换。

5G技术的大带宽、低延时和广连接能够解决煤矿智能化开采中的数据同步传输、远程实时控制和多传感器集中接入的难题,云计算、AI和工业互联网的结合能够充分调动计算资源,高效挖掘和利用数据,综合智能优化决策,实现煤炭智能化开采各系统的协调高效运行,推进煤矿智能化建设服务,从而达到工作面减人增效的目的。

在分组传送网中,业务类型主要包括TDM业务和以太网业务。通过PWE3(端到端伪线仿真)实现TDM等业务的综合承载,在PSN(分组交换网)中为多种业务提供透明传输通道。在通道中,用户业务相互隔离,传输过程中业务属性不发生改变。

PWE3集成原有的接入模式和现有的IP骨干网,减少CAPEX和OPEX。系统支持FlexE技术,该技术是在IEEE802.3的协议栈的RS(Regenerator Section)和PCS(Physical Coding Sublayer)层之间增加一个FlexE Shim层,将业务逻辑层和物理层隔开,通过绑定多条PHY链路来传输大流量的以太网业务,这样逻辑层面可以实现链路捆绑、子速率、通道化等功能,同时可以方便实现网络切片。

系统支持基于灵活以太网的网络切片(Network Slicing)技术,传输网络切片利用网络拓扑资源(如内部资源的链路,节点,端口和网元)虚拟化,按需组织,形成多个虚拟网络VNet(即切片网络)。整体结构分为客户租户层,业务层,虚拟网络层和物理网络层。虚拟网络(VNet)具有类似物理网络的特点,包括独立的管理平面,控制平面和转发平面。每个虚拟网络(VNet)可以独立支持各种服务,例如EPL/EVPL,EPLAN/EVPLAN和其他部署。该服务在虚拟网络上承载,物理网络不知道该服务——实现物理网络资源的解耦。

系统实现矿井的集群调度功能。4G无线通信系统不仅能支持专业的语音、视频和数据集群等调度业务,而且能将视频数据实时的进行回传和分发,并且能够实现会议、录音、强插、监听、一键紧急呼叫等功能。

系统包括人员/车辆位置信息监测功能为行业内最新一代的UWB精确定位技术,核心是UWB(ULTRA-WIDE BAND)超带宽无线冲激脉冲调制技术。UWB作为一种新兴的无线技术,凭借众多优势得到广泛关注,是因为UWB采用纳秒级窄脉冲进行信息的传输,主要应用于短距离通信领域。针对传统无线技术在通信过程中存在的种种问题,如信道窄、容量小、易受干扰等,超宽带技术开发了一个具有超大容量的新型无线信道。基于以上技术支持,UWB具有超高信号带宽、对信道衰落高度免疫、时间分辨率极高、穿透力强、功耗小、测距精度高、系统成本低等诸多优点,使其对复杂环境的适应性更强,相比于其他无线定位技术更适合应用于煤矿井下限员作业特殊封闭区域的精确定位,更能够给煤矿井下高精度定位系统的实现带来新的发展机遇。

系统利用井下先进的WiFi无线传输通信技术,将地面超融合调度通信平台、矿用本安手机以及矿方其他的终端设备通过无线的方式进行紧密的连接,井下建设的融合型分站KT552-F内包含WiFi无线通信功能板卡,只需要安装若干个融合分站。

为了减少井下运输事故的发生,提高井下运输的效率,同时满足煤矿的安全生产需求,车辆辅助运输管理系统基于UWB精确定位及4G无线通信技术的智能车辆辅助运输管理系统。该系统根据井下车辆的位置、运行状态进行用车调度,红绿灯区间闭锁控制,同时车内后续可扩展安装智能车载终端和对应的前后车载摄像头,以采集车前/车后的视频信息。

1.2 系统目标

建设一套基于“5G+4G+WiFi”多网融合通信及UWB精确定位系统,覆盖井下必要巷道和区域,其中2个综采工作面和2个掘进工作面采用5G无线通信网络,其他区域采用4G+WiFi无线通信网络。建设一套10万兆工业环网,作为整体系统的中枢“硬核”传输通道;建设一套无轨胶轮车管理系统;本项目所需的软硬件、传输线缆等采购、施工、安装、调试。

