楊景峰

(陜西陜煤彬長礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

近年來，根據國家產業(yè)發(fā)展方向，煤礦為了進一步提高礦井的信息化和自動化水平，推動礦井走更加集約、高效的發(fā)展道路，提升企業(yè)競爭力，各礦井逐步建設了調度通信、無線通信、人員定位、車輛管理、IP廣播及工業(yè)視頻等系統(tǒng)，每個系統(tǒng)均在井下布設各自的專用基站及線纜。但是，隨著井下巷道延伸，各系統(tǒng)基站安裝、線纜敷設等工作隨之增多，由于各系統(tǒng)設備分屬不同廠家，接口不統(tǒng)一，造成線纜數量多，維護強度不斷加大。孟村煤礦作為陜煤集團彬長礦業(yè)公司新建礦井，在智能化礦井建設方面提出了實現“一中心、一基站、一融合、一平臺”的總體設計思路，井下采用了基于多系統(tǒng)融合的無線通信分站，分站集成多種接口，通過千兆接入萬兆工業(yè)環(huán)網，實現了井下就地融合，為企業(yè)安全生產節(jié)省了投資成本，降低了維護工作量。

1 多系統(tǒng)融合的技術難題

針對煤礦井下應用環(huán)境,提出基于井下多系統(tǒng)融合的4G+WiFi無線通信分站應用研究，首先要解決以下多系統(tǒng)融合技術難題。

1.1 多網絡融合覆蓋的本安型分站與信號覆蓋

針對孟村煤礦安全生產需要，需同步建設4G無線通信和WiFi信號覆蓋，同時廣播、擴音電話、視頻需要接入，解決設備多、線纜多的問題，讓多網絡融合基站本安化、小型化，便于安裝和維護。

由于4G無線通信、WiFi的無線信號覆蓋距離各不相同，同時受相近頻段干擾、井下封閉空間內多徑干擾更是遠距離覆蓋的難點。

1.2 井下多協議以太網封裝與解析

多網絡融合基站集成了不同系統(tǒng)模塊的不同接口，需要采用統(tǒng)一的以太網協議進行封裝，地面采用高效的協議解析，形成以太網的透明協議傳輸，協議需要保障系統(tǒng)的實時性和可靠性，是底層融合的關鍵點。

1.3 跨電壓等級的電源

融合了多業(yè)務模塊的分站，除要求自身穩(wěn)定可靠性外，還要保證供電的可靠性。為了保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要采用“專線”供電。適用遠距離壓降，并能夠承受井下電網波動沖擊的電源需要解決。同時由于基站融合程度較高，也需要大功率本安輸出的電源。

1.4 多系統(tǒng)融合的調度軟件

在一個觸摸屏調度臺上融合有線調度、無線通信、廣播、車輛調度、可視調度以及人員定位、安全監(jiān)控、工業(yè)視頻等多系統(tǒng)，打通各系統(tǒng)壁壘，提升調度指揮水平，尤其是應急指揮水平，這就需要一個多系統(tǒng)融合的調度軟件。

2 引入多系統(tǒng)融合的關鍵技術

2.1 低功耗融合分站設計技術

為了滿足煤礦安全規(guī)程的標準要求，低功耗融合分站設計需采用高效率及寬電壓的開關型DC-DC電源、低功耗高性能的COTEX-M4內核的處理器、高效率低功耗隔離總線通訊模塊，充分貼合低功耗和高集成度的設計目標。

2.2 本安型電路設計與無線等距傳輸技術

本安型設計：本安型是本質安全型的簡稱，即在其內部的所有電路都是本質安全電路的電氣設備。本安型設備除了其安全性能外，更具有體積小、重量輕等特點，方便在煤礦井下運輸、安裝、維護。電子類設備工作電流低，可按照煤礦本質安全型檢驗標準進行電路設計和器件選型，滿足煤礦安全與安裝維護的需求。

多頻無線等距離傳輸技術：多功能融合分站具備WiFi、4G兩種無線信號，按照常規(guī)設計，融合基站要采用定向天線，安裝到煤礦井下巷道，每種天線至少兩個，對兩個方向進行信號覆蓋，兩種信號(WiFi、4G)需要4根天線。