整个系统建设完成后,将实现以下建设目标:井下重点区域覆盖5G信号,其余必要的巷道覆盖4G、WiFi和UWB信号,与地面平台实现数据传输,做到井上、下各系统互联互通。2个综采工作面和2个掘进工作面覆盖5G信号,实现端到端的5G远程控制;工作面实现5G超大带宽上传及工作面4G通信、UWB精确定位等功能。井下胶带大巷、辅运大巷及关键硐室4G+WiFi+UWB信号的全覆盖,实现井下人员、车辆的精确定位、语音通信等功能,并且静态的定位精度在0.3 m以内,动态精度在1 m以内。井下特殊岗位人员运动状态、生命体征实时监测。整合现有的有线调度系统、广播系统,各系统之间数据互联互通,实现统一调度,并且开放系统数据接口和协议。

2 整体设计概述

系统包括:一套5G无线通信系统、一套4G无线通信系统、一套UWB精确定位系统、一套10万兆全光网络F5G环网系统、一套车辆辅运管理系统、一套视频监控系统和一套超融合集中管控系统。系统架构示意如图1所示。

图1 系统整体示意

2.1 整体设计理念

系统基于“4+3+N”的系统框架,以及“多网多融合”的智能化矿山的设计理念。

“4+3+N”的系统架构之“4”个上层平台:十万兆环网网络平台、5G大数据传输平台、统一通信调度平台和智能综合管理平台。

“4+3+N”的系统架构之“3”个核心设备:十万兆环网核心设备、5G基站核心设备和融合型基站。

“4+3+N”的系统架构之“N”个终端设备:定位矿灯、智能矿灯、智能手机、智能车载终端、智能手环、智能摄像仪等,如图2所示。

图2 系统框架示意

“多网多融合”的理念,即井下采用一台4G+WiFi+UWB+网络接口的多功能型基站,实现4G无线信号覆盖、WiFi无线信号覆盖、UWB精确定位信号和开放网络设备接入功能,如图3所示。

图3 多网多系统融合设计理念

2.2 设备感知层

设备感知层是以物联网等技术为核心,主要通过移动设备、多功能分站将矿井前端感知到的生产数据、管控数据、人员和车辆的地理位置数据、智能化应用和成果数据进行集中采集,是智能矿山的支撑体系。

2.3 基础设施层

基础设施层也称网络传输层,是设备感知层和数据支撑层的桥梁,主要是利用井下视频有线专网和有线、无线网络(5G、4G、WiFi、UWB)等将设备感知层采集到的数据进行传输。

2.4 数据支撑层

数据支撑层是由煤炭企业基础信息、共享交换信息、业务信息、物联网信息、互联网信息建立的数据库,实现数据融合与应用融合。

2.5 应用决策层

应用决策层面向不同业务部门实现按需服务,通过智能安全监测、智能视频分析、车辆智能运输、智能接入网关、智能调度管理来实现安全生产闭环管理、智慧决策支持和深度应用,并通过PC应用端、移动APP、调度大屏(可利旧现有)、门户网站多种方式进行展示,实现企业不同用户需求。

响应招标要求并结合实际情况,设计为二号煤矿企业打造智能矿山的6大系统。主要包括5G无线传输系统(含5G智能应用终端)、4G无线通信系统、井下“4G+WiFi+UWB”一站接入式融合平台、UWB人员与车辆精确定位系统(含人员单兵智能装备和二/三维切换展示功能)、车辆辅助运输及管理系统(含车载调度终端、智能红绿灯和井口智能放行功能)和10万兆网络承载传输系统。

3 预期效益

3.1 预期经济效益

系统整体应用云计算、物联网、大数据等为代表的新一代信息技术与传统煤炭行业技术融合创新,构建结构合理、功能完整、安全稳定、管控有效、服务全面的智慧运行体系。通过建设这套煤矿智能化系统,新一代信息技术与传统煤炭行业技术融合创新可实现产业赋能升级,推动煤炭行业高质量发展。

3.2 预期社会效益

系统整体结合企业实际,以“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念为引领,适应经济新常态、能源发展新格局和供给侧结构性改革的新要求。以提质、增效为中心,以改革创新为动力,以升级转型为主线。数字化和信息化技术日益发展,促使人类生产和生活迈向新的阶段。随着矿山技术和市场的不断转型升级,矿山竞争的核心已经由传统的资源竞争逐渐转化为高度信息化、集成化的科技竞争,智能化矿山建设应运而生。

项目实施完成后,最终将能够节省运营成本,提升生产效率,对实现科学管理具有十分重要的意义,对促进企业战略管理和两化融合体系管理在煤矿行业的应用具有重要的推动作用。