在煤礦井下一個基站的兩側安裝4根天線，而且要避免天線之間的信號相互干擾，對于現場實際應用來講，一是安裝不方便，二是增加項目的成本。針對項目建設需求，設計采用多頻天線技術，將4G和WiFi共用1根天線，降低項目實施成本。

2.3 多協議封裝技術

多功能融合分站需要同時具備4G通信、WiFi、以太網、CAN、RS485、I/O等多種功能及協議接口，采用基于以太網IPV4傳輸的短延時、多通道的封裝、加密、解析處理模塊，解決4G無線通信、WiFi數據傳輸等多種數據的封裝與解析難題，實現在工業(yè)以太環(huán)網的統(tǒng)一數據傳輸。

通過一個觸摸屏調度臺，實現有線電話、無線手機、廣播終端的集中調度和管理，具備生產調度所需強插、強拆、組呼、群呼等功能。兩種系統(tǒng)之間通過核心語音交換設備實現有線到有線、有線到無線、無線到無線、有線到廣播、無線到廣播等相互之間的自由通話，為煤礦井下調度指揮提供快速的指揮能力和應急能力。

2.4 協同應用與聯動告警技術

協同應用技術：該技術與地面調度中心平臺的深度融合，不僅將有線調度、無線調度及應急廣播進行了融合，而且將車輛調度管理、視頻監(jiān)控信息進行了數據共享。

Power stations，large and small，have been set up all over the country.（大大小小的電站已經在全國各地建起來了。）

構建特有的動態(tài)分區(qū)功能，根據設定的分區(qū)范圍，將區(qū)域內所有有線調度電話、無線手機、廣播終端、攝像儀、車輛進行集中顯示，并能查看分區(qū)內人員分布情況。

聯動告警技術：系統(tǒng)應具有聯動告警功能，系統(tǒng)能夠根據預設條件，自動對有線電話、無線手機、廣播發(fā)起組呼或者群呼。并且可以與其他自動化系統(tǒng)進行互聯互通，可以自動發(fā)送報警信息到制定手機，并且可以自動呼叫廣播、有線電話、無線手機，使信息得到及時傳達。

3 系統(tǒng)架構設計與創(chuàng)新點

3.1 系統(tǒng)架構設計

根據孟村煤礦的實際需求，4G+WiFi無線通信系統(tǒng)包含井下和地面無線信號的覆蓋。

地面覆蓋范圍：孟村煤礦辦公區(qū)域、主副井工業(yè)廣場、風井工業(yè)廣場、職工生活區(qū)。

井下覆蓋范圍：中央一號輔助運輸巷、中央二號輔助運輸巷、中央帶式輸送機巷、401盤區(qū)輔助運輸巷、401盤區(qū)帶式輸送機巷、401101工作面輔助運輸巷、副井底東西行人巷、井底等候室、煤倉下口、上倉變電所、中央變電所、中央水泵房、401盤區(qū)變電所、401盤區(qū)水泵房、一號永久避難硐室、二號永久避難硐室、三號永久避難硐室等主要行人區(qū)域及重要機電硐室。

系統(tǒng)制式：在4G系統(tǒng)的FDD-LTE和TD-LTE兩種制式中，從功能邏輯上來說，在相同的信號帶寬、相同的調制方式下，FDD-LTE有2個通道同時不間斷開工，而TD-LTE只有一個通道需要分時段開工，在通話質量相差不大的前提下，FDD-LTE數據傳輸更強。本次系統(tǒng)設計采用帶寬最高、使用范圍最廣、技術最成熟的FDD-LTE制式作為孟村煤礦的4G專網覆蓋。

系統(tǒng)組成：系統(tǒng)主要由4G核心語音交換機、4G綜合業(yè)務平臺、觸摸屏調度臺、網管錄音服務器、網絡交換機、地面基站控制器、地面大功率基站、井下基站、移動終端等設備組成。

系統(tǒng)傳輸：系統(tǒng)結構多樣，組網靈活，兼容性強，根據孟村煤礦的現狀，現選擇光纖組網的方式來完成數據鏈路的傳輸，系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 4G+WiFi無線通信系統(tǒng)架構圖

系統(tǒng)集成：系統(tǒng)高度集成，“一站”集成4G模塊、WiFi模塊等多業(yè)務模塊與接口，“一線”傳輸多個系統(tǒng)，打包解決了4G語音通信問題、WiFi數據傳輸問題、車輛調度指揮管理問題，“一個系統(tǒng)投資，兩個網絡的完美覆蓋”，同時系統(tǒng)使用線纜少，維護方便。

系統(tǒng)架構：系統(tǒng)的整體架構基于工業(yè)以太網，各系統(tǒng)底層互通，數據共享，方便系統(tǒng)擴展應用與其他系統(tǒng)的融合?！?G+WiFi”的無線架構，有效解決了無線大數據傳輸問題，基于802.11協議的更開放，兼容性更強。

3.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點

基于井下融合的4G+WiFi無線通信分站，實現煤礦井下多種基站功能的融合，實現多種傳感器及系統(tǒng)的接入，實現地面各系統(tǒng)平臺的融合，能夠解決煤礦井下多個設備的安裝維護難題，提高地面生產指揮和應急指揮的工作效率，其創(chuàng)新點主要有:

無線信號全覆蓋：基于MIMO天線陣列雜波過濾技術增強WiFi傳輸靈敏度技術、基于FDD-LTE的4G無線通信技術進行一體化設備融合，解決因井下設備及線纜眾多造成的投資大、維護難、效率低等難題，可實現4G無線通信、WiFi無線信號等距無線覆蓋。

多種功能及接口：基于無源業(yè)務背板+模塊化功能插件的結構設計方式，采用低功耗電路設計、本安電路設計及集成電路設計等技術方法，實現在一臺礦用本質安全型的小型基站中實現高度集成的多功能業(yè)務，使其具備4G通信、WiFi、以太網、CAN、RS485、I/O等多種功能及接口。

數據統(tǒng)一傳輸：采用基于以太網IPV4傳輸的短延時、多通道的封裝、加密、解析處理模塊，解決4G無線通信、WiFi數據傳輸、監(jiān)控視頻、廣播、控制等多種數據的封裝與解析難題，實現在煤礦工業(yè)以太環(huán)網的統(tǒng)一數據傳輸。

4 系統(tǒng)應用效果分析

經過基于井下融合的4G+WiFi無線通信分站的應用，解決了多系統(tǒng)重復投資建設、敷設線纜多、維護難度大等問題，同時降低了煤礦信息化多系統(tǒng)維護難題。

4.1 信息化能力提升

通過基于井下多系統(tǒng)融合的4G+WiFi無線通信分站應用研究，分站高度集成，符合國家及煤炭行業(yè)信息化發(fā)展趨勢，實現了各系統(tǒng)底層融合，為后期綜合信息化數據融合及分析提供了基礎，提高了煤礦信息化管理水平。

4.2 經濟和社會效益顯著

通過基于井下多系統(tǒng)融合的4G+WiFi無線通信分站應用研究，實現了4G無線通信、WiFi無線網絡兩套基站的功能，設備投資節(jié)省約80萬元；高度融合的分站應用，節(jié)省了設備之間線纜敷設，節(jié)省線纜投資約20萬元；降低了系統(tǒng)維護成本，至少每班減少1名維護工，三班減少3人，每年減少投入約18萬元。總體節(jié)省資金118萬元。

通過項目實施，提高了孟村煤礦信息化管理水平和維護人員運維能力；基于井下多系統(tǒng)融合的4G+WiFi無線通信分站應用是各信號通過綜合分站融合統(tǒng)一傳輸，提高了各系統(tǒng)之間的數據共享，為孟村煤礦安全生產提供了保障。

5 結語

通過基于井下多系統(tǒng)融合的4G+WiFi無線通信分站的應用，實現了底層設備的融合，避免了重復投資，消除了信息孤島，打通了信息壁壘，大幅提升了孟村煤礦的信息化水平，取得了顯著的經濟和社會效益。

該系統(tǒng)在孟村煤礦的成功應用，具有很好的示范效應，為陜煤化集團其它礦井建設井下多系統(tǒng)融合無線通信系統(tǒng)提供了實例。